EL METABOLISME CEL.LULAR: BIOENERGÈTICA · PDF filebiomolècules més senzilles - Són reaccions de reducció - Necessiten energia - Malgrat que es parteix dels mateixos substrats,

IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova Suau

1

1. Concepte i tipus de metabolisme. 1.1 Catabolisme i anabolisme

1.2 Tipus de metabolisme. 1.3 L’ATP i la seva importància en el metabolisme. 2. Control del metabolisme. 3. Els biocatalitzadors 4. Els enzims. 5. Activitat enzimàtica. 6. Cinètica enzimàtica 7. Enzims al.lostèrics 8. Sistemes multienzimàtics. Regulació de

l’activitat enzimàtica 9. Classificació dels enzims 10. Les vitamines 11. Les hormones

16

EL METABOLISME CEL.LULAR:

BIOENERGÈTICA

IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova Suau 2

1 CONCEPTE I TIPUS DE METABOLISME El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l'interior de les cèl· lules i que condueixen a la transformació d'unes biomolècules en d'altres.

Les diferents reaccions químiques del metabolisme s 'anomenen vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s'anomenen metabòlits.

Les substàncies finals d'una via metabòlica s 'anomenen productes. Les connexions que hi ha entre diferents vies metabòliques reben el nom de metabolisme intermediari.

Totes les reaccions del metabolisme estan regulades per enzims , que són específics per a cada metabòlit inicial o substrat i per a cada tipus de transformació.

1.1 CATABOLISME I ANABOLISME

Es poden considerar dues fases en el metabolisme: una de degradació de matèria orgànica o catabolisme i una altra de construcció de matèria orgànica o anabolisme

Catabolisme : És la transformació de molècules orgàniques complexes en d’altres senzilles. En el procés s’allibera energia que s’emmagatzema en els enllaços fosfat de l’ATP Anabolisme : És la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles, per la qual cosa es necessita energia, proporcionada per l’ATP

REACCIONS CATABÒLIQUES

REACCIONS ANABÒLIQUES

- Són reaccions de degradació de molècules complexes en d’altres de més senzilles

- Són reaccions d’oxidació. - Desprenen energia - Malgrat que es parteix de substrats

molt diferents gairebé sempre donen els mateixos productes (àcid pirúvic, CO2, H20, etanol i pocs més). Hi ha convergència de productes

- Són reaccions de síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles

- Són reaccions de reducció - Necessiten energia - Malgrat que es parteix dels mateixos

substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts productes. Hi ha divergència en els productes

-


3

1.2 TIPUS DE METABOLISME Tots els éssers vius necessiten incorporar a les seves cèl·lules molts tipus diferents d’àtoms, entre els quals el més abundant és el C. Segons la font de carboni, es poden distingir dos tipus d’organismes:

Metabolisme autòtrof. Si la font de carboni és el CO2 atmosfèric, és a dir el carboni inorgànic. Metabolisme heteròtrof. Si la font és la matèria orgànica, com per a exemple la glucosa, proteïnes o triglicèrids, és a dir, formes mes o menys reduïdes del carboni, o carboni orgànic.

Respecte a les diferents fonts d’energia en els reaccions metabòliques podem trobar dos processos diferents: Fotosíntesi . Si la fons d’energia és la llum. Quimiosíntesi . Si es tracta de l’energia alliberada en reaccions químiques.

TIPUS D’ORGANISMES SEGONS EL SEU METABOLISME

ORÍGEN DE L’ENERGIA

ORIGEN DEL CARBONI

EXEMPLES

Fotolitotròfs

(o fotoautòtrofs)

Llum CO2 Plantes superiors, algues, cianobacteris, bacteris proprats del sofre i bacteris verds del sofre

Fotoorganòtrofs

(o fotoheteròtrofs)

Llum Orgànic Bacteris porpats no sulfuris

Quimiolitòtrofs

(o quimioautòtrofs)

Reaccions químiques

CO2 Bacteris nitrificants, bacteris incolors del sofre

Quimioorganòtrofs

(o quimioheteròtrofs)

Reaccions químiques

Orgànic Animals, fongs, protozous i molts bacteris


1.3 EL TRIFOSFAT D’ADENOSINA (ATP) I LA SEVA IMPOR TÀNCIA EN EL METABOLISME En les reaccions químiques és necessari canalitzar d’una manera eficaç l’energia alliberada. Per exemple, si en la combustió de la glucosa tota l’energia s’alliberés en forma de calor, de poc li serviria a la cèl· lula. Per això la glucosa entre en un cicle de reaccions acoblades de manera que l’energia que es desprèn en unes reaccions és utilitzada per a impulsar altres reaccions. En aquest tràfec d’energia entre reaccions hi juga un paper fonamental l’ATP

El trifosfat d’adenosina o ATP és un nu-cleòtid de molta importància en el metabolisme, ja que pot actuar com a molècula energètica, perquè és capaç d'emmagatzemar o cedir energia gràcies als seus dos enllaços esterfosfòrics, que són capaços d'emmagatzemar, cadascun, 7,3 kca/mol. Quan s'hidrolitza, es trenca el darrer enllaç esterfosfòric (desfosforilació) i es produeix ADP (Difosfat d’adenosina) i una molècula d'àcid fosfòric (H3PO4), que se sol simbolitzar com a Pi; a més, s 'allibera l'energia esmentada abans:

ATP + H20 –~ ADP + Pi + energia (7,3

kca/mol)

L'ADP també és capaç de ser hidrolitzat, de manera que es trenca l'altre enllaç esterfosfòric, amb la qual cosa s'alliberen uns altres 7,3 kca/mol i es produeixen AMP (monofosfat d’adenosina) i una molècula d'àcid fosfòric:

ADP + H2O ----> AMP + Pi + energia (7,3 kca/mol) Es diu que l'ATP és la moneda energètica de la cèl·lula, ja que representa la manera de tenir emmagatzemat un tipus d'energia d'ús immediat.

