Clase 4 2da parte - Pedeciba
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Bioquímica y Biología Molecular<br />
Maestría en Bioinformática<br />
Bioenergética, Enzimas, Metabolismo….<br />
Laboratorio de Interacciones<br />
Moleculares<br />
Facultad de Ciencias, UdelaR<br />
Iguá 4225,11400 Montevideo, Uruguay<br />
tel: + 598 2 525 86 18-22 ext 237
Metabolismo celular
Bioenergética: es el estudio cuantitativo de las transferencias energéticas<br />
que se producen en las células así como la naturaleza y función de los procesos<br />
químicos implicados en estas transferencia de energía.<br />
Leyes de la Termodinámica:<br />
Primera ley o principio de la conservación de la energía: en cualquier cambio físico o<br />
químico, la cantidad total de energía del universo permanece constante.<br />
Segunda ley: en todo los procesos la entropía del universo se incrementa o la<br />
entropía de un sistema aislado tenderá a aumentar hacia un valor máximo.
SISTEMA: Es la porción de universo que tomamos como objeto de estudio.<br />
Existen tres tipos de sistemas:<br />
SISTEMAS AISLADOS (no intercambia materia ni energía)<br />
SISTEMAS CERRADOS (no intercambia materia si energía)<br />
SISTEMAS ABIERTOS (intercambia materia y energía)<br />
ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de<br />
propiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T)<br />
SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO<br />
¿Qué tipo de sistema es una célula?
Algunas definiciones:<br />
Entalpía<br />
H o entalpía, expresa el contenido de calor en una reacción a presión constante,<br />
se mide como la diferencia entre: H(productos) – H(reactivos) = H<br />
Cuando se libera calor se dice que es una reacción exotérmica y H es negativo<br />
ya que el contenido de calor de los productos es menor que los reactivos; si la<br />
reacción absorbe calor del medio se habla de una reacción endotérmica y<br />
H es positivo. H es equivalente a E cuando no hay cambios de volumen.<br />
Energía Libre<br />
G o energía libre de Gibbs, expresa la cantidad de energía capaz de realizar<br />
trabajo, se mide como la diferencia de energía entre<br />
G(productos) – G(reactivos) = G,<br />
si G es negativo si dice que es una reacción exergónica, si G es positivo la<br />
reacción es endergónica.<br />
Entropía<br />
S o entropía, es una magnitud del desorden en un sistema, cuando los productos<br />
son menos complejos y más desordenados que los reactivos la entropía aumenta,<br />
S(productos) – S(reactivos) = S
Estas magnitudes (bajo condiciones de temperatura y presión constantes)<br />
están relacionadas entre si de acuerdo con la siguiente ecuación:<br />
G = H - T S<br />
energía libre entalpía entropía<br />
donde T es la temperatura absoluta (en grados K).<br />
Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando G es negativo<br />
o es exergónico, cuando G = 0 el proceso esta en equilibrio.
