INTRODUCIÓN AO METABOLISMO.

ENZIMAS E VITAMINAS

1. METABOLISMO CELULAR

As células, e polo tanto, os organismos precisan obter materia e enerxía do

medio externo para realizar as súas funcións vitais. Segundo como

incorporen esta materia e enerxía podemos falar de:

Segundo a fonte de C:

Organismos autótrofos: a súa fonte de C é o CO2 , a forma oxidada é unha

fonte de C inorgánica.

Organismos heterótrofos: empregan unha fonte de C orgánico (máis ou

menos reducido) como glicosa, triglicéridos...

Segundo a fonte de enerxía:

Organismos fotosintéticos: utilizan como fonte de enerxía a luz solar.

Organismos quimiosintéticos: obteñen a súa enerxía de reaccións redox

(oxidación-redución)

En definitiva, hai organismos:

Fotoautótrofos: fan a fotosíntese e utilizan C inorgánico (CO2): son os

vexetais, as algas e algunhas bacterias fotosintéticas.

Fotoheterótrofos: fan a fotosíntese e empregan C orgánico. Pouco

frecuentes. Algunhas bacterias que realizan fotosíntese anosixénica (non

produce O2) como as bacterias purpúreas non sulfúreas.

Quimioautótrofos: obteñen enerxía de reaccións de oxidación e a fonte

de C é o CO2. Son algunhas bacterias como as nitrosificantes e

nitrificantes.

Quimioheterótrofos: empregan reaccións de oxidación para obter

enerxía e a súa fonte de C son compostos orgánicos. Somos os animais,

fungos, protozoos e moitas bacterias.

No interior das células a materia incorporada do medio externo sofre

transformacións mediante unha serie de reaccións químicas que en

conxunto denomínanse metabolismo celular co obxecto de obter materia e

enerxía propia.

As diferentes reaccións químicas do metabolismo chámanse vías ou rutas

metabólicas e as moléculas que interveñen metabolitos. As substancias

finais dunha ruta denomínanse produtos. As iniciais substratos.

Diferenciamos, no metabolismo, dous tipos de rutas metabólicas:

Catabolismo ou fase degradativa: transformación de moléculas orgánicas

complexas (glícidos, proteínas...) en moléculas máis sinxelas (ácido láctico,

amoníaco, CO2, H2O...). Liberan enerxía que se acumula en forma de ATP.

Anabolismo ou fase construtiva: síntese de moléculas orgánicas

complexas a partir de moléculas máis simples (glucóxeno a partir de glicosa,

triglicéridos a partir de ácidos graxos e glicerina...). Precisan ATP.

RELACIÓN CATABOLISMO-ANABOLISMO

O ATP xerado nas reaccións catabólicas proporciona, mediante a súa

hidrólise a ADP+Pi (o incluso AMP+PPi), a enerxía necesaria para o

anabolismo. Ademais de empregarse noutros procesos (motilidade

celular, transporte activo e transcrición, tradución e replicación do ADN).

Moitas reaccións catabólicas supoñen a oxidación dun sustrato que

libera electróns (e-). Por outra banda, a síntese de moléculas ricas en H

require e-. Veremos que hai un transporte de e- (por medio do NADH)

dende as reaccións catabólicas de oxidación, onde son liberados, ata as

reaccións anabólicas de reducción, que precisan deles.

Moitos produtos das reaccións catabólicas, son os substratos para

outras reaccións anabólicas. Un exemplo clásico é o Acetil_CoA (ácido

acético unido á coenzima A).

O ATP, UNHA MOLÉCULA QUE ALMACENA E CEDE ENERXÍA

Como xa comentamos no tema dos ácidos nucleicos, existen nas células

diversos nucleótidos que poden almacenar enerxía nos seus dous enlaces

anhídro de ácido moi enerxéticos, e liberala cando se rompen por

hidrólese. Son exemplos o GTP ou o UTP, pero sen dúbida o máis

importante é o ATP (adenosín trifosfato).