En els processos anabòlics , o quan la cèl· lula realitza qualque treball, l’energia s’obté a partir de l’ATP que passa a ADP o AMP.

En els processos catabòlics i en la fotosíntesi se “recarrega” la molècula d’ADP amb un grup fosfat i passa a ATP mitjançant l’anomenada fosforilació.

De vegades s'utilitzen per a la mateixa finalitat altres nucleòtids com ara el GTP, l'UTP o el CTP.


5

Síntesi d’ATP. La foforilació

La síntesi d’ATP es pot fer per les següents vies:

Fosforilació a l’àmbit del substrat

És la síntesi d'ATP gràcies a l'energia que s 'allibera d'una biomolècula (substrat) quan es trenca algun dels seus enllaços rics en energia, com passa en determinades reaccions de la glucòlisi i del cicle de Krebs. Els enzims que regulen aquests processos s 'anomenen quinases.

Per mitjà d'enzims del grup de les ATP-sintetases

És la síntesi d'ATP per mitjà dels enzims ATPases que hi ha a les crestes dels mitocondris o als tilacoides dels cloroplasts, quan un flux de protons (H+) travessa aquests enzims.

Fosforilació oxidativa: Té lloc als mitocondris i en les membranes plasmàtiques de les cèl.lules procariotes. (veure apartat de la respiració cel.lular) Fotofosforilació : Té lloc als cloroplasts, durant la fase lluminosa de la fotosíntesi (veure apartat de la fotosíntesi)


2 EL CONTROL DEL METABOLISME

Reactius i productes Moltes substàncies químiques quan reaccionen, desprenen energia calorífica son les anomenades reaccions exergòniques. Això es pot comprovar experimentalment observant com augmenta la temperatura del medi en el qual es produeix la reacció. Aquest despreniment es dóna perquè l’energia interna total de les substàncies reaccionants o reactius (també anomenada energia química perquè és l’energia emmagatzemada en els enllaços químics), és superior a l’energia interna de les substàncies produïdes o productes . Malgrat això. aquestes reaccions no es do-nen espontàniament. ja que, per iniciar una reacció, primer cal subministrar prou energia per debilitar els enllaços dels reactius i així possibilitar-ne la ruptura.

L’energia d’activació Aquest pas intermedi, que requereix una aportació d’energia, rep el nom d’estat de transició. L’energia, expressada en calories, necessària per dur 1 mol de molècules d’una substància. a una temperatura determinada, fins a l’estat de transició s’anomena energia d’activació Per accelerar la reacció química també hi ha dues solucions: o posar-hi escalfor, i amb això augmenta l’estat de vibració de les molècules i, per tant, la possibilitat que xoquin i donin lloc als productes, o bé afegir-hi un catalitzador, és a dir, una substància que disminueixi l’energia d’activació necessària per arribar a l’estat transitori. Un augment de temperatura pot provocar la mort dels éssers vius, per això en aquest cas se segueix el segon mecanisme, és a dir, l’actuació de catalitzadors biològics o biocatalitzadors. Les molècules que exer-ceixen aquesta funció són els enzims.

A mode d’analogia l’inici d’una reacció és comparable a la reacció de llançar per la finestra un objecte que hi ha a terra. No s’ha de fer gens de força perquè caigui, ja que cau sol; però fins que l’objecte no s’apugi fins a l’ampit de la finestra, la caiguda no s’iniciarà.

Observam també que per llançar molts objectes en poc temps hi ha dues solucions: po-sar mites persones que treballin molt ràpidament, és a dir. gastar molta energia, o bé rebaixar l’ampit de la finestra perquè sigui més fàcil Llançar-los. Aquest seria el paper dels enzims


7

3 ELS BIOCATALITZADORS

Un catalitzador és una substància, generalment un metall o un òxid metal.lic finament dividit, que accelera la velocitat de les reaccions químiques i es manté inalterable mentre aquestes es produeixen. Les substàncies que intervenen en les reaccions químiques dels éssers vius són molt estables i per això necessiten una considerable aportació d’energia per a reaccionar. D’altra banda la velocitat d’aquestes reaccions seria tan lenta que seria impossible el desenvolupament de la vida. Els biocatalitzadors són molècules que augmenten la velocitat de les seves reaccions i exerceixen un control del metabolisme determinant quines reaccions s’han de produir i en quin moment ho han de fer. Els biocatalitzadors inclouen:

- Enzims . Són molècules d’acció específica que disminueixen l’energia d’activació dels reactius i acceleren, per tant, la velocitat de les reaccions metabòliques damunt les quals actuen. Els enzims són proteïnes globulars solubles en aigua. El 1981 es varen descobrí les ribozimes que són molècules d’ARN que tenen activitat catalítica i que participen, entre altres funcions, en el processament o maduració de l’ARN i en la síntesi de proteïnes. A partir de 1986 s’han començat ha estudiar els abzims , que són anticossos que catalitzen una diversitat relativament extensa de reaccions químiques.

