U.D. 1: El metabolisme cel·lular i els enzims

Reaccions anabòliques vs reaccions catabòliques Són reccions de degradació. Són reaccons d’oxidació Desprenen energia Tot i partir de SUBSTRATS diferents els PRODUCTES solen ser els mateixos: àcid pirúvic, etanol, CO2, H2O i pocs més: CONVERGÊNCIA en els productes. Són reaccions de síntesi. Són reaccions de reducció. Necessiten energia. Malgrat que es parteixi de SUBSTRATS semblants els PRODUCTES són molt diferents: DIVERGÊNCIA en els productes. 2

El tipus de metabolisme Segons la font de carboni: Autòtrofs (CO2) Heteròtrofs (M.O.) Segons la font d’energia: Fotosíntesi : llum Quimiosíntesi: reaccions químiques 3

El tipus de metabolisme Tipus d’organismes segons elseu metabolisme Origen de l’energia Origen del carboni Exemples Fotolitòtrofs (o fotoautòtrofs) Llum CO2 Plantes superiors, algues Fotoorganòtrofs (o fotoheteròtrofs) Matèria orgànica Bacteris porprats no sulfúrics Quimiolitòtrofs (o quimiautòtrofs) Reaccions químiques Bacteris nitrificants i bacteris incolors del sofre Quimiorganòtrofs (o quimioheteròtrofs) Animals, fongs, protozousi molts bacteris 4

El control del metabolisme Els biocatalitzadors També anomenats enzims. Permeten les reaccions químiques Les hormones En els organismes pluricel·lulars s’encarreguen de regular el metabolisme intern. 5

Tema 1: Els biocatalitzadors: enzims i cofactors 1.1. Els biocatalitzadors 1.2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars 1.3. Els enzims 1.4. Tipus d’enzims 1.5. L’activitat enzimàtica 1.6. Els cofactors i els coenzims

Aquí s’observa l’energia lliure d’una reacció no catalitzada 1.1. Els biocatalitzadors Són unes substàncies que augmenten la velocitat (entre 106-1012) d’una reacció química que té lloc en un ésser viu, que, un cop finalitzada, queda intacta. Aquí s’observa l’energia lliure d’una reacció no catalitzada Com treballa un enzim?

1.1. Els biocatalitzadors Tots: Disminueixen l’energia d’activació Disminueixen el temps de reacció Tenen especificitat d’acció Molt més eficaços que els químics Són orgànics

1.2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars Des d’un punt de vista energètic es poden dividir en: Exergòniques: Una vegada finalitzades desprenen energia (ATP). Són catabòliques o de degradació i es produeixen de forma espontània.

1.2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars L’ATP pot viatjar lliurement pel citoplasma i nucli. Síntesi: A nivell de substrat Fosforilació oxidativa c) Fotofosforilació

1.2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars * Endergòniques: necesiten d’una prèvia hidròlisi d’ATP. Són de síntesi o anabòliques.

Eucariotes: Cada enzim és sintetitzat per un gen (monocistrònic) 1.3. Els enzims Són proteïnes d’estructura globular que intervenen en les reaccions químiques del metabolisme cel·lular. Totes les proteïnes tenen el seu origen en el material genètic (cada organisme fabrica els seus propis enzims) Bacteris: tots els enzims d’una via metabòlica estan en un mateix gen (policistrònic). Eucariotes: Cada enzim és sintetitzat per un gen (monocistrònic) Lisozima amb el seu substrat

1.3. Els enzims Les molècules orgàniques, amb una estructura interna de carboni, són molt estables i no reaccionen entre elles. Per això necessitem l’activitat enzimàtica Classificació segons el lloc d’acció: * Enzims de membrana: D’origen bacterià, típics de mesosomes o membranes internes: - Enzims mitocondrials (crestes) - Enzims cloroplasmàtics tilacoidals · ATP sintetasa · Citocroms (transportadors e-) · Deshidrogenases del NADH2, etc. * Enzims globulars solubles: actuen en medis fluids (citoplasma, matriu, estroma o en el medi extracel·lular)

EC 2.7.1.1 ATP: hexosa fosfotransferasa 1.3. Els enzims Grup transferit Nom sistemàtic: ATP: hexosa fosfotransferasa Acceptor Donador Grup Número sistemàtic Subgrup EC 2.7.1.1 Enzyme Comission Enzim Nombre común: Hexokinasa Sub-subgrup Enzyme hexokinasa

1.4. Tipus d’enzims 1. Oxidoreductases Són les que duen a terme l’oxidació o reducció de les substàncies gràcies a la transferència d’electrons o d’àtoms d’hidrogen. Tipus diferents: 1.Deshidrogenases 2. Oxidases 3. Peroxidases 4. Oxigenases 5. Hidroxilases 6. Reductases

A-B + H2O A-OH + H-B 1.4. Tipus d’enzims 2. Hidrolases Catalitzen reaccions d’hidròlisi A-B + H2O A-OH + H-B No es solen utilitzar noms sistemàtics en les hidrolases. Moltes d’elles conserven el nom primitiu: Tripsina, Pepsina, Papaina, etc.