Na hidrólise do ATP rómpese o último enlace por unha desfosforilación

liberando un grupo fosfato (Pi):

ATP + H2O ADP + Pi + Enerxía (7,3 Kcal/mol)

O ADP tamén é susceptible a hidrólese:

ADP + H2O AMP + Pi + Enerxía (7,3 Kcal/mol)

SÍNTESE DE ATP

A síntese de ATP pode suceder de dous xeitos:

Fosforilación a nivel de substrato: consiste na adición dun grupo

fosfato a un ADP grazas a enerxía liberada ao romperse algún dos enlaces

dunha biomolécula. Sucede, por exemplo, na glicolise.

Fosforilación mediante enzimas ATP-sintetasas: nas cristas

mitocondrias e na membrana dos tilacoides, como sabemos, hai ATP-

sintetasas que son enzimas capaces de sintetizar ATP cando se produce

un fluxo de H+ como veremos.

2. OS ENZIMAS SON OS CATALIZADORES BIOLÓXICOS

Para que se verifique unha reacción do tipo Substrato (S) para dar un

Produto (P) precísase que as moléculas de substrato adquiran certa

cantidade de enerxía pasando a un estado enerxético maior que o inicial

denominado estado de transición. A enerxía precisa para alcanzar este

estado de transición denomínase enerxía de activación.

As substancias que interveñen nas reaccións celulares son tan estables nas

condicións que se atopan que sen axuda, estas reaccións serían tan lentas

que imposibilitarían a vida. Ademais deben verificarse á temperatura de

cada organismo (Tª relativamente baixas), por iso a opción evolutiva foi o

uso de enzimas.

Hai dous xeitos de acelerar unha reacción química:

Aumentando a temperatura, isto incrementa a enerxía interna das

moléculas de S e facilita que cheguen ao estado de transición antes.

Engadindo un catalizador, que se combina co S provocando dalgún

xeito que éste precise menos enerxía de activación e se convertan antes en

P. Nos seres vivos os catalizadores principais son os encimas.

As enzimas son un tipo de proteínas que actúan como biocatalizadores

ou catalizadores biolóxicos, xa que aceleran e regulan a velocidade das

reaccións bioquímicas, se recuperan intactos tras a reacción e

precísanse en pequenas cantidades. Pero ademais, a diferenza doutros

catalizadores son capaces de facelo en condicións suaves de

temperatura e pH, que son as condicións que se dan nas células, cun

alto grao de especificidade, xa que cada tipo de enzima soamente actúa

en determinadas reaccións, e traballando en solucións acuosas como son

os medios celulares.

Dentro do concepto de biocatalizadores tamén adoitase incluir ás

vitaminas, xa que como veremos axudan as enzimas na súa función

catalítica, e as hormonas que nos organismos pluricelulares actúan

como mensaxeiros químicos que actúan específicamente sobre as súas

células diana provocando unha resposta e regulando así o metabolismo

celular.

Un biocatalizador pode definirse como unha substancia necesaria

nunha pequena cantidade, pero que é imprescindible para a regulación

da reacción que cataliza.

Todos os enzimas coñecidos, a excepción dalgúns ARN (ribozimas), son

proteínas. A substancia sobre a que actúa unha enzima (E) chámase

substrato (S) e a substancia orixinada na reacción, produto (P). Como xa

comentamos, os enzimas son moi específicos, a causa deste fenómeno

débese a unión entre o E e o S, para forma o denominado Complexo

Enzima-Substrato (E-S), xa que só unha rexión da molécula de E

establece contacto co substrato. Esta rexión denomínase centro activo do

enzima e nela diferenciamos dúas partes:

Sitio de posición: é o lugar do centro activo onde se localizan os aa

aos que se une o S. A unión establécese mediante enlaces débiles para

permitir a separación facilmente despois da transformación do S en P.

Sitio catalítico: é o punto do centro activo onde se localizan os aa

que, mediante distintos mecanismos, actúan sobre o S provocando a súa

transformación no produto final.