- Vitamines . Són molècules orgàniques que es presenten en quantitats de l’ordre de mil·ligrams. Els

animals són incapaços de sintetitzar les vitamines i les obtenen per mitjà dels aliments, com a tals o en forma de provitamines. La font natural de vitamines són els vegetals.

- Oligoelements . Són elements químics que es troben en proporció menor al 0,1 % del pes de

l’organisme. Intervenen en l’activitat dels enzims, fins al punt que un dèficit d’oligoelements pot provocar la paralització d’alguns sistemes enzimàtics i ser l’origen de malalties.

- Hormones . Són missatgers químics secretats per glàndules endòcrines i transportades per la sang.

Exerceixen la seva activitat sols en les cèl·lules que posseeixen receptors apropiats, anomenades cèl·lules diana.


4 ELS ENZIMS

Definició Els enzims són els biocatalitzadors, és a dir, els catalitzadors de les reaccions biològiques. Els enzims actuen rebaixant l’energia d’activació i, per tant. augmentant (accelerant) la velocitat de la reacció, que es pot mesurar per la quantitat de producte que es forma per unitat de temps.

Característiques A igual que els catalitzadors, els enzims compleixen:

- Són substàncies que acceleren la reacció , fins i tot en quantitats molt petites. Es a dir, no és que s’obtingui més producte, sinó que gràcies a aquests se n’obté la mateixa quantitat però en menys temps.

- No es consumeixen durant la reacció; per això, quan aquesta acaba hi ha la mateixa quantitat que al principi.

A diferència dels catalitzadors no biològics:

- Són molt específics , i això els permet actuar en una reacció determinada sense alterar-ne d’altres. - Sempre actuen a temperatura ambient , és a dir, a la temperatura de l’ésser viu. - Són molt actius , molt superiors als catalitzadors no biològics. - Tenen un pes molecular molt elevat .

Naturalesa i tipus Els enzims poden ser:

- La gran majoria són proteïnes globulars solubles en aigua. - Hi ha un petit grup de ribozims, que són uns ARN capaços de catalitzar uns altres ARN, als quals

afegeixen o treuen nucleòtids, sense consumir-se ells mateixos. Segons l’estructura que presenten, es poden distingir:

Els enzims estrictament proteics, que poden estar constituïts per una o més cadenes polipeptídiques, Els holoenzims, que són els enzims constituïts per:

- Apoenzim : la fracció polipeptídica - Cofactor: Una fracció no polipeptídica. Els cofactors poden ser:

Inorgànics : ions metàl.lics, com el Mg2+, el Zn2+ Orgànics, anomenats coenzims : com l’ATP, el NAD+. el NADP+, el coenzim A, les vitamines, etc. Si el cofactor està unit amb força (enllaç covalent) a l’enzim s’anomena grup prostètic.


9

Els coenzims Un coenzim és un cofactor orgànic que s’uneix a un apoenzim (part proteica d’un enzim) amb enllaços febles durant un procés catalític. Els coenzims són transportadors de grups químics. Els coenzims són molècules de naturalesa orgànica, de baix pes molecular, que no són responsables del reconeixement del substrat, però sí del tipus de reacció. Els coenzims no solen ser molècules específiques, perquè n’hi ha alguns que es poden unir a més de 100 tipus d’apoenzims diferents, per això el nombre de coenzims és poc elevat perquè poden ser comuns a molts altres enzims. Així, doncs, l’apoenzim és la part de l’enzim que marca l’especificitat, mentre que el coenzim és el responsable de l’acció enzimàtica. Característiques

- A diferència de l’apoenzim, el coenzim sí

que es modifica durant la reacció. - L’unió coenzim-apoenzim és temporal. - No solen ésser específics d’un tipus

d’apoenzim, sinó que en molts casos es poden unir a molts tipus d’apoenzims, cadascun amb una funció diferent.

Des del punt de vista químic poden ser:

- Vitamines, per exemple les vitamines del grup B

- Nucleòtids, com ATP, CTP, UTP i GTP - Molècules formades per la unió de

vitamines i nucleòtids, com ara NAD, NADP, FMN, i FAD que intercenen en reaccions d’oxidació-reducció, o el coenzim A, que realitza la transferència del grup acil.

Proenzims i isoenzims

Alguns enzims no són actius fins que no actuen sobre aquests altres enzims o ions. Aquests enzims s’anomenen proenzims. Per exemple el pepsinogen és un proenzim que es transforma en pepsina gràcies a l’acció del ClH.

Alguns enzims es presenten en formes moleculars diferents, i són els anomenats isoenzims . Presenten Vmax i Km diferents, però uns són més aptes per a les cèl·lules d’uns òrgans i altres per a les d’altres, o uns per a les primeres etapes de la vida i els altres per a les següents


El centre actiu No tots els aminoàcids que formen part de la proteïna enzimàtica intervenen en al reacció. Podem diferenciar entre:

- Els aminoàcids estructurals, que no tenen funció dinàmica. - El centre actiu , lloc on es fixa l’enzim al substrat.

Presenta les següents característiques: És una cavitat asimètrica la composició i conformació de la qual determina l’especificitat de l’enzim. Constitueix una part molt petita del volum de l’enzim. Conté:

Aminoàcids de fixació , que estableixen unions febles amb el substrat. Aminoàcids catalitzadors , que duen a terme la reacció química.