G = H - T S<br />
H S G<br />
- + entalpía negativa, reacción exotérmica Negativo<br />
y S positivo, aumenta la entropía.<br />
+ - reacción endotérmica y disminuye la Positivo<br />
entropía<br />
(a cualquier temp)<br />
- - reacción favorecida por el H pero no Puede ser + o -<br />
favorecida por el S<br />
(favorable a bajas temp)<br />
+ + reacción endotérmica pero se favorece Puede ser + o -<br />
por aumento de la entropía<br />
(favorable a altas temp)
Contribución de S y H a las reacciones químicas<br />
Cambios<br />
favorables de S<br />
y H<br />
Reacción dirigida<br />
por H<br />
Reacción dirigida<br />
por S
Dependencia de G con la concentración de reactivos y productos<br />
A + B C + D<br />
CH 3 COOH CH 3 COO - + H +<br />
[C][D] [CH 3 COO - ][H + ]<br />
Keq = Ka =<br />
[A][B]<br />
[CH 3 COOH]<br />
Ka = 1.74 x 10 -5<br />
Cuando se alcanza el equilibrio, el valor de G = O
El potencial químico de una sustancia esta determinado por:<br />
G A = G o A + RT ln[A] donde G o A es el potencial químico en condiciones estándar<br />
A + B C + D<br />
G = G productos - G reactivos<br />
(G C + G D ) (G A + G B )<br />
[C][D]<br />
G = G O + RT ln = G O + RT ln<br />
[A][B]<br />
[Productos]<br />
[Reactivos]<br />
G o es la energía libre en condiciones<br />
estándar, 1 M de reactivos y<br />
productos, 25 o C<br />
R = 8.314 J/K.mol<br />
T = temperatura absoluta en o K
¿Qué sucede cuando se alcanza el equilibrio?<br />
G = 0 G o = - RT ln Keq<br />
también se puede escribir<br />
K eq = e<br />
- Go / RT
Reacciones acopladas
Reacciones acopladas<br />
Una cantidad termodinámica (ej: G, H o<br />
S) nos indica si una reacción es permitida,<br />
A B está “permitida”;<br />
B A no es espontánea, a menos que se le<br />
acople otra reacción favorecida (ej: ATP <br />
ADP)<br />
Sin embargo, para que la reacción se<br />
produzca, la energía neta debe descender<br />
(i.e., G total debe ser negativa.)
¿Cómo se aplican estos principios en el metabolismo celular?<br />
La primera reacción de la glucólisis es la formación de glucosa-1-fosfato a<br />
partir de glucosa, esta es una reacción desfavorable desde el punto de vista<br />
termodinámico:<br />
Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H 2 O G o = +13.8 kJ/mol<br />
para hacer esta reacción posible se acopla con la hidrólisis de ATP,<br />
ATP + H 2 O ADP + P i G o = -30.5 kJ/mol<br />
Glucosa + P i Glucosa-6-fosfato + H 2 O G o = +13.8 kJ/mol<br />
ATP + H 2 O ADP + P i G o = -30.5 kJ/mol<br />
Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP G o = -16.7 kJ/mol
Reacciones acopladas
Glucosa + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 0<br />
si<br />
H o = -2816 kJ/mol y S o = +0.181 kJ/mol<br />
¿Cuál es el valor de G o a 37 o C?<br />
¿Si se aumenta la temperatura, puede TS o igualar a H o y hacer G o<br />
cero ?<br />
¿Si el G o de hidrólisis de ATP es -31 kJ/mol, cuál es el máximo de<br />
moles de ATP que se podrían generar si se acopla a la oxidación<br />
completa de glucosa la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi?<br />
1) G o = H o - TS o = - 2816 – (310º x 0.181 ) = - 2872 kJ/mol<br />
2) No, es imposible porque S o es + 0.181 y - T S o siempre será un<br />
valor negativo<br />
3) 2872 kJ/mol / 31 kJ/mol = 92.6 ATP !!<br />