3. ESTRUTURA DAS ENZIMAS

Os aa do sitio catalítico poden actuar cedendo ou captando protóns,

rompendo ou establecendo enlaces, creando un ambiente iónico…En

calquera caso, o efecto global é a redución da enerxía de activación

necesaria para que teña lugar a reacción.

A unión do S ao E pode supoñer soamente o encaixe entre ambas

moléculas no centro activo, polo que deben posuír formas

complementarias; a este tipo de unión denomínaselle complexo E-S polo

mecanismo da chave-ferradura (modelo de complementaridade).

Noutros casos, a unión do S induce un cambio de conformación do E,

isto obriga aos aa do sitio catalítico a situarse na posición correcta para

actuar sobre o S. Despois da transformación do S en P, o encima

recupera a súa forma inicial. A este mecanismo chámaselle de

acoplamento inducido ou axuste inducido.

Fálase incluso doutro mecanismo referido como o modelo de “apretón de

mans” na que ambolos dous, o encima e o substrato modifican a súa

forma para acoplarse.

Concepto de cofactor enzimático e coenzima (recordatorio)

As enzimas pódense clasificar en enzimas estrictamente proteicas e

holoenzimas (teñen unha parte proteica (apoenzima) e outra non

proteica (cofactor enzimático).

Os cofactores poden ser:

Cofactores inorgánicos: son ións metálicos (Mg+2, Zn+2...)

Cofactores orgánicos: son coenzimas e grupos prostéticos.

Os coenzimas e os grupos prostéticos son pequenas moléculas que

adoitan diferenciarse pola unión entre o cofactor e a proteína (enzima

neste caso). Habitualmente unha coenzima establece un enlace débil e

un grupo prostético un enlace forte. Porén, isto non sempre se cumpre.

O que si sucede sempre é que o concepto coenzima sempre está ligado a

unha proteína que é un encima, e no caso do grupo prostético pode ser

calquera tipo de proteína.

4. PROPIEDADES DAS ENZIMAS

Especificidade: unha encima só poderá actuar naquelas reaccións nas

que o S poida establecer enlaces cos aa do sitio de posición e poida ser

transformado polos aa do sitio catalítico.

Non alteran o equilibrio das reaccións reversibles: aceleran as

reaccións en ambolos dous sentidos, polo tanto o equilibrio final é o

mesmo que en ausencia de E, unicamente se obtén máis rápido.

Actúan en pequenas concentracións: cada molécula de E pode

transformar varios centenares de moléculas de S por segundo.

Recupéranse no mesmo estado que o principio: aínda que o E pode

sofrer modificacións no curso da reacción, ao final da mesma recupérase

intacto.

5. FACTORES QUE AFECTAN A ACTIVIDADE ENZIMÁTICA

Como as enzimas son proteínas vense afectadas polos seguintes factores:

pH: se varía pode haber cambios conformacionais que afecten a

capacidade catalítica e a unión. Para cada tipo de enzima existe un

intervalo de pH no que a enzima pode actuar, e un pH óptimo no cal a

súa actividade é máxima.

Temperatura: un aumento pode nun principio aumentar a velocidade,

pero en exceso tamén pode desnaturalizar as encimas. A maioría das

enzimas desnaturalízanse entre 50 e 60 ºC. O descenso de

temperatura non chega a desnaturalizalos, porén diminúe a súa

actividade. Esta é a razón pola que os animais poiquilotermos, que non

regulan a súa temperatura corporal, hibernan na época fría.

Inhibidores: moléculas que diminúen a actividade encimática.

Proenzimas ou zimóxenos: son enzimas sintetizadas na súa forma

inactiva e que son activadas soamente na localización onde deben

actuar. É un mecanismo habitual en enzimas dixestivas, xa que si as

células produtoras sintetizaran directamente as formas activas

danaríanas. Por exemplo: as células pancreáticas sintetizan unha

proenzima, o tripsinóxeno que forma parte do zume pancreático que

chega ao intestino delgado. Aquí por acción da enteroquinasa (outra

enzima) perde un fragmento peptídico que o transforma na súa forma

activa, a tripsina que intervén na dixestión proteica.