Especifitat dels enzims

Una de les propietats més importants dels aminoàcids és la seva especificitat. Tan sols els substrats que tenen la forma adequada poden accedir al centre actiu; tan sols els que poden establir un enllaç amb els radicals dels aminoàcids fixadors es poden fixar, i tan sols els que presenten un enllaç susceptible de trencar-se proper als radicals dels aminoàcids catalítics poden ser alterats. Tot això origina una alta especificitat entre l’enzim i el substrat. L’especificitat es pot donar en diversos graus: a)Especificitat absoluta . Es dóna quan l’enzim tan sols actua sobre un substrat.

b) Especificitat de grup . Es dóna quan l’enzim reconeix un grup de molècules determinat

c) Especificitat de classe . Es la menys específica, ja que l’actuació de l‘enzim no depèn del tipus de molècula, sinó del tipus d’enllaç.

Un símil... El 1890, E. Fisher va

proposar el símil de «la clau (substrat) i el pany (enzim)» per il�lustrar aquesta complementarietat. Actualment s’ha vist que al-guns enzims, quan estableixen els enllaços amb el substrat, modifiquen la forma dels centres actius per adaptar-se millor al substrat, és l’anomenat ajust induït.. En aquests casos, en lloc del símil de «la clau i el pany> és més adequat el símil de «com el guant (enzim) s’adapta a la mà (substrat)»,


11

5 L’ACTIVITAT ENZIMÀTICA

La substància sobre la qual actua un enzim s’anomena substrat . Els enzims actuen de dues maneres diferents, segons si es tracta de reaccions en què hi ha un sol substrat o de reaccions en què hi ha dos o mes tipus de substrats que s’uneixen a l’enzim per reaccionar.

Un sol substrat En les reaccions en que hi ha un sol substrat, l’enzim actua fixant el substrat a la seva superfície (adsorció) per mitjà d’enllaços febles, i així es forma l’anomenat complex enzim-substrat . D’aquesta manera es generen tensions que debiliten els enllaços del substrat i es forma el complex activat. Finalitzada la transformació, queda el complex enzim-producte , que s’escindeix i allibera l’enzim intacte i el producte. Dos substrats En les reaccions en què hi ha dos substrats que reaccionen entre si, els enzims actuen atraient les molècules reaccionants cap a la seva superfície (adsorció), de manera que la possibilitat que es trobin augmenta i, en conseqüència, la reacció es produeix més fàcilment. EIs enzims, un cop feta la transformació dels substrats en els productes, se n’alliberen ràpidament per tornar a actuar. De vegades, l’enzim atrau primer un substrat i se’n queda una part; després atrau el segon substrat i hi uneix aquesta part. Aquest mecanisme s’anomena «ping-pong»


6 CINÈTICA ENZIMÀTICA

La velocitat de reacció La cinètica enzimàtica estudia la velocitat de les reaccions catalitzades per enzims. En una reacció la velocitat depèn, entre altres factors, de la concentració del substrat. En 1913 Leonor Michaelis i Maud Menten varen proposar una equació (equació de Micahelis-Menten) que relaciona la velocitat de reacció amb la concentració del substrat. En una reacció enzimàtica amb una concentració d’enzim constant , si s’augmenta la concentració de substrat es produeix un augment de la velocitat de reacció. Aquest increment en la velocitat de reacció es dóna perquè augmenta la probabilitat de trobada entre substrat i enzim. Si es va augmentant la concentració del substrat, arriba un moment en què la velocitat de reacció deixa de créixer, és a dir, arriba a la velocitat màxima (Vmx). Això és degut al fet que totes les molècules d’enzim ja estan ocupades per molècules de substrat, formant el complex enzim substrat , fet que s anomena saturació de l’enzim. En la major part deIs enzims, la representació gràfica Velocitat / concentració de substrat dóna una hipèrbole . Per a mesurar l’afinitat d’un enzim amb el substrat s’utilitza la constant de Michaelis-Menten (Km). Aquest valor equival a la concentració de substrat necessari per a assolir la meitat de la velocitat màxima. Km depèn de l’afinitat que hi ha entre l’enzim i el substrat.


13

- Si la magnitud de Km es petita , vol dir que assoleix ràpidament la meitat de la velocitat màxima i, per tant, l’afinitat pel substrat és elevada . - Si Km es alta , vol dir que triga en assolir la meitat de la velocitat i, per tant, l’afinitat pel substrat és petita.

Factors que influeixen en la cinètica enzimatica Influència de la concentració del substrat A concentracions baixes de substrat, la velocitat es directament proporcional a la concentració de substrat, però la reacció té una velocitat màxima (independent de la concentració de substrat). Quan l’enzim està saturada de substrat la velocitat no depèn de la concentració de substrat; només de la rapidesa en que el substrat la poc processar.

Influència de la temperatura Si se subministra a una reacció enzimàtica energia calorífica, les molècules augmenten la mobilitat tant, el nombre de trobades moleculars; per això augmenta la velocitat en què es forma el producte. Hi ha una temperatura òptima per a la qual l’activitat enzimàtica és màxima. Si la temperatura augmenta es dificulta la unió enzim-substrat i, a partir d’una temperatura determinada, l’enzim es desnaturalitza i perd l’activitat enzimàtica. Influència del pH Els enzims presenten dos valors límit de pH entre els quals són eficaços. Traspassats aquests valors, els enzims es desnaturalitzen i deixen d’actuar. Entre els dos límits hi ha un pH òptim en el qual l’enzim presenta la màxima eficàcia. El pH òptim esta condicionat pel tipus d’enzim i de substrat.