¿Cuál es el rendimiento a nivel biológico?<br />
38 ATP o sea 41 %
Glucosa Glucosa-6-P Fructosa-6-P Piruvato<br />
Glucosa-6-P Fructosa-6-P G o = + 1.7 kJ/mol<br />
¿Cuál es la Keq de esta reacción?<br />
G º’ = -RT ln K eq K eq = e - Gº’ / RT = 0.52<br />
Quiere decir que el equilibrio hay [F6P]/[G6P] = 0.52<br />
o sea hay 34% de F6P y 66% de G6P<br />
¿Qué sucede en la célula?<br />
83 µM 14 µM concentraciones intracelulares<br />
[14x10 -3 M]<br />
G = +1.7 kJ/mol + 0.0083 kJ//K.mol x 310 o K ln = -2.9 kJ/mol<br />
[83x10 -3 M]
Metabolismo<br />
Actividad celular muy coordinada y dirigida en la que<br />
muchos sistemas multi-enzimáticos cooperan para<br />
cumplir 4 funciones:<br />
• obtener energía química a partir de nutrientes ricos en<br />
energía<br />
• convertir moléculas nutrientes en moléculas características<br />
de la propia célula<br />
• polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos<br />
nucleicos, lípidos, polisacáridos y otros<br />
• Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones<br />
celulares especializadas
Características del Metabolismo<br />
1. Las vías metabólicas son irreversibles<br />
2. Las vías anabólicas y catabólicas deben ser<br />
diferentes<br />
3. Cada vía metabólica tiene un primer paso limitante<br />
4. Todas las vías metabólicas están reguladas<br />
finamente<br />
5. En los eucariotas las vías metabólicas transcurren<br />
en localizaciones celulares específicas
Topografía del metabolismo<br />
Núcleo: replicación de DNA, síntesis de tRNA,<br />
mRNA, y de proteínas nucleares<br />
Nucléolo: síntesis de RNA ribosómico<br />
Citosol: Glucólisis, ruta de las pentosas,<br />
síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos,<br />
reacciones de gluconeogénesis<br />
Gránulos de glucógeno: síntesis y degradación<br />
de glucógeno<br />
Lisosoma: enzimas hidrolíticas<br />
Reticulo endoplasmico: síntesis de<br />
lípidos<br />
Mitocondria: Ciclo de Krebs, fosforilación<br />
Oxidativa, oxidación de ácidos grasos,<br />
catabolismo de aminoacidos<br />
Ribosomas: síntesis de proteínas<br />
Golgi: Maduración de glucoproteínas,<br />
Formación de membranas
Ciclo del ATP
Factores que influyen en el G de hidrólisis del ATP<br />
1. Repulsión electrostática<br />
2. Estabilización por<br />
resonancia del Pi saliente<br />
3. Ionización del ADP<br />
4. Mayor solvatación de<br />
ADP + Pi que ATP<br />
G = G o ’ + RT ln<br />
[ADP][Pi]<br />
[ATP]<br />
[ADP] = 0,25 x 10 -3 M<br />
[Pi] = 1,65 x 10 -3 M<br />
[ATP] = 2,25 x 10 -3 M<br />
G = -51,8 KJ/mol
Flujo de grupos fosfato
Oxidaciones y Generación de Energía Celular<br />
Durante el metabolismo celular se producen oxidaciones de los sustratos<br />
metabólicos (con la concomitante reducción de intermediarios) y estas<br />
reacciones se utilizan para obtener energía.<br />
Un compuesto que se oxida cede electrones (reductor)<br />
Un compuesto que se reduce recibe electrones (oxidante)<br />
Ejemplo: Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu 1+<br />
Hay dos semi reacciones:<br />
Fe 2+ Fe 3+ + 1e - oxidación<br />
Cu 2+ + 1e - Cu 1+ reducción<br />
Al igual que los ácidos y las bases, siempre que hay una oxidación (perdida de<br />
electrones) debe haber una reducción (ganancia de electrones).<br />
¿Quién se lleva los electrones?