6. REACCIÓN CATALIZADA POR UNHA ENZIMA (CINÉTICA

ENZIMÁTICA)

Os enzimas diminúen a enerxía de activación

Ao igual que calquera catalizador, as encimas diminúen a enerxía de

activación da substancia reaccionante.

Formación do complexo enzima-substrato

Nas reaccións catalizadas por enzimas obsérvase que se a concentración

de E se mantén constante, ao aumentar a concentración de S prodúcese

un incremento da velocidade da reacción, porén ese incremento é cada

vez menor ata que se alcanza un punto a partir do cal a velocidade xa

non aumenta máis aínda que sigamos aumentando a concentración de

S. Este punto é a velocidade máxima (Vmax). A partir de aí, a

velocidade da reaccións só se incrementa se aumentamos a

concentración de E.

A este fenómeno chámaselle saturación do enzima polo substrato e o

presentan todos os enzimas, pero en cada reacción varía a

concentración de S na que se manifesta.

Esta circunstancia levou a Michaelis e Menten en 1913 a postular

unha teoría sobre como actúa unha enzima nunha reacción.

Segundo esta teoría cada molécula de E únese a unha molécula de S

formando o complexo E-S, no seo do cal o S transfórmase en P. Unha

vez efectuada a transformación, o P final sepárase do E, quedando libre

e disposto para actuar sobre outro S.

A maior concentración do complexo E-S, maior velocidade. Se a

concentración de E permanece constante e a de S aumenta chegará un

momento en que todas as moléculas de E estarán formando parte dun

complexo e non haberá ningunha ceibe para unirse a un novo S, de aí o

fenómeno da saturación.

Michaelis e Menten definiron unha constante coñecida como Km , que

expresa a relación entre a concentración de S e a velocidade da reacción: “

a Km é a concentración de substrato a cal a velocidade da reacción é ½ da

Vmax”.

A Km mídese en moles/L e danos unha idea da afinidade da enzima polo

substrato, xa que canto máis baixo é o valor de Km , máis afinidade ten o

enzima polo substrato.

Porén, só unha pequena parte das reaccións dunha célula suceden cun só

substrato, na maioría hai dous ou máis e a unión co E pode ocorrer de

varios modos:

Os dous substrato A e B deben unirse simultaneamente ao E, por orde

ou ao chou, formándose un complexo ternario no seo do cal ten lugar a

transformación.

Os dous substratos únenese ao E por separado; xeralmente o S que se

une en primeiro lugar ao E transfírelle un determinado grupo funcional

ou átomo, sepárase do E, e a continuación, únese o segundo S que

acepta o grupo funcional ou átomo e despois libérase deixando intacto o

E.

Estas reaccións teñen un Km distinto para cada substrato.

7. NOMENCLATURA E CLASIFICACIÓN DOS ENZIMAS

As enzimas noméanse habitualmente co nome do substrato sobre o que

actúan xunto co nome da reacción que catalizan rematado en –asa. Por

exemplo: lactato-deshidroxenasa (actúa sobre o ácido láctico cunha

reacción de deshidroxenación).

Porén, todavía seguen a empregarse nome antigos que soamente indican

o substrato, como por exemplo sacarasa, outros que sinalan a reacción

sen máis, oxidasa, e incluso algúns que non indican nada como tripsina.

Clasificación:

Oxido-reductasas: catalizan reaccións redox, son exemplos todas as

oxidasas (aceptor de H é o O) e as deshidroxenasas.

Transferasas: catalizan transferencias de grupos dunha molécula a

outra. Son exemplos as quinasas (transferencias de grupos fosfato dende

o ATP ao S).

