EQUIPO DOCENTE Prof. Responsable: Dra. Ana Anzulovich Prof. Colaborador: Dra. Fanny Zirulnik Responsable de los Trabajos Prácticos: Dra. Alicia Molina Jefes de TP: Dra. Mariela Coria y Dra. Lorena Navigatore

QUIMICA BIOLOGICA Objetivos: Comprender las transformaciones energéticas celulares Establecer los principios de la bioenergética Describir las rutas metabólicas de biosíntesis Moléculas Biológicas - Estructura química Interacciones entre moléculas Degradación y síntesis celular de las moléculas Conservación y utilización de la energía en las células Mecanismos regulatorios

En particular, los OBJETIVOS de este curso para las carreras de Licenciatura y Profesorado en Ciencias Biológicas, son: Estudiar las enzimas como herramientas de regulación, transformación y generación de energía celular. Analizar los procesos de degradación y biosíntesis de los compuestos biológicos, teniendo en cuenta su interrelación y mecanismos de regulación. 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 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.

UN POCO DE HISTORIA… 1850, Louis Pasteur ‘fermentos’ de las levaduras. 1897, Edward Buchner (los fermentos se pueden aislar de las levaduras). Fredrick W. Kühne (llamó a esos fermentos ‘enzimas”). 1926, James Sumner (ureasa, estructura proteica). 1930, John Northrop y Moses Kunitz- (pepsina,tripsina y quimotripsina). Ultimos 50 años (estructura y función). 1963- 1º Secuencia de aminoácidos ribonucleasa pancreática bovina A. 1965, 1º estructura Rx- lisozima de la clara de huevo de gallina. 1983.Sidney Altman y colaboradores. El ARN de la ribonucleasa P tiene actividad catalítica.

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 activacion 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.

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 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 n (GLUCOSA) ALMIDON PAPAS ENZIMAS ARROZ (GLUCOSA)n 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 Reorganizaciones internas 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 reaccion 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 Alcohol deshidrogenasa (EC 1.1.1.1) Clase - subclase - subsubclase - nº de orden Lactato 1 1 1 27 deshidrogenasa 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)

NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LAS ENZIMAS La mayoría de las ENZIMAS (E) son PROTEINAS (excepción: la ribozima) Las ENZIMAS tienen la capacidad de AUMENTAR LA VELOCIDAD de las reacciones, por ello se denominan CATALIZADORES BIOLOGICOS La sustancia sobre las cuales actúan se denominan SUSTRATO (S)

CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA SITIO DE UNION AL SUSTRATO (Sitio Activo) Uniones no Covalentes: Puente de hidrógeno Hidrofóbicas Electrostáticas NECESITAN DE FACTORES NO ENZIMATICOS: inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas) ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO. Estereoespecificidad y especificidad geométrica. SON REGULABLES: la síntesis de la proteína- enzima, su actividad y degradación.

REACCION ENZIMATICA E + S E + P Sustrato Enzima Complejo ES Enzima Producto

Ea de la reacción NO catalizada Diagrama de coordenadas de una reacción enzimática catalizada y sin catalizar Energía Libre (G) Estado de transición Ea de la reacción NO catalizada Ea de la reacción cat. Enz-S Enz-P S P Progreso de la reacción

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

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

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 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

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

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 mmol de S transformados/min ACTIVIDAD ENZIMATICA Unidades Internacionales (UI) (medida de velocidad) Actividad Específica Actividad enzimática (UI) por miligramo de proteína presente en la muestra Actividad Molar ó Numero de Recambio Moléculas de S convertidas en P por unidad de tiempo y por molécula de enzima UI = moles de S transformados min AE = UI mg de proteína Actividad molar = mol de enzima mmol de S transformados/min

ACTIVIDAD ESPECIFICA A B + Prot.Tot: ∑ + Prot.Tot: ∑ + Prot.Tot: ∑ D específica U.I.E. mgr de proteína = Activ. Enzimática Prot. totales Prot.Tot: ∑

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

Influencia del pH sobre la actividad enzimática pH óptimo 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

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

VARIACION DE LA VELOCIDAD DE REACCION CON LA CONCENTRACION DE SUSTRATO Vo [S] Leonor Michaelis y Maud Menten

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

INHIBICION ENZIMATICA POR ENLACE COVALENTE INHIBIDOR SUICIDA DIFP Quimotripsina INHIBICION IRREVERSIBLE Penicilina Transpeptidasa Alopurinol Xantina oxidasa COMPETITIVA NO COMPETITIVA ACOMPETITIVA INHIBICION REVERSIBLE

INHIBICION IRREVERSIBLE Por unión covalente del inhibidor - Acetilcolinesterasa - Quimotripsina Enzima inactivada Diisopropilfluorfosfato (DIPF)

INHIBICION IRREVERSIBLE Inhibidor suicida Se une al sitio activo de la enzima y ésta cataliza la modificación del inhibidor a otro compuesto que permanece unido a la enzima. El ALOPURINOL es un inhibidor suicida que actúa sobre la enzima xantina oxidasa (degradación de purinas). Se forma el oxopurinol el cual queda unido a la enzima.