(E) x (S) K M= -------------- (ES)


Inhibició enzimàtica Els inhibidors són substàncies que disminueixen l’activitat d’un enzim o bé impedeixen completament l’actuació. Poden ser perjudicials o beneficiosos, com ara la penicil.lina, que és un inhibidor dels enzims que regulen la síntesi de la paret bacteriana. La inhihició pot ser de dos tipus: Inhibició irreversible, o enverinament de l’enzim. Té lloc quan l’inhibidor o verí metabòlic es fixa permanentment al centre actiu de l’enzim, n’altera l‘estructura i l’inutilitza. Per exemple el cianur inhibeix el complex citocrom oxidasa i bloqueja la cadena electrònica a la respiració cel.lular. Molts fàrmacs, com ara la penicil.lina, són inhibidors irreversible de l’activitat enzimàtica.

La inhibició reversible té lloc quan no s’inutilitza el centre actiu, sinó que tan sols se n’impedeix temporalment el funcionament. Hi ha dues modalitat:

La inhibició reversible competitiva és deguda a la presència d’un inhibidor la molècula del qual és similar al substrat, i per això competeix amb aquest en fixar-se al centre actiu de l’enzim. Si es fixa l’inhibidor, l’enzim queda bloquejat i, per tant, el substrat no s’hi pot fixar fins que l’inhibidor no se’n va. La velocitat de la reacció disminueix segons la concentració de l’inhibidor. Aquesta inhibició se pot superar si augmenta la concentració de substrat.

La inhibició reversible no competitiva. L’inhibidor no competiex amb el substrat, sol produir una modificació de la seva conformació que impedeix la unió al substrat.Tenim dos casos: Un inhibidor que es fixa al complex enzim-substrat i n’impedeix la separació. O bé s’uneix a l’enzim i impedeix l’accés del substrat al centre actiu. Aquesta inhibició no es sol.luciona amb l’augment de substrat.


15

7 ELS ENZIMS AL.LOSTÈRICS

EIs enzims al.lostèrics , anomenats també reguladors estan constituïts per dues o més subunitats formades per cadenes polipeptídiques, i són, per això, proteïnes amb estructura quaternària. Els enzims al.lostèrics poden adoptar dues formes estables diferents. Una és la configuració activa de l’enzim, i l’altra, la configuració inactiva . A més del centre actiu, aquests enzims tenen almenys un altre lloc, anomenat centre regulador o centre al.lostèric , al qual es pot unir una substància determinada, anomenada Iligand . Sovint una sola de les configuracions presenta afinitat pel lligand, en aquests casos és la presència del lligand la que determina el canvi de configuració en l’ enzim, l’ anomenada transició al.lostèrica . Per explicar el mecanisme al.lostèrtic hem de considerar un enzim al.lostèric compost de dues subunitats idèntiques, cadascuna amb el seu centre actiu. Les subunitats poden adoptar dues conformacions interconvertibles: R i T La forma R té molta afinitat pel substrat, mentre que per a la forma T l’afinitat és baixa. Totes dues subunitats s’han de trobar en el mateix estat conformacional, perquè es mantingui la simetria del dímer. Les conformacions possibles són RR i TT, però no RT. En absència de substrat, gairebé totes les molècules de l’enzim estan en la forma T. L’addició del substrat canvia aquest equilibri a favor de la forma R, perquè el substrat s’uneix només a la forma R. Quan el substrat s’uneix a un dels centres actius, l’altre centre de la mateixa molècula enzimàtica ha d’estar en la forma R, perquè es mantingui l’asimetria. En aquestes condicions l’activitat enzimàtica és molt gran per a concentracions del substrat relativament baixes. Es coneixen dos tipus de lligands segons la configuració induïda que afavoreixen: els activadors o efectors, i els inhibidors . En alguns enzims hi ha dos centres reguladors als quals uneixen lligands de diferents tipus, cadascun dels quals provoca una disminució d’afinitat de l’enzim per l’altre. Efecte cooperatiu Els enzims al.lostèrics presenten un efecte cooperatiu , perquè la unió de substrat a una de les subunitats de l’enzim facilita la unió de les altres molècules del substrat als centres actius d’altres subunitats. Aquest model explica els efectes dels activadors o inhibidors al.lostèrics. La unió d’un inhibidor al.lostèric provoca que l’enzim adopti la conformació inactiva i promou la unió cooperativa d’una segona molècula d’inhibidor. Passa una cosa semblant en el cas dels activadors. Un excés de substrat pot revestir l’efecte inhibidor, perquè la unió del substrat promou que l’enzim adopti la conformitat activa.


Cinemàtica dels enzims alostèrics Aquests enzims tenen una cinemàtica diferent a la resta d’enzims i no responen a la corba hiperbòlica de l’eqüació de Michaelis-Menten, sinó a una corba sigmoidea. Els enzims al.lostèrics, a causa de la interacció d’altres molècules, l’augment inicial de la concentració del substrat, provoca un menor increment de la velocitat de reacció.

8 SISTEMES MULTIENZIMÀTICS I REGULACIÓ DE L’ACTIVITAT ENZIMÀTICA

Sistemes multienzimàtics Els enzims solen actuar junts en seqüències encadenades, i originen així vies metabòliques contolades per sistemes multienzimàtics, o associacions d’enzims, en el quals el producte del primer enzim és el substrat del següent, i així successivament, fins al producte final. Es coneixen tres nivells de complexitat en aquests sistemes:

- Primer nivell : Els enzims, pel fet de ser proteïnes solubles, estan dissolts en el citoplasma com a molècules independents. Les molècules del substrat, que tenen velocitats de difusió elevades, troben ràpidament el camí d’un enzim al següent. Per exemple la via de la degradació de la glucosa a piruvat de la glicòlisi.

