2. 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)
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. 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).
7. 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)
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11.
12. 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.
13. 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
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. 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.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
31. 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.
32. 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).
33. 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.
34.
35. 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).
36. 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).
37. 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)
38. 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.
39. 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.
