Cap. 6 Introducción al metabolismo

Transcripción

1 Metabolismo = todas las reacciones químicas que ocurren en un organismo. Maneja los recursos de materiales (moléculas) y de energía según las necesidades del organismo. Incluye: Catabolismo = degradación de macromoléculas. (Ej. Hidrólisis de polímeros, oxidación de glucosa). Permite que la energía almacenada en las moléculas orgánicas se pueda utilizar para realizar trabajo en la célula. Degradación libera energía Anabolismo = síntesis de macromoléculas. Estas reacciones consumen energía. (Ej. Rxns de condensación o deshidratación para la síntesis de polipéptidos, polisacáridos, grasas) Síntesis requiere energía **ACOPLAMIENTO DE ENERGÍA** Reacciones de degradación (liberan energía) se acoplan a las reacciones de síntesis (consumen energía). La energía liberada se transfiere a la reacción que consume. Energía Capacidad para realizar trabajo capacidad para realizar cualquier cambio en el estado o el movimiento de la materia. Incluye: Energía cinética energía de movimiento. Energía potencial energía almacenada en la materia por su localización o estructura. Energía química es energía almacenada como resultado del arreglo de los átomos en las moléculas. Los organismos son transformadores de energía. Cómo? Ejemplos: Fotosíntesis transformación de energía de luz (cinética) a energía potencial (química) = Síntesis de glucosa (reacción anabólica) Respiración celular transferencia de energía potencial (química) entre moléculas = Degradación de glucosa (reacción catabólica) acoplada a la síntesis de ATP (reacción anabólica) Termodinámica - estudio de transformaciones de energía 2 Leyes rigen las transformaciones de energía en toda la materia: 1. Principio de conservación de energía la energía del Universo permanece constante. La energía puede ser transformada o transferida, pero no puede ser creada ni destruida. 2. La entropía del Universo aumenta constantemente. Durante las transformaciones o transferencias de energía parte de ésta se convierte en calor. El calor es una forma de energía cinética desordenada la cual NO puede usarse para realizar trabajo. Por lo tanto, cada transferencia o transformación de energía aumenta la entropía (el desorden) del Universo. La 2nda Ley nos ayuda a predecir eventos espontáneos Eventos espontáneos No requieren inversión de energía Pueden utilizarse para realizar trabajo Aumentan la entropía del universo El estado inicial es inestable y ordenado y el final estable y desordenado. Dra. Ramírez Page 1

2 Cómo sabemos (cuantitativamente) cuáles eventos pueden ocurrir espontáneamente en la naturaleza? Utilizamos el concepto de Energía libre (G) Energía libre (G) se define como parte de la energía del sistema que puede utilizarse para realizar trabajo cuando la temperatura es uniforme a través del mismo. Los sistemas con energía libre (G): Alta son inestables y ordenados (baja entropía) Baja son estables y desordenados (alta entropía) Qué predice la Segunda ley de termodinámica? G = energía total entropía (no capaz de realizar trabajo) Eventos espontáneos ocurren cuando disminuye la energía libre del sistema Estado final del sistema tiene menos energía que el inicial. G = G estado final G estado inicial Nota: La energía que se libera puede ser utilizada para realizar trabajo. G es sumamente útil porque nos permite predecir cuáles reacciones químicas pueden ocurrir y en qué dirección de forma espontánea. G = G productos G reactantes G < 0 (-) G > 0 (+) G = 0 Espontáneo Libera energía Necesita energía Consume energía Equilibrio No hay energía libre Exergónicas Catabólicas Endergónicas Anabólicas Muerte Puntos importantes de la tabla: 1. Ej. reacción exergónica: catabolismo completo de glucosa (respiración celular), G = -686kcal/mol. Reactantes tienen mayor energía que el (los) producto(s). 2. Ej. reacción endergónica: síntesis de glucosa (fotosíntesis), G = +686kcal/mol. El (los) producto(s) tienen mayor energía que los reactantes. 3. Equilibrio = Muerte Desequilibrio metabólico define la VIDA. Cómo la célula se mantiene en desequilibrio metabólico? Las reacciones ocurren en pasos (trayectos). NUNCA llegan a equilibrio ya que los productos de una se utilizan para la siguiente Rxn. ATP Moneda energética de la célula Fuente inmediata de energía para trabajos celulares. Por qué? Molécula que tiene alta energía libre, enlaces inestables... Dra. Ramírez Page 2

