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QUIMICA BIOLOGICA- EQUIPO DOCENTE Prof. Responsables: Dra. Alicia Molina (Lic. en Ciencias Biológicas) Dra. Ana Anzulovich (Prof. en Cs. Biológicas y Lic. en Biotecnología) Jefes de Trabajos Prácticos: Dra. Mariela Coria (Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas) Lic. Gabriela Plateo Pignatari (Lic. en Biotecnología)

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QUIMICA BIOLOGICA Reacciones químicas que ocurren en los seres vivos y las interrelaciones entre ellas (Metabolismo) Objeto de estudio

En particular, los OBJETIVOS de este curso para las carreras de Lic En particular, los OBJETIVOS de este curso para las carreras de Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas y Lic. en Biotecnología, son: Analizar los procesos de degradación y biosíntesis de los compuestos biológicos, teniendo en cuenta su interrelación y mecanismos de regulación. Estudiar las enzimas como herramientas de regulación, transformación y generación de energía celular. Integrar las distintas vías metabólicas y su relación con los mecanismos de producción y utilización de energía por parte de los seres vivos.

BOLILLA 1 METABOLISMO. Principales nutrientes de autótrofos y heterótrofos. Catabolismo. Anabolismo. ENZIMAS: Naturaleza Química. Propiedades Generales. Nomenclatura y Clasificación. Coenzimas y Grupos Prostéticos. Actividad Enzimática: Unidad de enzima- Actividad específica- Actividad molecular. Conceptos de afinidad y cooperatividad enzimática. Factores que afectan la actividad enzimatica: pH, T, [S], [Enzima]. Inhibidores naturales de la actividad enzimática. Mecanismo de regulación metabólica: Inhibición y activación por sustrato, niveles enzimáticos, modulación de la actividad de enzimas. Regulación Enzimática: Enzimas alostéricas (propiedades y cinética). Modulación Covalente. Zimógenos. Isoenzimas: Propiedades e importancia.

M E T A B O L I S M O Energía para la vida ¿Cómo? ¿Cómo? Heterótrofos Autótrofos Fotosintéticos ¿Cómo? ¿Cómo? M E T A B O L I S M O H2O H2O

METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar los compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento. Nutrientes Autótrofos CO2 H2O Iones de nitrógeno Elementos Minerales Heterótrofos Nutrientes Carbohidratos Lípidos Proteínas Vitaminas Minerales

Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento. DEGRADACION SINTESIS

DG Metabolismo Estructuras complejas Estructuras simples SINTESIS DEGRADACION Catabolismo Anabolismo

(Degradación oxidativa) VIAS CATABOLICAS (Degradación oxidativa) Productos finales carentes de Energía CO2 H2O NH3 Nutrientes Contenedores de Energía Carbohidratos Lípidos Proteínas NADH NADPH FADH2 ATP Energía Química NAD+ NADP+ FAD ADP+HPO42- Moléculas Precursoras Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Bases nitrogenadas VIAS ANABOLICAS (Síntesis reductora) Macromoléculas Celulares Polisacáridos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos

Equilibrio dinámico Catabolismo Anabolismo

Crecimiento Catabolismo Anabolismo

Envejecimiento Anabolismo Catabolismo

METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

Esquemas de distintos tipos de secuencias metabólicas Intermediarios o metabolitos intermedios Precursor Producto Vías B C D E A P Q Punto de ramificación A B C D E S Ciclos D P A B C S Cascadas A B M N Y X

Vías catabólicas convergentes Vías anabólicas divergentes

CONTINUA LA HISTORIA… 1926, James Sumner (ureasa, estructura proteica). 1930, John Northrop y Moses Kunitz- (pepsina, tripsina y quimotripsina). - Digestión y degradación de péptidos y proteínas.

CONTINUA LA HISTORIA… Ultimos 50 años (estructura y función). 1963- 1º Secuencia de aminoácidos de la ribonucleasa pancreática bovina A. 1983. Sidney Altman y colaboradores. El ARN de la ribonucleasa P tiene actividad catalítica.