- Segons nivell . Els enzims estan associats físicament i actuen com a complexos enzimàtics, de

manera que els substrats intermedis mai no abandonen el complex. L’ordenació dels enzims en complexos enzimàtics té l’avantatge de reduir la distància a través de la qual han de viatjar les molècules del substrat durant el curs de la via metabòlica.

- Tercer nivell . Els sistemes enzimàtics s’associen en estuctures supramoleculars, com ara les

membranes o els ribosomes. Per exemple a la cadena respiratòria els enzims responsables formen part de la membrana interna dels mitocondris.

Conèixer la quantitat d’enzim present en un moment donat aporta informació sobre algunes patologies i serveix com a prova diagnòstica. Alguns exemples d’enzims que es fan servir per a la detecció de patologies són els següents.


17

Regulació de l’activitat enzimàtica Les principals maneres de regular les vies metabòliques són: Regulació per retroinhibició o inhibició per feed back .

Es dona en enzims al.lostèrics la configuració inicial dels quals és l’activa. Es produeix quan el producte final és el que, com que es fixa al centre regulador, actua com a inhibidor, i així provoca la transició al.lostèrica a la forma inactiva de l’enzim. El resultat és que es manté la quantitat de producte dins uns límits, ja que si n’hi ha un nombre major de molècula de producte aquest s’aferra a l’enzim i impedeix la seva unió al substrat. La regulació per feed-back és el mecanisme generalment utilitzat en les vies metabòliques.

Modificacions covalents reversibles

L’activitat d’alguns enzims es modifica profundament per la unió covalent de certes molècules. Per exemple, la glicògen fosforilasa, que allibera molècules a partir del glicògen, s’activa per fosforilació d’un residu de serina específic. La reacció s’inverteix per mitjà de la hidròlisi de l’enllaç ester fosfat.

Activitat proteolítica

Alguns enzims se sintetitzen en forma de percussor inactiu (zimogen o proenzim) i són activats en el lloc apropiat. L’activitat proteolítica, en contrast amb el control al.lostèric, només succeeix una vegada en la vida d’una molècula enzimàtica. Per exemple: -Els enzims proteolítics, com el pepsinògen secretat a l’estòmac que es transforma en pepsina en contacte amb el CLH. -Coagulació de la sang. Es basa en una seqüència d’activacions proteolítiques que asseguren una resposta ràpida a la lesió. - La insulina forma a partir d’un precursor inactiu, la proinsulina, per separació proteolítica d’un peptid.

Regulació gènica.

Els enzims que sintetitza una cèl·lula depenen dels gens que s’expressin en aquesta cèl.lula. Els enzims constitutius es troben en quantitats constants, encara que no hi hagi substrat en aquests moment, mentre que els enzims induïbles només es produeixen quan hi ha substrat.


9 CLASSIFICACIÓ DELS ENZIMS

Nomenclatura Per anomenar un enzim s’esmenta, per aquest ordre:

- El nom del substrat. - El nom del coenzim (si n’hi ha). - La funció que exerceix, a cabat en -asa Exemple: malonat –CoA-transferasa

Normalment tan sols s’utilitza el nom del substrat acabat en –asa: Exemple: Sacarasa, maltasa etc. Hi ha també enzims que conserven el nom tradicional: tripsina, pepsina, etc. Hi ha també una nomenclatura numèrica . Cada enzim està numerat amb quatre xifres:

1ª Indica la classe. 2ª Indica la subclasse. 3ª Indica la divisió. 4ª Indica l’enzim concret. Exemple: 2.8.3.3 és el malonat-CoA-transferasa

Classificació 1) Oxidoreductases : Catalitzen reaccions d’oxidació o reducció del substrat. Exemples:

- Oxidases: Oxiden el substrat quan n’accepten els electrons - Deshidrogenases: Separen àtoms d’hidrogen del substrat.

2) Transferases : Transfereixen radicals d’un substrat a l’altre sense que en cap moment aquests radicals quedin lliures. 3) Hidrolases : Trenquen enllaços amb l’addicció d’una molècula d’aigua que aporta un –OH a una part i un –H a l’altra. (Ex: enzims digestius com peptidases....) 4) Liases : Separen grups sense intervenció d’aigua. 5) Isomerases : Catalitzen reaccions d’isomerització, és a dir, de canvi de posició d’un grup d’una part a l’altra. 6) Ligases o sintetases : Catalitzen la unió de molècules o grups, amb l’energia proporcionada per l’ATP.


19


10 LES VITAMINES

Les vitamines són glúcids o lípids senzills que actuen com a coenzims (alguns després d’unir-se a altres molècules) i que, en general, els animals no poden sintetitzar o ho fan en quantitats insuficients, per això necessiten ingerir-los en la dieta.

El nom vol dir “amina vital” ja que són necessaris per a la vida i la primera que es va aïllar era una amina.

Característiques:

- Son substàncies làbils, que s’alteren amb facilitat amb el canvi de temperatura, la llu o

l’emmagatzament prolongat. - Les plantes i bacteris sintetitzen vitamines. Els animals de vegades no les troben formades

del tot en els aliments sinó en forma de provitamines, que necessiten transformar posteriorment. Per exemple les vitamines A i D, En altres casos la flora bacteriana aporta les vitamines, com la K.

Classificació:

- Liposolubles:

Són de naturalesa lipídica Soluble en dissolvents orgànics. L’excés pot provocar trastorns Exemples: A,D,E i K

- Hidrosolubles: Són solubles en aigua Es difonen molt bé per la sang.