Hidrolasas: catalizan reaccións de hidrólese (ruptura de enlaces coa

participación da auga). Exemplos: as esterasas (rompen enlaces éster) e

peptidasas (rompen enlaces peptídicos).

Liasas: catalizan a rotura de enlaces sen intervención da auga. Exemplo:

as descarboxilasas (separan o COOH en forma de CO2).

Isomerasas: catalizan transferencias de grupos dentro da molécula

dando formas isoméricas.

Ligasas o sintetasas: catalizan a síntese de novas moléculas a partir do

ATP.

8. INHIBICIÓN E ACTIVACIÓN ENZIMÁTICA

Os inhibidores son moléculas que ao unirse ao E diminúen, ou incluso,

anulan a velocidade da reacción catalizada por dita E. O efecto tóxico de

moitas drogas e velenos (cianuro) explícase por ser inhibidores. O mesmo

ocorre cos antibióticos que son inhibidores de enzimas esenciais dos

microorganismos. A inhibición pode ser de dous tipos:

Inhibición irreversible: o inhibidor (I) modifica de forma permanente o

centro activo do enzima e aínda que se separe del o E perde a súa

actividade.

Inhibición reversible: cando o E se separa do I recupera a súa

actividade. A inhibición reversible pode ser competitiva, non

competitiva ou acompetitiva ou de bloqueo do complexo E-S.

Inhibición competitiva: o I ten unha estrutura similar ao S e

compite con el por unirse ao centro activo do E. En presenza dun I

deste tipo debemos aumentar a concentración de S para alcanzar a

Vmax. Se está presente un I competitivo aumenta o valor da Km.

Inhición non competitiva: o I únese nunha zona diferente ao centro

activo, pero esta unión modifica a estrutura do enzima e dificulta

ou impide a unión co S. Neste caso non se anula aumentando o S.

Inhibición acompetitiva: o I úense ao complexo E-S e impide a

formación de produtos. Tampouco serve de nada aumentar o S.

Competitiva

Acompetitiva

No competitiva

9. REGULACIÓN DA ACTIVIDADE ENZIMÁTICA: ALOSTERISMO

Os procesos metabólicos transcorren mediante unha secuencia de

reaccións encadeadas nas que o P dunha reacción é o S da seguinte; cada

reacción está catalizada por unha enzima específica.

Mediante esta cadea de reaccións o substrato inicial transfórmase no

produto final. P1, P2... Son os metabolitos intermediarios ou

intermediarios metabólicos. As enzimas que participan nunha mesma ruta

metabólica poden acharse independentes no hialoplasma e entrar na

reacción que son precisas ou poden formar un complexo multienzimático

o que aumenta a eficacia.

En toda a ruta hai unha o varias enzimas que regulan a velocidade do

proceso, son os enzimas alostéricos.

Os enzimas alostéricos caracterízanse porque ademais do centro activo

posúen outros lugares de unión chamados centros reguladores aos que

se pode unir unha molécula chamada modulador (ligando ou efector).

Estas moléculas poden actuar de dous xeitos distintos:

• Como moduladores negativos: inhiben a acción do E. En moitas

rutas metabólicas o primeiro E é alostérico e os moduladores

negativos son os P finais. Cando a concentración do P final aumenta

por enriba das necesidades da célula, as propias moléculas de P final

fíxanse ao centro regulador do E alostérico inducindo nel un cambio

conformacional que diminúe ou anula a súa actividade. Este tipo de

alosterismo denomínase retroinhibición ou feedback.

• Como moduladores positivos ou activadores: aumentan a

actividade do enzima. Con frecuencia nas rutas metabólicas o

modulador positivo é o propio S inicial. Cando se acumula en

cantidades excesivas é eliminado seguindo a ruta metabólica.

10. VITAMINAS

As vitaminas son moléculas orgánicas de natureza e composición química

variable que son indispensables para o crecemento e desenvolvemento dun

ser vivo.

Agrúpanse baixo esta denominación polo seu papel común como

biocatalizadores.