Esquemas de distintos tipos de secuencias metabólicas Y X Vías Ciclos Cascadas a b c d c e f g h i k j o l ñ p n m q

Energía de activación de una reacción Catalizador A + B C + D La velocidad a la cual se produce el intermediario de transición depende de: 1- la Ea, 2- la frecuencia de choques entre las moléculas. 3- orientación adecuada de las moléculas. Energia libre (G) Progreso de la reaccion Estado de activación Energia de Activacion (Ea) G1 de Reactivos A+B Ea de la reaccion catalizada ΔG (-) de reaccion G2 de Productos C+D

Catalizador: agente capaz de acelerar una reacción química, sin formar parte de los productos formados, ni desgastarse en el proceso. Las ENZIMAS son macromoléculas que funcionan como catalizadores biológicos, ya que disminuyen la Ea y favorecen la orientación de las moléculas reaccionantes.

CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS La/s sustancia/s sobre la/s cual/es actúa/n se denomina/n SUSTRATO (S). SITIO DE UNION AL SUSTRATO (Sitio Activo) Uniones no Covalentes: Puente de hidrógeno Hidrofóbicas Electrostáticas ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO. Estereoespecificidad y especificidad geométrica. NECESITAN DE FACTORES NO ENZIMATICOS (cofactores): inorgánicos (metales) u orgánicos (Coenzimas) La síntesis de la proteína-enzima, su actividad y degradación SON REGULABLES:. Enz S

REACCION ENZIMATICA

Esquema de ejemplo de mecanismo de reacción enzimática de Sacarosa

ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS ALTA ESPECIFICIDAD Único sustrato Glucoquinasa Glucosa Grupo de sustratos ESPECIFICIDAD RELATIVA glucosa manosa fructosa Hexoquinasas HEXOSAS

- P GLUCOSA GLUCOSA-6P ATP ADP D-Glucosa Glucoquinasa

Enzimas que requieren iones metálicos como cofactores Fe++ ó Fe+++ Citocromo oxidasa Catalasa Peroxidasa Zn++ Anhidrasa carbónica Hexoquinasa Glucosa-6-fosfatasa Piruvato quinasa Mg++ K+ Piruvato quinasa

HOLOENZIMA APOENZIMA COENZIMA COENZIMAS ENZIMA TOTAL PROTEÍNA = APOENZIMA + COENZIMA ENZIMA TOTAL PROTEÍNA (termolábil) NO PROTEICA (termoestable) Transportadores de grupos funcionales COENZIMAS Transportadores de electrones

VITAMINAS-COENZIMAS Grupo/s transportado/s ENZIMAS Niacina NAD, NADP Ion Hidruro (:H -) PDH GAD Riboflavina (Vit.B2) FAD, FMN Electrones SDH Tiamina (Vit. B1) PP-tiamina Aldehídos PDH, TC Acido pantoténico Coenzima A Grupos acilo Tiolasa Acido fólico TH4 Grupos monocarbonados Ser-Tre Deshidrat. Piridoxina (B6) P-piridoxal Transferencia grupos aminos Transaminasas Acido lipoico Lipoamida Electrones y grupos acilos. PDH

METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

Ningún organismo puede vivir sin ENZIMAS La mayoría de las reacciones deben ser catalizadas para que ocurran en el tiempo y el momento que la célula lo requiere. Las enzimas en general son proteínas que deben ser sintetizadas correctamente, con la estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria, si la tuvieran, de toda proteína. Cualquier alteración de la síntesis de estas proteínas puede llevar a una patología.

FUNCION DE LAS ENZIMAS Transformación de moléculas de nutrientes simples en moléculas mas complejas, y viceversa. Extracción de energía desde metabolitos combustibles o compuestos degradables por oxidación. Polimerización de subunidades para formar macromoléculas, etc.