L’excés no provoca trastorns, perquè els ronyons les filtren i s’eliminen per l’orina. Exemples: Complex B i vitamina C


21

VITAMINES HIDROSOLUBLES B1 tiamina o antiberibèrica

Cobertes de les llavors dels cereals i els llegums

La seva forma activa és el coenzim pirofosfat de tiamina (TPP). Intervé en el metabolisme de glúcids i lípids.

Dèficit: produeix beri-beri , una degeneració de les neurones que provoca debilitat muscular, insuficiència cardíaca, lentitud de reflexos, baix rendiment intel· lectual i inapetència.

B2 riboflavina o lactoflavina

Fetge, ronyons, ous, llet I fruits secs

Forma part dels coenzims FAD I FMN, que actuen en el cicle de Krebs i en la cadena respiratòria cel.lular

Dèficit: Dermatitis, lesions als llavis, la llengua i els ulls. Aquests trastorns poden aparèixer després de tractaments amb antibiòtics que hagin destruït la flora intestinal que la produeix.

B3 vitamina PP o àcid nicotínic o niacina

Bonítol, tonyina, fetge, pollastre, cacauets, pèsols i mongetes. Els animals la sintetitzen insuficientment a parit del triptòfan

Forma part del coenzim NAD, que actua en l’oxidació de glúcids i Pròtids, i en el coenzim NADP, que actua en la fotosíntesi

Dèficit: Pel.lagra o malaltia de les tres D: dermtitis (pell aspra i fosca), diarrea i demència. Pot ocasionar la mort.

B5 àcid pantotènic

Peix, carn, ous, cereals, llegums...

Forma part del coenzim-A, que actua en el metabolisme d’àcids grassos i àcid pirúvic

No es coneixen malalties de carència en els humans.

B6

piridoxina

Fetge, ronyons, salmó, nous i civada...

El fosfat de piridoxina és un coenzim del metabolisme d’aminoàcids com el triptòfan

Dèficit: Dermatitis seborreica, amb caiguda de pèl, anèmia i trastorns nerviosos, com ara alteracions de la son, irritabilitat i vertigen. Excés: Colvulsions.

B8 biotina

Fetge, ronyons, ous, soja, ametlles i nous. La pot sintetitzar la flora intestinal

Forma part com a coenzim d’einzims que tranfereixen grups CO2

Dèficit: Dermatitis, anèmies i transtorns musculars.

B9 àcid fòlic o folacina

Espàrrecs, espinacs, llenties, avellanes, fetge, ronyons...

Intervé en la síntesi de purines i pirimidines

Dèficit: Anèmia megaloblàstica i trombocitopènia

B12 cianocobalamina

Fetge, ronyos, sardina, verat, arenga i llet. Tambése sintetitza a partir de la flora bacteriana

Intervé com a coenzim transportant diferents grups en el metabolisme d’àcids nucleics i en la formació de glòbuls vermells

Dèficit: Anèmia perniciosa i transtorns neurològics. Com que la major part dels vegetals no la poden sintetitzar.

C Cítrics, hortalisses i llet de vaca

Intervé en la síntesi de col.lagen

Dèficit: Escorbut (hemorràgies, genives sagnants, caiguda de dents, trastorns digestius...). Pot provocar la mort.


VITAMINES LIPOSOLUBLES A Antixeroftàlmica Inclou:

- A1, retinol - A2 (retinal - A3 derivat

de l’A1

Vegetals, com la pastanaga, rics en caroté (provitamina). Olis de fetge de bacallà, mantega i ous

Protegeix els epitelis. Necessària per a la vista

Dèficit: Infeccions dels epitelis. Xeroftàlmia :

engruiximent i opacitat de la còrnia, pèrdua d’agudesa visual i ceguesa nocturna. Excés: Caiguda dels cabells, debilitat, cefalees i vòmits.

D Engloba diverses vitamines com : D2, calciferol D3, colecalciferol

A partir de la insolació que transforma el 7-deshidrocolesterol en vitamina D3 i l’ergosterol dels vegetals en vitamina D2. Salmó, arenga, ous, formatge, mantega...

Regula l’absorció de calci a l’intestí. Afavoreix la formació dels ossos

Dèficit: Raquitisme en infants i osteomalàcia en adults. Excés: Trastorns digestius, calcificació d’òrgans com cor, fetge....

E Tocoferol

Olis vegetals, ametlles, avellanes, rovell d’ou, carn, fetge i peix

Antioxidant . Impedeix la destrucció dels dobles enllaços dels àcids grassos

Dèficit: Trastorns intestinals i debilitat muscular. En rossegadors provoca esterilitat, avortaments...

K Engloba diferents vitamines com: K1 fil.loquinona K2 menaquinona

K1: Vegetals de fulla verda K2: peix K3: flora intestinal K4: sintètica

Síntesi de protrombina (precusora de la trombina) necessari en la coagulació de la sang.

Dèficit: Hemorràgies No és tòxica en excés.


23

11 LES HORMONES

Què són les hormones?

Els éssers vius pluricel.lulars necessiten sistemes que regulin i coordinin l’activitat de les seves cèl·lules. En els animals, aquest control l’exerceix el sistema nerviós i les hormones , i en els vegetals, tan sols les hormones.

