TEMA 2METABOLISME

INTRODUCCIÓPrimera part

QUÈ DEFINEIX UN ÉSSER VIU?

QUÈ DEFINEIX UN ÉSSER VIU?

A la Natura la matèria tendeix a la desorganització: augment de l’entropia (2ª llei de la Termodinàmica)

Entropia

QUÈ DEFINEIX UN ÉSSER VIU?

Un ésser viu és una estructura altament organitzada, per tant, sembla anar en contra de la 2ª llei de la Termodinàmica

Per mantenir aquesta estructura necessita augmentar l’entropia de l’ambient, del qual obté matèria i energía.

METABOLISME

• La nutrició de les cèl·lules suposa una sèrie de complexos processos químics catalitzats per enzims que tenen com a finalitat l'obtenció de materials i/o energia. 

• Aquest conjunt de processos rep el nom de METABOLISME.

METABOLISME

CATABOLISME ANABOLISME

METABÒLITS

• Reacció a química:

• Reacció a biologia:

• A, B, C, D, E són els metabolits; el primer metabòlit de la ruta (A) sol denominar-se substrat, l'últim (E) producte i la resta (B, C, D) metabòlits intermediaris.

Un metabòlit és qualsevol molècula utilitzada o produïda durant el metabolisme.

A B C D E

A + B = C + D

METABÒLITS

A B C D E

A B C D E

A B C D E

A B C // //

ANABOLISME

• Són aquells processos químics que es produeixen en la cèl·lula i que tenen com a finalitat l'obtenció de substàncies orgàniques complexes a partir de substàncies més simples amb un consum d’energia. 

• Són anabòlics, per exemple, la fotosíntesi, la síntesi de proteïnes o la replicació de l'ADN.

Conjunt de reaccions destinades a la producción (biosíntesi) de molècules

ANABOLISME• Hi ha despesa d’energia (ATP)

• Hi ha reducció de molècules i oxidació del NADH NAD.

• Pas de molècules simples a molècules més complexes

CATABOLISME

• En aquests processos les molècules complexes són degradades formant molècules més simples. 

• Es tracta de processos destructius generadors d'energia, com ara: la glucòlisi, la respiració cel·lular o les fermentacions.

Vies i cicles metabòlics

VIA: Hi ha un substrat inicial i un producte final, que pot ser l’objectiu

de la via o no

Les reaccions metabòliques solen anar lligades les unes amb les altres; el producte d’una és el substrat de la següent

CICLE: No hi ha ni substrat inicial ni producte final i l’objectiu és algun o

alguns dels productes de les reaccions

A B C D

Importància dels enzims en el metabolisme: CATÀLISI

• En els éssers vius moltes reaccions no es produirien amb prou velocitat perquè:

Les concentracions són molt baixes: les molècules no es troben fàcilment

Si ho fan, han d’estar orientades de la forma correcta

Les temperatures són massa baixes, les molècules no tenen prou energia per superar la repulsió mútua

ELS ENZIMSEn resum, cal una energia d’activació de la reacció; si no hi és,

cal un CATALITZADOR: és a dir un accelerador de la reacció; en els éssers vius, els ENZIMS.

Relació entre catabolisme i anabolisme

• La forma de transportar l’energia d’un procés a un altre és amb una molècula: l’ATP

El catabolisme produeix energia i l’anabolisme la necessita

Relació entre catabolisme i anabolisme

• La forma de transportar l’energia d’un procés a un altre és amb una molècula: l’ATP

El catabolisme produeix energia i l’anabolisme la necessita

ATP i ADP

ATP i ADP

Oxidació / Reducció• El catabolisme és un procés d’oxidació de metabòlits.

• L’anabolisme és un procés de reducció de metabòlits

Per a que es produeixi una reacció REDOX, en el sistema ha d'haver-hi un element que cedeixi electrons i un altre que els accepti:

L'agent reductor és aquell element químic que subministra electrons de la seva estructura química al medi augmentant el seu estat d'oxidació, és a dir, essent oxidat.

L'agent oxidant és l'element químic que tendeix a captar aquests electrons, quedant amb un estat d'oxidació inferior al que tenia, és a dir, essent reduït.

Oxidació / Reducció

Oxidació / Reducció

CATABOLISME

TIPUS DE METABOLISME•  Els organismes no es diferencien en la manera d’aconseguir compostos

inorgànics del medi, tots els obtenen d'una manera directa. En canvi, sí es diferencien en com obtenen les substàncies orgàniques. 

• Certs organismes les obtenen a partir de substàncies inorgàniques, com el CO2 , H2O, NO3 

- , PO4 -3 , etc. 

• A aquests organismes se'ls anomena AUTÒTROFS. 

• Altres són incapaços d'elaborar els compostos orgànics a partir de compostos inorgànics i els han obtenir del medi, són els organismes HETERÒTROFS.