3 Hidrólisis: ATP + H 2 O ADP + P i G = Kcal/mol Cómo realiza trabajo? Por medio de la transferencia del grupo fosfato = fosforilación. Intermediario fosforilado = alta energía libre Se transfiere la energía liberada durante la hidrólisis del enlace con el grupo fosfato a procesos celulares endergónicos. Esto es un ejemplo de acoplamiento de reacciones. ACOPLAMIENTO DE REACCIONES Ej. Síntesis de glutamina (amino ácido) se acopla a la hidrólisis de ATP A. glutámico + amonia glutamina G = Kcal/mol ATP + H 2 O ADP + P i G = Kcal/mol G = Kcal/mol neto Reciclaje de ATP La síntesis de ATP es una reacción endergónica. Fosforilación de ADP: ADP + P i ATP + H 2 O G = Kcal/mol La célula necesita regenerar ATP. Proceso que estudiaremos en los próximos capítulos. (Fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa) Enzimas catalizadores de reacciones en sistemas biológicos Una reacción catabólica (espontánea) no necesariamente ocurre rápido. Es por esto que las reacciones químicas en sistemas biológicos raramente ocurren en ausencia de un catalizador. Las enzimas en su mayoría son proteínas, existen algunas enzimas que se componen de RNA. Ej. La hidrólisis de sucrosa en glucosa y fructosa Sucrosa fructosa + glucosa G = - 7 Kcal/mol Tardaría años en ocurrir a temperatura ambiente. Por qué? Observemos la curva (X) Para que ocurra el rearreglo de átomos, los reactantes absorben energía del ambiente y alcanzan un estado de transición (alta G) antes de formar los productos. La energía necesaria para alcanzar el estado de transición se conoce como energía de activación (E A ). Las enzimas catalizan las reacciones disminuyendo la energía de activación (estabilizando el estado de transición). X Y Observemos la curva (Y) En presencia de una enzima específica la energía de activación es menor y por lo tanto la reacción puede ocurrir más rápidamente. Nota: Las enzimas NO afectan el G de la reacción. Cómo lo hacen? Dra. Ramírez Page 3