Les hormones són substàncies químiques produïdes per glàndules endòcrines o de secreció interna, ja que vessen els seus productes (hormones) al medi intern (sang. hemolimfa, saba). Així doncs, les hormones actuen corn a míssatgers químics. Mecanisme d’acció

Les hormones únicament actuen sobre un òrgan determinat, anomenat òrgan blanc o òrgan diana , les cèl·lules del qual són les úniques que tenen a la membrana plasmàtica receptors específics (receptors hormonals) per a aquelles hormones que poden influir en l’activitat de l’òrgan esmentat.

Les hormones són principalment proteïnes o esteroides, encara que també n’hi ha de derivades deIs

aminoàcids i, fins i tot, d’àcids grassos. Les hormones proteïques actuen de la següent manera:

- No penetren al medi intern de les cèl·lules de l’òrgan blanc perquè tenen un pes molecular elevat. - S’uneixen al seu receptor de membrana, indueixen l’activació d’un enzim, l’adenilciclasa , associada

al receptor i situada a la cara interna de la membrana. - L’adenilciclasa catalitza la transformació de l’ATP en AMP cíclíc (AMPc) - L’AMP cíclic actua com a segon missatger, que al seu torn activa una proteïna enzimàtica la cinasa, - La cinasa indueix la resposta de la cèl·lula de l’òrgan blanc.


Les hormones esteroides, actuen de la següent manera: - A causa del baix pes molecular i la liposolubilitat travessen la membrana plasmàtica i es difonen peI

citoplasma. - S’uneixen als seus receptors específics, que després les introduiran al nucli. - Un cop al nucleoplasma poden desinhibir gens que, com que poden ser transcrits, originen molécules

d’ARNm - L’ARNm indueix la síntesi de proteïnes quan es tradueixen al citoplasma.

Funcions

Les hormones exerceixen tres funcions: 1) Estimulen la síntesi de determinades substàncies. 2) Regulen el metabolisme cèl.lular 3) Estimulen el creixement i la diferenciació cel·lular

En els animals hi ha una estreta relació entre el sistema nerviós i el sistema hormonal. Hi ha una secreció

endocrina feta per glàndules endòcrines que vessen les hormones pròpiament dites a la sang, i que afecta el sistema nerviós i una neurosecreció de les neurones de l’hipotàlem que produeixen neurohormones que van a parar a la sang, i en la hipòfisi estimulen la producció d’hormones i aquestes després estimulen altres glàndules endòcrines.


25

QÜESTQÜESTQÜESTQÜESTIONSIONSIONSIONS

1) Quina relació hi ha entre la velocitat de reacció i la

concentració de l’enzim? (en cada corba es duplica). La concentració de substrat és la mateixa en tots dos casos. Raona la resposta.

2) Quina relació hi ha entre la velocitat de reacció i la

concentració de substrat (en cada corba es duplica). La concentració d’enzim és la mateixa en tots els casos. Raona la resposta.

3) Aquest gràfic correspon a dos enzims que actuen sobre

un mateix substrat. Atès que Km = (E) (S)/(ES), com més afinitat hi hagi entre l’enzim i el substrat, és a dir, com més facilitat de formar-se ES, menor serà Km. Digués quin gràfic correspon a l’enzim que presenta més afinitat.

4) Contesta: a) Per què augmenta P i disminueix S b) Per què augmenta E mentre disminueix ES? c) Per què hi ha una segona escala per indicar les

concentracions de E i ES?

5) Quins efectes produeix en els radicals de l’enzim el pH del medi perquè sigui més o menys eficaç?

6) Què succeiria si els enzims es gastessin en les reaccions?

7) Quin avantatge pot tenir que una via metabòlica estigui controlada per un enzim al.lostèric en lloc d’estar-ho per un no al.lostèric?

8) Quin avantatge pot significar que una reacció estigui controlada per un enzim que presenta

cooperativisme.

ACTIVITATS. ACTIVITATS. ACTIVITATS. ACTIVITATS. Tema 17: El metabolisme cel.lular: BionergèticaTema 17: El metabolisme cel.lular: BionergèticaTema 17: El metabolisme cel.lular: BionergèticaTema 17: El metabolisme cel.lular: Bionergètica


9) Per què és important ingerir aliments cruus com verdures, fruites etc? Com ho relaciones amb

l’estructura de les vitamines?

10) Per què els animals ens poden servir com a font de vitamines si no produeixen vitamines?

11) A quins teixits animals es troben les vitamines liposolubles?

12) Quins són els aliments que contenen més vitamines?

13) Per què els antibiòtics poden produir avitaminosi?

14) Quines característiques tenen les vitamines, la mancaça de les quals produeix anèmia?

15) Quines vitamines poden produir hipervitaminosi?

16) Quines vitamines estan relacionades amb a insolació?

17) Per què els esquimals no tenen dèficit de vitamina D malgrat l’escassa insolació?

18) Per què són necessaris molts tipus d’enzims i pocs tipus de coenzims?

19) Quina vitamina és més eficaç per a tractar una faringitis? AC TIVITATS COMPAC TIVITATS COMPAC TIVITATS COMPAC TIVITATS COMPLEMENTÀRIESLEMENTÀRIESLEMENTÀRIESLEMENTÀRIES

INVESTIGAINVESTIGAINVESTIGAINVESTIGA 1) Desenvolupa un protocol experimental per demostrar que l’amilasa salival hidrolitza el

midó.


27

COMPLEMENTSCOMPLEMENTSCOMPLEMENTSCOMPLEMENTS


Documents

EL METABOLISME CEL.LULAR: BIOENERGÈTICA · PDF filebiomolècules més senzilles - Són reaccions de reducció - Necessiten energia - Malgrat que es parteix dels mateixos substrats,