Els organismes a més de materials necessiten també energia. Aquesta pot ser obtinguda de la llum o de substàncies químiques, tant orgàniques com inorgàniques. Combinant la forma d'obtenir materials i la d'obtenir energia, tindrem quatre tipus bàsics de metabolisme:

•FOTOLITOTROFS: Obtenen l'energia de la llum i els materials a partir de substàncies inorgàniques. Se'ls anomena també fotoautòtrofs i fotosintètics. Exemple: les plantes verdes.

•FOTOORGANÒTROFS: Obtenen l'energia de la llum i els materials de substàncies orgàniques. Aquest estrany tipus de nutrició només és propi de certs bacteris com els bacteris púrpures.

•QUIMIOLITÒTROFS: Obtenen l'energia de processos químics i els materials a partir de substàncies inorgàniques. Se'ls anomena també quimiosintètics . Exemple: els bacteris fèrrics, les sulfuroses i les nitrificants i nitrosificants.

•QUIMIOORGANÒTROFS: Obtenen l'energia i els materials a partir de substàncies orgàniques. Se'ls anomena també Quimioheteròtrofs. Exemple: els animals i els fongs.

ELS ENZIMSSegona part

Els enzims• Els enzims solen ser proteïnes, però no

tots ho són (per exemple els ribozims).

• Com a proteïnes tenen les seves característiques: estructura i forma, desnaturalització, possibilitat d’unió amb altres molècules.

• Són biocatalitzadors: acceleren la velocitat de reacció fins a 109 cops.

• Faciliten el “contacte” entre els substrats i fan que els estats de transició siguin més estables.

• Són específics: Catalitzen una reacció concreta

Els enzims Cal destacar que els enzims són específics . Això vol dir que un enzim pot actuar sobre un substrat o un grup de substrats relacionats (especificitat de substrat) però no sobre altres.

la sacarasa, que hidrolitza la sacarosa.

L'especificitat dels enzims ha portat a comparar aquestes amb claus i als substrats amb panys (model de la clau i el pany).

FUNCIÓ DE

L’ENZIM

FUNCIÓ DE

L’ENZIM

Com funciona un enzim? PPT 1

Els enzims (PPT 1)1. El substrat circula lliure pel citosol.2. El substrat reconeix l'enzim al qual s'ha d'unir, que pot estar lliure pel

citosol o en diferents compartiments de la cèl·lula.3. El centre actiu de l'enzim ja té una conformació especial determinada,

que permet que el substrat s'uneixi sense necessitat de què hi hagi cap modificació estructural o sense la intervenció de cap altre molècula.

4. Un cop s'han unit l'enzim i el substrat, formen el que s'anomena el complex enzim-substrat, el qual és una estructura temporal, que només té lloc durant l'estat de transició de la reacció catalitzada i al que s'arriba gràcies a l'energia d'activació.

5. A partir d'aquest moment comença la formació dels productes de la reacció. Aquests tenen una conformació diferent a la del substrat.

6. Un cop els productes s'han format, són alliberats del centre actiu per seguir duent a terme la seva activitat.

7. D'aquesta manera, el centre actiu queda alliberat i així, l'enzim pot tornar a unir-se a un altre substrat, cosa que permetrà que augmenti la velocitat de la reacció química

Mecanisme

Exemple: H2O2

La descomposició de l'aigua oxigenada (peròxid d'hidrogen) en aigua i oxigen

2H2O2 → 2H2O + O2

És una reacció que pot transcórrer espontàniament però és extraordinàriament lenta. En condicions normals es descomponen 100.000 molècules cada 300 anys per cada mol d'H2O

En presència d'un enzim que hi ha a les nostres

cèl·lules, la CATALASA, el procés es desenvolupa amb extraordinària rapidesa (el

bombolleig que es produeix en tirar aigua oxigenada en una ferida és a causa d'això)

Exemple: La GlucosaReacció d’hidròlisi de la glucosa

Glucosa-6-P + H2O Glucosa + Pi

És exergònicaexergònica, però calen 292,6 kJ/mol 292,6 kJ/mol per trencar l'enllaç fosfoéster. Això vol dir que per poder obtenir 305,14 kJ/mol de glucosa, haurem de

subministrar primer 292,6 kJ/mol primer 292,6 kJ/mol (rendiment net 12,54 kJ/mol de glucosa). 

Aquesta energia (292,6 kJ) rep el nom d’energia d'activació (EA).

Enzims Els enzims són, en general, pròtids. Algunes són proteïnes en sentit

estricte. Altres posseeixen una part proteica i una part no proteica, totes dues estan més o menys lligades químicament.

La conformació espacial de la part proteica és la responsable de la funció

que realitza l'enzim.

Per a això la substància o substàncies que van a reaccionar i transformar-s'uneixen a l'enzim en

una zona que anomenarem centre actiucentre actiu

Vocabulari

Apoenzim: Part peptídica Cofactors o coenzims: Molècules no peptídiques

Holoenzim: Apoenzim + cofactors

Centre actiu: Lloc de l’enzim on es produeix la reacció

Mecanisme d'una reacció catalitzada per enzim amb un

substrat únic. L'enzim (EE) s'uneix a un substrat (SS) i produeix un

producte (PP).