Molécula que participa en las reacciones redox intracelulares<br />
NAD + + 2e - + H +<br />
NADH<br />
E´o = - 0.320 V
Potencial Redox<br />
E 0<br />
1M H +<br />
1 atm H 2<br />
salt bridge<br />
1 M X<br />
1 M XH 2<br />
1 M H +<br />
• Condiciones Standard : 1 M<br />
• Comparado al par de referencia: 2H + + 2e - H 2 (arbitrariamente cero).<br />
• Se mide un E 0 en voltios
¿Quién se lleva los electrones?<br />
A diferencia del G,<br />
cuanto más grande y positivo<br />
el potencial redox (E o ), mayor la<br />
tendencia a aceptar electrones<br />
(actuar como agente oxidante).<br />
Hay una relación directa entre el<br />
potencial redox y la energía libre:<br />
G 0 = -n F E 0<br />
Donde<br />
E 0 = E o (aceptor)- E o (donador)<br />
n = número de electrones<br />
F constante de Faraday<br />
96.5 kJ/mol.V<br />
Un valor de E positivo generará<br />
valores de G negativos
Ejemplo:<br />
Oxidación de NADH por oxígeno<br />
NADH + H + + 1/2O 2<br />
NAD+ + H 2 O<br />
Las dos semi-reacciones serían:<br />
NAD+ + H + + 2e - NADH + H + E O = -0.32 V<br />
1/2O 2 + H + + 2e - H 2 O E O = +0.82 V<br />
Usando G 0 = -n F E 0<br />
G 0 = - (2).(96.5 kJ/mol.V){0.82 V –(-0.32V)} = - 220 kJ/mol
Enzimas<br />
A. Propiedades generales de las enzimas<br />
B. Principios fundamentales de su acción catalítica<br />
C. Introducción a la cinética enzimática<br />
D. Enzimas reguladores
Propiedades generales de las enzimas<br />
1. Son los catalizadores de las reacciones químicas en<br />
los sistemas biológicos<br />
2. Aceleran muchísimo la velocidad de las reacciones<br />
(10 6 – 10 14 veces).<br />
3. Poseen un elevado grado de especificidad de<br />
sustrato<br />
4. La actividad catalítica depende de la integridad de la<br />
estructura nativa así como del pH y temperatura.
Propiedades generales de las enzimas<br />
La mayoría de las enzimas son proteínas:<br />
• La función depende de la integridad de la<br />
conformación proteica nativa<br />
• Existen enzimas que son proteínas simples y otras<br />
que requieren componentes químicos adicionales:<br />
- Cofactores: - iones inorgánicos (Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ o Zn 2+ )<br />
- complejos orgánicos o metaloorgánicos<br />
(coenzimas)<br />
Los cofactores unidos covalentemente: grupos prostéticos<br />
• Holoenzima / Apoenzima
Propiedades generales de las enzimas<br />
Número clasificatorio: E.C. 2.7.1.1. (E.C: Enzyme Commission of the IUB:<br />
International Union of Biiochemistry)<br />
2. <strong>Clase</strong>: Transferasa<br />
7. Subclase: Fosfotransferasa<br />
1. Fosfotransferasas con OH como aceptor<br />
1. D-glucosa como aceptor del fosfato<br />
Nombre sistemático: ATP:glucosa fosfotransferasa<br />
Nombre trivial: hexoquinasa<br />
Las enzimas se clasifican según la reacción<br />
catalizada:<br />
• Nomenclatura:<br />
- Número clasificatorio de 4 dígitos (E.C.)<br />
- Nombre sistemático<br />
- Nombre trivial<br />
ATP + D-Glucosa<br />
ADP + D-Glucosa-fosfato<br />
Nomenclatura: se adiciona sufijo “asa” al nombre del sustrato o de la reacción que cataliza
Enzimas<br />
A. Propiedades generales de las enzimas<br />
B. Principios fundamentales de su acción catalítica<br />
C. Introducción a la cinética enzimática<br />
E. Enzimas reguladores
Principios fundamentales de la acción catalítica de las enzimas<br />
¿ cómo funcionan las enzimas ?<br />
Figure 3-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Las enzimas alteran las velocidades de reacción<br />
pero no los equilibrios<br />
(A) S<br />
P<br />
(B) E + S ES EP E + P<br />
(A)<br />
(B)
Las velocidades de reacción y los equilibrios<br />
tienen definiciones termodinámicas precisas<br />
• Equilibrio de reacción depende ΔG’ o<br />