Ejemplos de transformaciones mediadas por enzimas Transformación de moléculas complejas en moléculas simples y viceversa ENZIMAS PAN nGLUCOSA ALMIDON PAPAS ENZIMAS ARROZ GLUCOGENO

PANCETA ENZIMAS MONO GLICERIDOS CHIZITOS GRASAS (TG) CHORIZOS ENZIMAS GLICEROL +3 AC.GRASOS TRIGLICERIDOS ENZIMAS

Tipos de reacciones catalizadas por enzimas Oxido-reducción Rotura y formación de enlaces C-C Reorganización interna Transferencia de grupos Reacciones de condensación

DENOMINACION DE LAS ENZIMAS Al nombre del sustrato o del producto, se le agrega la terminación ASA. Por ejemplo: sacarasa, ureasa, amilasa, etc. O a la reacción que catalizan, por ej.: oxidoreductasa, deshidrogenasa, descarboxilasa, etc. Otras tienen nombres arbitrarios, como: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico, tripsina, etc. Cada enzima tiene un nombre y un numero asignado por la Comisión Internacional de Enzimas. Por ej.: Lactato deshidrogenasa (EC 1.1.1.27) Clase - subclase - subsubclase - nº de orden 1 1 1 27

Cómo se clasifican las enzimas??? 1-OXIDORREDUCTASAS Lactato deshidrogenasa (EC 1.1.1.27) 2. TRANSFERASAS Hexoquinasa (EC 2.7.1.2)

3. HIDROLASAS 4. LIASAS 5. ISOMERASAS 6. LIGASAS Carboxipeptidasa A (EC 3.4.17.1) 4. LIASAS Piruvato descarboxilasa (EC 4.1.1.1) 5. ISOMERASAS Fumarasa ó malato isomerasa (EC 5.2.1.1) 6. LIGASAS Piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1)

DISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS COMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula. SISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos complejos macromoleculares. ENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta distintos sitios catalíticos

moles de S transformados mmoles de S transformados/min ACTIVIDAD ENZIMATICA Unidades Internacionales (UI) (medida de velocidad) nS nP Enzima UI = moles de S transformados min Actividad Específica: Actividad enzimática (UI) por miligramo de proteína presente en la muestra. Extracto proteico (mezcla de proteínas extraídas de un tejido) AE = UI mg de prot. µmoles de S transf./min mg de proteína = Enzima: Actividad Molar ó Numero de Recambio: µmoles de S convertidos en P por unidad de tiempo y por molécula de enzima Actividad molar = mol de enzima mmoles de S transformados/min

ACTIVIDAD ESPECIFICA 1/4 1/3 1/2 1/1 Enzima: A B + Prot.Tot: ∑ + A, B y C: pasos de purificación Actividad específica U.I. mg de proteína = Activ. Enzimática mg prot. totales 1/1 Prot.Tot: ∑

Factores que afectan la actividad enzimática + H2O2 (peróxido de hidrógeno)

Factores que afectan la actividad enzimática pH Temperatura Concentración de Enzima Concentración de Sustrato

Influencia del pH sobre la actividad enzimática actividad por de pH hasta el pH optimo. Actividad enzimática pH óptimo de pH provoca desnaturalización pH

Ejemplos de enzimas con diferentes pH óptimos

Influencia de la Temperatura sobre la actividad enzimática actividad por de la temperatura de temperatura provoca desnaturalización T(ºC) Actividad enzimática T. óptima

>>[S]

VARIACION DE LA VELOCIDAD DE REACCION CON LA CONCENTRACION DE SUSTRATO

VARIACION DE LA VELOCIDAD DE REACCION CON LA CONCENTRACION DE SUSTRATO Ecuación de Michaelis-Menten

GRÁFICA DOBLE RECÍPROCA O DE LINEWEAVER-BURK Ordenada al origen = 1/Vmáx. Pendiente= Km/Vmáx Intersección c/eje x = - 1/Km

Efecto de la concentración de enzima sobre la actividad Act. Enz. o Vo Concentración saturante de sustrato, y a pH yT constantes [E]