Inhibidor competitivo Succinato + FAD+ Fumarato + FADH2 Succinato deshidrogenasa COO- (CH2)2 COO- CH2 Malonato

Inhibidor no competitivo

Inhibidor acompetitivo

REGULACION DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS REGULACION ALOSTERICA REGULACION POR PROTEINAS REGULACION POR PROTEOLISIS REGULACION COVALENTE ENZIMAS INDUCIBLES REGULACION DE LA SINTESIS DE LAS ENZIMAS

MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS ENZIMAS ALOSTERICAS ENZIMA ALOSTERICA MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS

Enzima 1 2 3 4

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS ALOSTERICAS Poseen un sitio de unión a un metabolito regulador (sitio alostérico) La unión del metabolito a la enzima es de carácter reversible y no covalente. Son homotrópicas o heterotrópicas. En general poseen dos o mas sitios reguladores. La mayoría posee dos o mas cadenas polipeptídicas o subunidades. En general tienen un comportamiento cinético sigmoideo

CINETICA DE UNA ENZIMA ALOSTERICA Curva Sigmoidea

Regulación de la actividad de la Aspartato transcarbamilasa (ATCasa) Aspartato (mM)

EJEMPLOS DE ENZIMAS ALOSTERICAS Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa y Piruvato Quinasa Vía glicolítica AcetilCoA carboxilasa Biosíntesis de lípidos Aspartato Transcarbamilasa Biosíntesis de nucleó- tidos pirimidínicos Glutamato Deshidrogenasa Degradación de aminoácidos Citrato sintasa, isocitrato y a-cetoglutarato deshidrogenasas Ciclo de Krebs

COOPERATIVIDAD COOPERATIVIDAD POSITIVA HOMOTROPICA HETEROTROPICA NEGATIVA

REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE POR UNION COVALENTE DE GRUPOS (FOSFATOS , ADENILATOS, ETC.) INTERVIENEN ENZIMAS: QUINASAS, FOSFATASAS LA UNION DEL GRUPO PUEDE ACTIVAR O INHIBIR LA ENZIMA POR UN CAMBIO CONFORMACIONAL Fosforilacion Enzima Enzima Fosfoadenilacion ADP-Ribosilación

Ejemplo de regulación covalente Fosforilasa fosfatasa 2 Pi 2 H2O Fosforilasa quinasa ATP ADP Fosforilasa b P -O-CH2 CH2- O- P Fosforilasa a (menos activa) (Cadena lateral de Ser) CH2- HO HO-CH2

REGULACION POR PROTEOLISIS Por eliminación de una cadena peptídica, enzimas inactivas se convierten en enzimas activas y viceversa. Las enzimas digestivas: pepsinógeno y quimotripsinógeno se convierten en las enzimas activas pepsina y tripsina. Suele ocurrir una activación secuencial produciéndose una cascada de activaciones. Ej. Coagulación sanguínea. ZIMOGENOS

REGULACION POR PROTEINAS Modifican la actividad de enzimas involucradas en el metabolismo celular. Por ej. Indirectamente activando o inhibiendo la actividad de la glutamina sintetasa. RNA polimerasa: Asn, Gln, Glu, Lys y Arg forman enlaces hidrógenos con las bases del DNA

ISOENZIMAS Diferentes formas moleculares de una misma enzima. Son sintetizadas por genes diferentes Tienen diferente composición aminoacídica por lo que pueden separarse por electroforesis. Catalizan la misma reacción, actuando sobre el mismo sustrato para dar el mismo producto

Dos isoenzimas presentan en general diferentes valores de Km y Vmáx. Se encuentran ubicadas en diferentes compartimentos de la célula ó en diferentes tejidos. Son utilizadas en clínica para determinar el origen del tejido dañado

Ejemplo de isoenzimas: Glucoquinasa y hexoquinasa Actividad enzimática Km. hexq Km. glucq [glucosa mmol/l

Lactato deshidrogenasa (LDH) Presenta 5 isoenzimas con distinta composición en cuanto a sus subunidades y c/u es específica de un tejido. H4 H3M H2M2 HM3 M4 M > Músculo H > Corazón