• Velocidad de reacción depende de ΔG ‡<br />
S P Keq’ =<br />
[P]<br />
[S]<br />
G’ o = - RT ln Keq’<br />
V = k [S] k =<br />
KT<br />
h<br />
e<br />
- G‡ / RT<br />
K = constante de Boltzmann<br />
h = constante de Planck
Las interacciones débiles entre enzima y sustrato<br />
son óptimas en el estado de transición
Enzimas<br />
A. Propiedades generales de las enzimas<br />
B. Principios fundamentales de su acción catalítica<br />
C. Introducción a la cinética enzimática<br />
D. Enzimas reguladores
El modelo de Michaelis-Menten (1913)<br />
Leonor Michaelis<br />
Maud Menten<br />
Postularon que la enzima se combina en primer lugar<br />
con el sustrato, de forma reversible<br />
El complejo se descompone en una reacción más<br />
lenta, dando lugar al producto y enzima libre
Cinética del estado estacionario
Cinética del estado estacionario
Cinética del estado estacionario<br />
k<br />
E + S ↔<br />
1<br />
ES → E + P<br />
k -1<br />
k 2<br />
d[ES] = k 1 [E][S]<br />
dt<br />
- d[ES] = k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
dt
E + S ↔<br />
ES → E + P<br />
Formación de ES:<br />
k 1 [E L ][S]<br />
Descomposición de ES: k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
k 1 [E L ][S] = k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
E T = E L + ES<br />
E L = E T - ES<br />
k -1 + k 2<br />
k 1<br />
= [E L ][S]<br />
[ES]
Constante de Michaelis:<br />
K M =<br />
k -1 + k 2<br />
k 1<br />
= [E T - ES][S]<br />
[ES]<br />
Constante de disociación del complejo ES:<br />
K s =<br />
k -1 = [E L ][S]<br />
k 1<br />
[ES]
Relación entre concentración de sustrato y<br />
velocidad de reacción enzimática<br />
La velocidad inicial de la reacción siempre<br />
corresponde a la ecuación:<br />
v o = k 2 [ES]<br />
Cuando toda la enzima se encuentra formando<br />
complejo ES:<br />
v max = k 2 [E T ]
Relación entre concentración de sustrato y<br />
velocidad de reacción enzimática<br />
k 1 [E L ][S] = k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
k 1 [E T - ES][S] = k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
k 1 [E T ][S] – k 1 [ES][S] = k -1 [ES] + k 2 [ES]<br />
k 1 [E T ] [S] = k -1 [ES] + k 2 [ES] + k 1 [ES][S]<br />
k 1 [E T ] [S] = [ES] (k -1 + k 2 + k 1 [S])<br />
Dividimos por k 1 :<br />
[E T ] [S] = [ES] ((k -1 + k 2 ) + [S])<br />
k 1
[E T ] [S] = [ES] (K M +[S])<br />
[ES] =<br />
[E T ] [S]<br />
(K M +[S])<br />
y<br />
k 2 =<br />
v max<br />
[E T ]<br />
como v o = k 2 [ES]<br />
Ecuación de<br />
Michaelis-Menten<br />
v o =<br />
v max [S]<br />
K M + [S]
La concentración de sustrato afecta la velocidad<br />
de reacción catalizada por enzimas
K m y V max son característicos para cada pareja<br />
enzima-sustrato
Gráfico de dobles recíprocos<br />
1 K M 1 1<br />
= +<br />
v o V max [S] V max<br />
y= ax + b<br />
Ecuación de Lineweaver -Burk
Si k 2 es la constante del paso limitante de<br />
reacción entonces:<br />
k 2 = k cat o Número de recambio<br />
El Nº de recambio es el número de moléculas<br />
de sustrato convertidas en producto por una<br />
molécula de enzima, cuando la enzima está<br />
saturada.<br />
1/k cat es el tiempo que dura un ciclo catalítico.
Muchas enzimas catalizan reacciones con dos<br />
o más sustratos
Inhibición competitiva<br />
K M aparente es mayor que K M real<br />
V máx no se modifica
Inhibición no-competitiva
Inhibición acompetitiva
Efecto del pH sobre la actividad enzimática
Enzimas<br />
A. Propiedades generales de las enzimas<br />
B. Principios fundamentales de su acción catalítica<br />
C. Introducción a la cinética enzimática<br />
D. Enzimas reguladoras
. Enzimas alostéricas<br />
Así es que funciona la<br />
regulación alostérica<br />
de enzimas
Enzimas reguladoras<br />
2. Modulación covalente reversible