Salvo raras excepcións, os animais non podemos sintetizalas e debemos

incorporalas na nosa dieta como tales ou como provitaminas(moléculas

que transformamos en vitaminas; por exemplo os β-carotenos que o home

convirte en vitamina A).

Características das vitaminas:

• Son substacias orgánicas que precisamos en pequenas cantidades, pero

que son indispensables para a vida. As hidrosolubles actúan como

coenzimas.

• As necesidades vitamínicas varían segundo as especies, a idade, e incluso,

coa actividade.

• Os animais debemos incorporalas na dieta. Outros organismos, son

capaces de sintetizar moitas delas, sobre todo os microorganismos. Os

animais só podemos sintetizar algunhas como a vitamina D na pel tras a

exposición ao sol ou a K, a B1, a B12 e o ácido fólico (B9) que son en

realidade sintetizadas pola nosa flora intestinal.

• Altéranse facilmente con cambios de pH, temperatura e por almacenaxe

prolongado.

• Poden orixinar trastornos orgánicos, nalgúns casos moi graves e incluso

mortais. Estes trastornos débense a falta parcial (hipovitaminose) ou total

(avitaminose) dunha vitamina ou a un exceso (hipervitaminose).

VITAMINA ENFERMIDADES CARENCIAIS

Vit. C (Ácido Ascóbico) Escorbuto (sangrado de encías e pérdida de

dentes)

B1 (Tiamina) Beriberi (sistema nervioso e muscular

afectado)

B2 (Riboflavina) Dermatite e lesións nas mucosas

B5 (ác. pantoténico) Pelagra (indixestión, afeccións cutáneas….)

B12 (Cobalamina) Anemia Perniciosa (mala absorción da

vitamina por falta do factor intrínseco

producido polas células parietais do

intestino)

Clasificación das vitaminas

Baséase na súa solubilidade:

Liposolubles: son a A, D, E e K. Acumúlanse no fígado e no tecido

adiposo. O seu exceso pode provocar transtornos graves (sobre todo da A

e da D).

Vitamina A, deriva do caroteno. Esencial na visión e nos epitelios.

Vitamina D, necesaria para os ósos (absorción de Ca+2)

Vitamina E, implicada no metabolismo dos ácidos graxos.

Antioxidante.

Vitamina K, indispensable na coagulación sanguínea.

Hidrosolubles: son a C ou acedo ascórbico e o complexo vitamínico B (8

vitaminas). Non hai risco por exceso xa que o ser solubles excrétanse

facilmente nos ouriños. Todas elas son coenzimas ou forman parte de

coenzimas.

Vitamina C ou acedo ascórbico: abundante nos cítricos. Prevén o

escorbuto (hemorraxias nas encías e caída de dentes).

Complexo B: en xeral o seu déficit provoca dexeneración das neuronas,

debilidade muscular, inapetencia e anemia.

- Tiamina o B1: prevén o Beri-beri (alteración do SN e o muscular)

- Riboflavina ou B2: coenzima redox (FMN e FAD)

- Acedo nicotínico ou B3: forma parte do NAD e NADP que son

tamén coenzimas redox.

- Acedo pantoténico ou B5: forma parte da CoA (transportadora de

grupos acilo)

- B6: importante no metabolismo dos aa.

- Acedo fólico ou B9: suplemento no embarazo para evitar

anomalías.

- Cobalamina ou B12: a súa deficiencia provoca anemia perniciosa.

GRAZAS POR ATENDERME

WEBGRAFÍA

http://biofisica2010.blogspot.com.es/2010/05/tema-2-atp.html

http://biogeo.esy.es/BG2BTO/ezimasvitaminas.htm

http://labolsaroja.blogspot.com/2009/09/6e2protidosenzimasimagenes.html

http://giberneitor.blogspot.com.es/2010/08/leer-te-da-alas-elementos-de-

la.html

https://es.slideshare.net/biologiahipatia/ud10-metabolismo-i

https://es.slideshare.net/biologiahipatia/ud11-anabolismo