1 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

2 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

3 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.

4 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.

5 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). º 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.

6 Energía de activación de una reacciónCatalizador 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

7 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.

8 Ningún organismo puede vivir sin ENZIMASLa 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

9 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.

10 Ejemplos de transformaciones mediadas por enzimasTransformación de moléculas complejas en moléculas simples y viceversa ENZIMAS PAN n (GLUCOSA) ALMIDON PAPAS ENZIMAS ARROZ (GLUCOSA)n GLUCOGENO

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

12 Tipos de reacciones catalizadas por enzimasOxido-reducción Rotura y formación de enlaces C-C Reorganizaciones internas Transferencia de grupos Reacciones de condensación

13 DENOMINACION DE LAS ENZIMASAl 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 ) Clase subclase subsubclase nº de orden

14 Cómo se clasifican las enzimas???1-OXIDORREDUCTASAS Alcohol deshidrogenasa (EC ) Clase subclase subsubclase nº de orden Lactato deshidrogenasa 2. TRANSFERASAS Hexoquinasa (EC )

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

16 NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LAS ENZIMASLa 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)

17 CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMASESTRUCTURA 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.

18 REACCION ENZIMATICA E + S E + P Sustrato Enzima Complejo ES EnzimaProducto

19 Ea de la reacción NO catalizadaDiagrama 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

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

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

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

23 VITAMINAS-COENZIMAS Niacina NAD, NADP Ion Hidruro (:H -) PDH GADRiboflavina (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

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

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

26 moles de S transformados mmol de S transformados/minACTIVIDAD 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

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

28 Factores que afectan la actividad enzimáticapH Temperatura Concentración de Enzima Concentración de Sustrato

29 Influencia del pH sobre la actividad enzimáticapH óptimo pH

30 Ejemplos de enzimas con diferentes pH óptimos

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

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

33 VARIACION DE LA VELOCIDAD DE REACCION CON LA CONCENTRACION DE SUSTRATOVo [S] Leonor Michaelis y Maud Menten

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

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

36 INHIBICION IRREVERSIBLEPor unión covalente del inhibidor - Acetilcolinesterasa - Quimotripsina Enzima inactivada Diisopropilfluorfosfato (DIPF)

37 INHIBICION IRREVERSIBLEInhibidor 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.

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

39 Inhibidor no competitivo

40 Inhibidor acompetitivo

41 REGULACION DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMASREGULACION 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

42 MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOSENZIMAS ALOSTERICAS ENZIMA ALOSTERICA MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS

43 Enzima 1 2 3 4

44 PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS ALOSTERICASPoseen 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

45 CINETICA DE UNA ENZIMA ALOSTERICA Curva Sigmoidea

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

47 EJEMPLOS DE ENZIMAS ALOSTERICASHexoquinasa, 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

48 COOPERATIVIDAD COOPERATIVIDAD POSITIVA HOMOTROPICA HETEROTROPICANEGATIVA

49 REGULACION POR MODIFICACION COVALENTEPOR 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

50 Ejemplo de regulación covalenteFosforilasa 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

51 REGULACION POR PROTEOLISISPor 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

52 REGULACION POR PROTEINASModifican 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

53 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

54 Dos isoenzimas presentan en generaldiferentes 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

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

56 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