AXB A=B + X 1.4. Tipus d’enzims 3. Liases Catalitzen reaccions reversibles d’addicció d’un grup a un doble enllaç: AXB A=B + X - Descarboxilases - Aldolases - Anhidrasa carbònica - Adenilat ciclasa

A + B + ATP A-B + ADP + Pi C + D + ATP C-D + AMP + PPi 1.4. Tipus d’enzims 4. Ligases Catalitzen la unió de dos grups químics a expenses de l’hidròlisi d’un enllaç d’alta energia. A + B + ATP A-B + ADP + Pi O bé C + D + ATP C-D + AMP + PPi - Aminoacil-tRNA sintetases - Glutamina sintetasa - Carboxilases

Catalitzen reaccions d’isomerització 1.4. Tipus d’enzims 5. Isomerases Catalitzen reaccions d’isomerització Algunes reaccions isomeràsiques: - Racemases - Oxidorreductases intramoleculars - Mutases o transferases intramoleculars

2.1.-.- Grups monocarbonats 2.2.-.- Grups aldehíd o ceto 1.4. Tipus d’enzims 6. Transferases Catalitzen reaccions de transferència de grups funcionals: A-X + B A + B-X Donador: Acceptor – Grup transferit - transferasa ATP: D-Hexosa Fosfotransferasa Nom comú: hexokinasa 2.1.-.- Grups monocarbonats 2.2.-.- Grups aldehíd o ceto 2.3.-.- Aciltransferases 2.4.-.- Glicosiltransferases 2.5.-.- Alquil- o Ariltransferases 2.6.-.- Grups nitrogenats 2.7.-.- Grups fosfat 2.8.-.- Grups sulfat Grups de transferència

1.5. L’activitat enzimàtica 1. Mecanisme d’acció L’especificitat fa que l’enzim E s’uneixi al substrat S com CLAU-PANY. La unió es realitza en el centre actiu (part de l’estructura terciària proteica) formant-se el complex enzim-substrat. Com l’enzim s’allibera intacte, únicament fa falta una petita quantitat. Hi ha diferències en quan l’especificitat que pot ser molt alta (un enzim únicament actua sobre un substrat) o baixa (actua sobre un conjunt de substrat semblants)

L’activitat enzimàtica La substància sobre la qual actua un enzim és el SUBSTRAT. Els enzims actuen de formes diferents si hi ha un sol substrat o més d’un substrat. 22

Un sol substrat L’enzim fixa el substrat a la seva superfície (adsorció)per enllaços febres. Es forma el complex enzim-substrat (ES) Es generen tensions que debiliten els enllaços interns del substrat ( complex activat). Cal molts menys energia que si estigués el substrat sol S’obté el complex enzim-producte que s’escindeix i allibera l’enzim intacte i el producte S+E ES EP E+P 23

Dos substrats Si hi ha dos substrats (A i B) que reaccionen entre ells els enzims atrauen les molècules a la seva superfície per augmentar la possibilitat que es trobin i que la reacció es produeixi A+B+E ABE CDE C+D+E De vegades l’enzim atrau primer un substrat i se’n queda una part, després atrau el segon i hi uneix aquesta part. Aquest mecanisme s’anomena “ping- pong” 24

El centre actiu de l’enzim La regió de l’enzim que s’uneix al substrat rep el nom de CENTRE ACTIU. Els centres actius tenen les següents característiques: Són una part molt petita del volum total de l’enzim Tenen estructura tridimensional en forma de cavitat que facilita que el substrat hi encaixi i no deixa que hi entrin altres (mecanisme pany-clau) Estan formats per aa que encara que estiguin lluny en l’estructura primària queden a prop en la terciària Els radicals d’alguns d’aquests aa tenen afinitat química pel substrat 25

El centre actiu de l’enzim En la cadena polipeptídica d’un enzim es poden distingir tres tipus d’aa (aminoàcids): AA estructurals: no estableixen enllaços amb el substrat. AA de fixació: estableixen enllaços febles amb el substrat i el fixen. AA catalitzadors: estableixen enllaços febles o forts amb el substrat i provoquen la ruptura d’algun dels enllaços. 26

