Tema 3 Biología Celular PDF

BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN Unidad Didáctica 3. Metabolismo celular BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 1 Unidad Didáctica 3 Guión de la Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos....

BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN Unidad Didáctica 3. Metabolismo celular BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 1 Unidad Didáctica 3 Guión de la Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 2 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Una de las tareas fundamentales de las proteínas es actuar como enzimas. Entendemos como enzimas: Moléculas de naturaleza en su mayoría proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles: una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible, pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad (por encima de un millón de veces) que sin la presencia de la enzima. Las enzimas se caracterizan por dos propiedades fundamentales: ▪ Aumentan la velocidad de las reacciones químicas sin ser consumidas o alteradas permanentemente por la reacción. ▪ Aumentan la velocidad de las reacciones químicas sin alterar el equilibrio entre sustratos y productos. Reacción cinética en ausencia de enzima Reacción cinética en presencia de enzima La reacción se acelera, pero el E S P equilibrio entre S y P no se altera. S P BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 3 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos El equilibrio de la reacción viene determinado por el estado energético final de S y P. Para que la reacción enzimática pueda producirse, sin embargo, el S debe convertirse primero en un estado de mayor energía, denominado estado de transición. La energía necesaria para alcanzar este estado de transición se denomina energía de activación, y constituye una barrera para el desarrollo de la reacción, limitando la velocidad de la reacción. Las enzimas actúan reduciendo la energía de activación, incrementando de este modo la velocidad de la reacción. Este incremento de velocidad es el mismo tanto en dirección directa como inversa, ya que ambas han de pasar por el mismo estado de transición. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 4 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos La actividad catalítica de las enzimas implica su unión a los sustratos para formar un complejo enzima- sustrato (ES). El sustrato se une a una región específica de la enzima, denominada lugar activo. Mientras está ligado al lugar activo, el sustrato se convierte en el producto de la reacción, que entonces se separa de la enzima. La enzima no se altera en el proceso de la reacción, si no que proporciona una superficie sobre la que las reacciones que conviertes S en P pueden tener lugar más fácilmente. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 5 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos La unión del S al sitio activo de una E es una interacción muy selectiva. Los S se ligan inicialmente al lugar activo mediante interacciones no covalentes, incluyendo enlaces de hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrófobas. Las reacciones enzimáticas pueden implicar a uno o varios S a la vez (por ejemplo, el enlace peptídico necesita de dos aminoácidos). Las E proporcionan un molde sobre el que se aproximan los S y se orientan correctamente para favorecer la formación del estado de transición en el que interactúan. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 6 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Modelos de la interacción E-S Las E aceleran las reacciones alterando la conformación de los S para acercarse al estado de transición. El modelo más sencillo de interacción E-S es el modelo de la llave y la cerradura en el que el S encaja perfectamente en el sitio activo de la E. Modelo de ajuste inducido: las configuraciones tanto de la E como del S son modificados por la unión del S. El estrés producido por esta distorsión en el S puede facilitar aun más su conversión hasta alcanzar su estado de transición debilitando enlaces cruciales. Además, el estado de transición se estabiliza por la estrecha unión con la E, disminuyendo de este modo la energía de activación requerida. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 7 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Principales tipos de enzimas BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 8 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Mecanismo catalítico de las serín proteasas La quimotripsina es un miembro de la familia de E de las serín proteasas, que digieren las proteínas catalizando la hidrólisis de los enlaces peptídicos: Proteína + H2O → Péptido1 + Péptido2 Otros miembros de la familia de las serín proteasas incluyen: la tripsina, elastasa y trombina. La quimotripsina digiere enlaces adyacentes a aa. hidrófobos (Trp y la Phe). La tripsina digiere enlaces adyacentes a aa. básicos (Lys y Arg). Los sitios activos de estas E contienen 3 aa. cruciales: Ser, His y Asp que conducen la hidrólisis del enlace peptídico. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 9 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Mecanismo catalítico de la quimotripsina 1 2 BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 10 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Mecanismo catalítico de la quimotripsina 3 4 BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 11 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Mecanismo catalítico de la quimotripsina 5 6 BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 12 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Además de unir a sus S, los lugares activos de muchas E ligan otras pequeñas moléculas que participan en la catálisis. Apoproteína Estructura de una Un grupo prostético es el componente proteína (citocromo) con un grupo no aminoacídico que forma parte de la prostético representado en rojo estructura de las hetero proteínas o proteínas conjugadas, estando unido covalentemente a la apoproteína (la parte proteica que compone una proteína conjugada). Varias moléculas orgánicas de bajo peso molecular, participan en tipos específicos de reacciones enzimáticas. Estas moléculas se denominan Coenzimas porque trabajan junto con las E para aumentar la velocidad de reacción (Holoenzimas). BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 13 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Coenzimas Las coenzimas sirven como transportadores de distintos tipos de grupos químicos. Ej. Nicotinamín adenin dinucleótido (NAD+), que funciona como transportador de electrones en reacciones oxido- reducción. El NAD+ puede aceptar un ion de H (H+) y 2 e- de un sustrato, formando NADH. El NADH puede donar estos electrones a un segundo S, reformando NAD+. De este modo el NAD+ transfiere electrones del primer S (que se oxida) al segundo (que se reduce). BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 14 Unidad Didáctica 3 3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Coenzimas BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 15 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Coenzimas Otras coenzimas también actúan como transportadores de electrones, e incluso otras están implicadas en la transferencia de una gran variedad de grupos químicos adicionales. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 16 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Regulación de la actividad enzimática La actividad de las enzimas no es constante, sino que su actividad está modulada, en función de los requerimientos celulares en cada momento. La inhibición por retroalimentación constituye un tipo frecuente de regulación de la actividad enzimática, en el que el producto de una vía metabólica inhibe la actividad de una de las enzimas implicadas en su síntesis. El aumento de la concentración del P sintetizado actúa inhibiendo la E de la ruta metabólica y deteniendo, por tanto, su síntesis. Cuando el P disminuye su concentración, las posibilidades de interaccionar con la E disminuyen y permiten que de nuevo la E sea activa. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 17 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Regulación de la actividad enzimática La regulación alostérica, representa un ejemplo de regulación por retroalimentación. La actividad enzimática se controla por la unión de moléculas pequeñas en lugares reguladores de la E. La regulación no se produce en el mismo sitio activo o catalítico, si no en otro sitio de la molécula (‘allo’ = otro y ‘steric’ = sitio). La unión de la molécula reguladora cambia la conformación de la proteína, lo que a su vez altera la forma del sitio activo y la actividad catalítica de la enzima. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 18 Unidad Didáctica 3  3.1 Papel central de las enzimas como catalizadores biológicos Regulación de la actividad enzimática Las actividades de las E también pueden ser reguladas por sus interacciones con otras proteínas y por modificaciones covalentes, como la adición de grupos fosfato a residuos (adrenalina) de Ser, Thr o Tyr. La fosforilación es un mecanismo frecuente de regulación enzimática; la adición de grupos fosfato puede estimular o inhibir la actividad de muchas enzimas. BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN 19 Unidad Didáctica 3