Corba de saturació

d'una reacció enzimàtica, mostrant la relació entre

la concentració del substrat

(S) i la velocitat (v).

Exemple dels rellotges (PPT2)

• Power point 2 (exemple)

• Molts enzims necessiten per a la seva actuació la presència d'altres substàncies no proteiques: els cofactors.

• En alguns casos es tracta de simples ions, cations en particular, com el Cu+ + o el Zn+ +. 

• En altres, són substàncies orgàniques molt més complexes, en aquest cas s'anomenen COENZIMS. 

Els cofactors / Els cofactors / coenzimscoenzims

Transportadors d’electrons

Transportadors d’energia

Algunes especificacions dels enzims:

•NAD + (Nicotinamín adenín dinucleòtid). Es tracta d'un dinucleòtid format per N icotinamida-Ribosa-PP-Ribosa-Adenina.

•NADP + (Nicotinamín adenín dinucleòtid fosfat). Similar NAD + però amb un grup fosfat més esterificant el HO- del carboni 2 de la ribosa unida a l'adenina.

•FAD (Flavin adenín dinucleòtid). Similar al NAD però contenint riboflavina (una altra de les vitamines del complex B 2 ) en lloc de nicotinamida.

Els coenzims

 l'ATP es pot transformar en ADP i Pi (fosfat inorgànic) en hidrolitzar l'últim dels seus enllaços èster-fosfat, desprenent més de 7 kcal per mol d'ATP.

el NAD+ és capaç de captar dos electrons, i dos protons (H+), reduint-se i transformant-se en NADH + H+ . el NADH + H+ pot cedir aquests dos electrons allà on es necessitin per reduir a un compost químic, transformant-se de nou en NAD+

+ 2 e-+ 2 H+

- 2 e-- 2 H+

 Molts processos químics cel·lulars de gran importància: fotosíntesi, respiració cel·lular, etc. Són processos d'oxidació-reducció. P.e. la glucosa perd electrons (s’oxida) i l’Oxigen els capta (es redueix) gràcies al NAD+ i NADH+H+

SON ELS TRANSPORTADORS D’ELECTRONS!

Factors que condicionen l’activitat de l’enzim

• Recordem que són majoritàriament d’origen proteic! Per tant temperatura i pH afectaran a la seva funció.

• La concentració de l’enzim i la concentració del substrat també.

• Però també existeixen substàncies que actuen sobre ells... (a continuació)

Els inhibidors

• Existeixen 4 tipus d’inhibició:

• Competitiva

• No competitiva

• Al·lostèrica

• Verins enzimàtics

Determinades substàncies poden actuar sobre els enzims disminuint o impedint la seva actuació. Aquestes substàncies són els inhibidors. Es tracta de molècules que s'uneixen a l'enzim impedint que aquest actuï sobre el substrat.

1. Inhibició competitiva • L'inhibidor i el substrat competeixen per l'enzim (és a dir, no poden unir-s'hi els dos alhora).

• Sovint, els inhibidors competitius s'assemblen molt al substrat autèntic de l'enzim.

• Es tracta d'una inhibició que depèn de la concentració de substrat i d'inhibidor.

PPT 3

2. Inhibició no competitiva

• Els inhibidors no competitius poden unir-se a l'enzim al mateix temps que el substrat, és a dir, mai no s'uneixen al lloc actiu.

• S’uneix de forma reversible.• L’inhibidor modifica l’enzim

i no es produeix la catàlisi.• No depen de la

concentració de substrat.

PPT 4

3. Inhibició al·lostèrica• La regulació al·lostèrica és la

regulació enzimàtica o d'una proteïna per la unió d'una molècula efectora en la part al·lostèrica (una part que no sigui el centre actiu de la proteína).

• Els efectors que milloren l'activitat de les proteïnes es coneixen com activadors al·lostèrics, mentre que aquells que disminueixen l'activitat de les proteïnes s'anomenen inhibidors al·lostèrics. .

PPT 5

4. Verins enzimàtics • Són molècules que s'uneixen irreversiblement al centre actiu de l'enzim impedint de forma permanent que aquesta actuï. 

• Molts tòxics i verins tenen aquesta forma d’actuar.

toxina peptídica alfa-amanitina

inhibidor enzimàtic capaç d’aturar l’activitat de l’ARN polimerasa II

Toxina peptídica inactivadora de ribosomes (RIP) RICINA

PPT 6

Els activadorsSón substàncies que s'uneixen a l'enzim, que es troba inactiu,

canviant la seva conformació espacial tot activant-la.

Video-resum

http://www.youtube.com/watch?v=PILzvT3spCQ

ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISME

Tercera part