L’especificitat de l’enzim Existeix una alta especificitat entre l’enzim i el substrat que al 1890 Fisher va explicar amb el model de complementarietat (mecanisme de pany-clau). Actualment s’ha vist que alguns enzims quan estableixen els enllaços amb el substrat modifiquen la forma del centre actiu per adaptar-s’hi millor: model de l’ajust induït. 27

L’especificitat dels enzims L’especificitat es pot donar en diversos graus: Especificitat absoluta: es dóna quan l’enzim només actua sobre un substrat p.ex. Amilasa (midó), ureasa (urea)… Especificitat de grup: es dóna quan l’enzim reconeix un grup de molècules determinat: β-glucosidasa actua sobre tots els β-glucòsids. Especificitat de classe: és la menys específica. L’enzim actua sobre u tipus d’enllaç p.ex. les fosfatases separen grups fosfat de qualsevol molècula. 28

La cinètica de l’activitat enzimàtica En una reacció enzimàtica amb la concentració d’enzim constant, la velocitat de la reacció augmenta a mesura que augmenta la concentració de substrat. Això passa fins que s’arriba a un punt que deixa de créixer (Vmàx) degut a que totes les molècules d’enzim estan ocupades. En la majoria dels enzims la representació gràfica d’aquests valors dóna una hipérbole i a partir d’això Leonor Michaelis i Maud Menten van definir la constant de Michaelis-Menten (KM) 29

La cinètica de l’activitat enzimàtica La constant de Michaelis-Menten (KM) és aquella concentració de substrat en la qual la velocitat de la reacció és igual a la meitat de la Vmàx La KM depèn del grau d’afinitat que hi ha entre l’enzim i el substrat. V=Vmàx . [S] KM+ [S] 30

La cinètica de l’activitat enzimàtica 31

Factors que afecten l’activitat enzimàtica La velocitat de reacció depen de: Concentració de substrat Temperatura: en principi al augmentar la temperatura augmenta la velocitat de la reacció ja que es fomenta la mobilitat de les molècules però arriba un punt que l’enzim es desnaturalitza ja que és una proteïna. pH: els enzims presenten dos valors límit de pH dins els quals són eficaços. Passats aquests valors es desnaturalitzen. Inhibidors: substàncies que disminueixen l’activitat d’un enzim o que li impedeixen 32

Inhibidors La inhibició pot ser reversible o irreversible: Inhibició irreversible o enverinament de l’enzim: l’inhibidor es fixa al centre actiu permanent i n’altera l’estructura, per tant l’inutilitza. Inhibició reversible: s’impedeix temporalment el funcionament de l’enzim però no s’inutilitza. Hi ha dues modalitats: Inhibició reversible competitiva: es produeix quan la molècula de l’inhibidor és similar al substrat i competeix per fixar-se al centre actiu. Inhibició reversible no competitiva: l’inhibidor es fixa al complex enzim-substrat i impedeix la separació dels productes. O bé s’uneix a l’enzim i impedeix l’accés del substrat al centre actiu. 33

Els enzims al·lostèrics Són aquells que poden adoptar dues formes estables diferents: Configuració activa de l’enzim Configuració inactiva de l’enzim El centre actiu d’aquests enzims té un lloc anomenat centre regulador al qual es pot unir una substància anomenada lligand. Quan el lligand s’uneix al centre regulador canvia la configuració de l’enzim i això s’anomena transició al·lostèrica 34

Els enzims al·lostèrics Hi ha dos tipus de lligands segons la configuració induïda que afavoreixen: Activadors o efectors Inhibidors En alguns enzims hi ha dos o més centres reguladors als quals s’uneixen lligands de diferents tipus, cadascun dels quals provoca una disminució de l’afinitat de l’enzim per l’altre. En aquests casos parlem de multimodulació. 35

. . . . . . . . . . . 1.5. L’activitat enzimàtica v 2. Factors que influeixen en l’activitat enzimàtics a. Concentració d’enzim v . . . . . . . . . . . Els enzims segueixen una cinètica lineal [E]

Una cinètica lineal implica 1.5. L’activitat enzimàtica 2. Factors que influeixen en l’activitat enzimàtics S Una cinètica lineal implica un procés regeneratiu, cíclic E-S E E-P Cicle catalític d’un enzim P