4 Mecanismos 1. Actúa como templado (molde), acerca y coloca los reactantes (sustratos) en la orientación correcta. 2. Produce distorsión en los enlaces de los reactantes (sustratos). 3. Provee un microambiente adecuado para facilitar la reacción (ej. Grupos R ácidos)en algunos casos la enzima participa temporeramente de la reacción sin consumirse la enzima. Cuando nos referimos a las enzimas: reactantes = sustrato Las enzimas muestran especificidad de sustrato(s) y especificidad de acción. La acción enzimática se caracteriza por la formación de un complejo ES (enzima- sustrato) que representa el estado de transición. El sustrato o sustratos se asocian a la enzima mediante interacciones débiles que ocurren entre algunos residuos del sustrato y algunos residuos de la enzima. Esta interacción ocurre en el sitio activo de la enzima. Una vez se forma el producto, este se separa del sitio activo y la enzima puede utilizarse otra vez. Las enzimas no se afectan durante la catálisis, puede utilizarse repetidamente. Sitio activo = Hendidura o bolsillo en la superficie de la proteína. Ocupa una región limitada de la enzima. Expone de manera precisa los amino ácidos que interactúan con el sustrato estabilizando el estado de transición. Usualmente son pocos amino ácidos Dos modelos explican el enlace del sustrato en el sitio activo: Llave candado el sitio activo es complementario al sustrato Acoplamiento inducido una vez el sustrato se enlaza a la enzima esta cambia su configuración para acoplarse al sustrato. Relación entre la actividad enzimática y la concentración de sustrato Si se mantiene la concentración de la enzima constante y variamos la concentración de substrato se obtiene una curva hiperbólica como la de la figura (derecha). Al principio un aumento de la concentración de substrato produce un aumento rápido de la velocidad de reacción, pero si se sigue aumentando la concentración de substrato, la velocidad de reacción comienza a disminuir; vemos que a muy altas concentraciones de substrato se observa que no cambia la velocidad de reacción, se dice que los centros activos de la enzima se encuentran saturados. La velocidad de reacción que se obtiene a esa alta concentración de substrato se define como la velocidad máxima de la reacción enzimática bajo las condiciones especificadas. La actividad enzimática puede afectarse por 1. Temperatura y ph Las enzimas tienen una temperatura y ph óptimos específicos (depende de la enzima y el organismo). Temperaturas o phs que se alejen de estos valores afectarán la estructura 3D y por lo tanto la función. (Recuerden que las enzimas son proteínas, si se afectan las interacciones que mantienen su configuración, estas se denaturan y pierden su función.) 2. Cofactores Componentes no-protéicos que facilitan la catálisis Pueden ser inorgánicos (metales) u orgánicos (coenzimas). 3. Inhibidores La inhibición puede ser reversible o irreversible. Usualmente la regulación ocurre mediante interacciones Dra. Ramírez Page 4

5 reversibles entre la enzima y reguladores Dos tipos: 1. Competitivos - compiten con el sustrato por el sitio activo. La actividad de esta enzima dependerá de las concentraciones del sustrato y del inhibidor ya que aumentar la concentración de sustrato desplaza al inhibidor reactivando la enzima. 2. No competitivos - inactivan la enzima enlazándose en una región distinta al sitio activo. NO COMPITEN con el sustrato. El enlace con el inhibidor cambia la conformación de la enzima y evita que el sustrato se enlace. Aumentar la concentración de sustrato en presencia del inhibidor no tiene efecto sobre la actividad enzimática. Mecanismos de regulación enzimática 1. El metabolismo puede regularse a nivel de los genes: prendiendo a apagando los genes responsables para la síntesis de la enzima. No todas las células expresan las mismas enzimas y en una misma célula las enzimas se expresan en compartimientos o membranas distintas. 2. Localización de las enzimas Complejos multienzimáticos trayecto metabólico ensamblado formando un complejo. Las enzimas se agrupan en las membranas y otras en organelos. 3. Una vez la enzima está presente, se regula el metabolismo, regulando la actividad enzimática por medio de: concentración de sustrato y productos presencia y concentración de activadores e inhibidores fosforilación o defosforilación Regulación alostérica (allosteric = another shape or state) Las enzimas alostéricas usualmente se componen de varias subunidades. Existen en dos estados o conformaciones: activa e inactiva. Conformación activa afinidad por el sustrato es alta Conformación inactiva afinidad por el sustrato es baja El estado o conformación de la enzima depende de la presencia de reguladores alostéricos. Los reguladores se enlazan en un sitio alostérico (NO sitio activo). Regulador alostérico inhibidor ancla la enzima en su configuración inactiva. Regulador alostérico activador ancla la enzima en su configuración activa. Ejemplo de enzima alostérica regulada por un inhibidor Dra. Ramírez Page 5

6 Retroinformación negativa (ejemplos a la derecha) Método más común de control. El producto inhibe una de las enzimas del trayecto. Usualmente una de las primeras (en ambos ejemplos la primera). Por qué este mecanismo es eficiente? Cooperatividad Proceso similar a la regulación alostérica. Se puede observar en enzimas que se componen de varias subunidades y tiene más de un sitio activo. En este caso, el sustrato una vez de enlaza a una de las subunidades, aumenta la afinidad de las otras subunidades por el sustrato. Dra. Ramírez Page 6