1.5. L’activitat enzimàtica 2. Factors que influeixen en l’activitat enzimàtics b. Concentració de substrat Vmax Km

1.5. L’activitat enzimàtica 2. Factors que influeixen en l’activitat enzimàtics c. pH v pH òptim: punt isoelèctric Això condiciona el lloc on es produeixen les reaccions pH pH de desnaturalització

1.5. L’activitat enzimàtica 2. Factors que influeixen en l’activitat enzimàtics d. Temperatura v Temperatura òptima A determinades temperatures els enllaços que estabilitzen l’estructura terciària es trenquen i canvia la conformació espacial que permet realitzar la funció. Temperatura Tª d’inactivitat per immobilitat molecular Tª de desnaturalització

1.5. L’activitat enzimàtica 3. La inhibició dels enzims Inhibidor: Efector que fa que disminueixi l’activitat enzimàtica, a través d’interaccions amb el centre actiu o altres centres específics (al·lostèrics). Aquesta definició exclou tots aquells agents que inactiven a l’enzim a través de desnaturalitzar la molècula enzimàtica D’aquesta forma, hi haurà dos tipus d’inhibidors: I. Isostèrics: fan la seva acció sobre el centre actiu II. Al·lostèrics: fan la seva acció sobre una altra part de la molècula, causant un canvi conformacional amb repercussió negativa en l’activitat enzimàtica.

1.5. L’activitat enzimàtica 3. La inhibició dels enzims Els inhibidors isostèrics poden ser de dos tipus: 1. Inhibidor reversible: estableix un equilibri amb l’enzim lliure, amb el complex enzim-substrat o amb els dos: E + I EI ES + I ESI 2. Inhibidor irreversible: modifica químicament a l’enzim: E + I E’

1.5. L’activitat enzimàtica 3. La inhibició dels enzims a) Inhibició reversible (a) L’inhibidor es fixa en el centre actiu de l’enzim lliure, impedint la fixació del substrat: Inhibició Competitiva (b) L’inhibidor es fixa a l’enzim independentment de que ho fagi o no el substrat; l’inhibidor, per tant, no impedeix la fixació del substrat a l’enzim, però sí impedeix l’acció catalítica: Inhibició No Competitiva Ex: la reacció succinat fumarat, l’enzim succinat deshidrogenasa és inhibit competitivament per l’oxalacètic Succinat Oxalacetat

s s 1.5. L’activitat enzimàtica 3. La inhibició dels enzims c) Inhibició al·lostèrica Processos a nivell cel·lular; regulació d’ajust final de l’activitat enzimàtica, a través d’efectes de retroalimentació (negativa o positiva) Centre actiu Centre actiu CentreAl·lostèric CentreAl·lostèric s s I Quan l’inhibidor ocupa el centre al·lostèric, té lloc un canvi conformacional en el centre actiu que impedeix la fixació del substrat En absència d’inhibidor, el substrat es fixa normalment al centre actiu Al·losterisme enzimàtic

1.5. L’activitat enzimàtica 3. La inhibició dels enzims c) Inhibició al·lostèrica Ex: Síntesi d’Isoleucina: El producte final de la ruta, Isoleucina, inhibeix al primer enzim de la via, Treonina desaminasa Thr α-cetobutirat Ile Treonina desaminasa Ruta Enzima Inhibidor Glicolisis Fosfofructokinasa ATP Neoglucogénesis FBP fosfatasa AMP Bios. Ács. Grasos AcetilCoA carboxilasa AcilCoA Bios. Colesterol HMGCoA reductasa Colesterol Bios. Purinas PRPP sintetasa AMP,GMP,IMP Inhibició al·lostèrica

1.6. Els cofactors i els coenzims a). Cofactor inorgànic Els cofactors enzimàtics solen ser molècules complexes, que el nostre organisme no pot sintetitzar, en general. Poden ser ions o molècules orgàniques Per aquesta raó molts cofactors enzimàtics cal que siguin, tot o en part, ingerits amb la dieta; molts d’ells són, en conseqüència, vitamines. Ni tots els cofactors són vitamínics ni totes les vitamines són cofactors enzimàtics

1.6. Els cofactors i els coenzims b). Coenzims Coenzims d’oxidoreducció: transporten àtoms d’hidrogen o electrons. Destaquen: NAD, NADP, FMN, FAD i els citocroms NAD NADP+

1.6. Els cofactors i els coenzims Citocrom C Aquesta molècula està associada a la cadena respiratòria en els mitocondris

1.6. Els cofactors i els coenzims Coenzims de transferència: transporten grups funcionals d’una molècula a l’altra. El Coenzim A transporta grups acil: -CH3-COOH Coenzim A