Download Entender la organización del metabolismo supone, al menos

Universidad de Chile
Programa Académico de Bachillerato
Metabolism is a network (a web) structured
by interconnected transformations (chemical
reactions) organized into interdependent
reactions),
metabolic pathways
Eduardo Kessi C.
Departamento de Ciencias Biológicas Animales
Facultad de Ciencias Veterinarias y Pecuarias
Universidad de Chile
[email protected]
Entender la organización del metabolismo
supone, al menos, contestar dos preguntas
Los organismos, y las células, son capaces
de transformar diferentes tipos de energía
¿Cómo los organismos, o las células, extraen
energía y poder reductor desde el medio?
¿Cómo los organismos, o las células, sintetizan
los monómeros que constituyen sus macromo
macromo-léculas, y las macromoléculas mismas?
La energía calórica NO es una forma
de energía útil para los seres vivos
1
el ladrillo en altura tiene
energía potencial debido
a la fuerza de gravedad
el ladrillo cayendo
tiene energía cinética
cuando el ladrillo
choca con el piso
se libera calor
fotosíntesis
luz solar
energía potencial
batería
energía cinética
energía calórica
clorofila
excitada
energía luminosa
energía de enlace
motor
cables
dos moléculas
molécula de
de hidrógeno gas oxígeno gas
ventilador
energía de enlace
clorofila
energía eléctrica
.
energía cinética
energía de enlace en H2 y O2
Las dos moléculas de agua
formadas vibran y rotan
rápidamente
energía cinética
el calor se disipa
al ambiente
energía calórica
Algunas de las vías metabólicas
y sus interconecciones en una
célula típica. El esquema
muestra alrededor de 500
transformaciones metabólicas.
Cada molécula en una vía
metabólica (un metabolito) se
representa por un círculo
La estructura del citoplasma. El esquema (aproximadamente a escala) resalta el enorme
volumen ocupado por las macromoléculas. Los RNAs se muestran en azul, los
ribosomas en verde y las proteínas en rojo. Las enzimas y otras macromoléculas
difunden lentamente en el citoplasma lo que se debe, en parte, a sus interacciones con
otras macromoléculas; los metabolitos pequeños en cambio difunden a una velocidad
cercana a su velocidad de difusión en agua
2
moléculas en
los alimentos
Catabolismo
las diversas
moléculas que
estructuran la
célula
Anabolismo
formas
útiles de
energía
VÍAS
CATABÓLICAS
VÍAS
ANABÓLICAS
Las relaciones entre las vías
catabólicas y anabólicas en
el metabolismo. Debido a
que una parte importante
de la energía contenida en
los enlaces que estructuran
a las moléculas de los
alimentos se disipa
p como
calor, la masa de alimento
que requiere un organismo
que obtiene toda su energía
del catabolismo es mucho
mayor que la masa de
moléculas que se produce
mediante el anabolismo.
los diversos “bloques” de construcción”
necesarios para la biosíntesis
GRASAS
ácidos grasos
y glicerol
POLISACÁRIDOS PROTEÍNAS
glucosa y otros
azúcares
aminoácidos
La extracción de
energía
Acetil-CoA desde los
combustibles
CoA
puede
p
describirse
ciclo de
2CO
enKrebs
tres etapas
2
8 e-
molécula
A
B
enzima 1
La extracción de energía
desde los combustibles
puede describirse en tres
etapas
molécula
molécula
C
enzima 2
molécula
D
enzima 3
molécula
E
enzima 4
F
enzima 5
se abrevia de la siguiente forma
O2
fosforilación
oxidativa
H2O
ATP
molécula
Un conjunto de reacciones catalizadas por enzimas generan una vía metabólica.
Cada enzima cataliza una reacción química particular. En el ejemplo un conjunto
de enzimas “conectadas” serialmente catalizan la conversión de la molécula A en la
molécula F, estructurando una vía metabólica.
3
Una vía metabólica
es un conjunto
((unidireccional)) de
reacciones que son
catalizadas por
(iso)enzimas específicas
energía libre
(A) Oxidación por etapas (células)
Azucar
+
O2
(B) Oxidación directa
energía de
activación
pequeña
Azucar
+
O2
moléculas
transportadoras
activadas
CO2 + H2O
energía de
activación
grande
toda la
energía
libre se
pierde
como calor
l
CO2 + H2O
coordenada de reacción
Comparación entre la oxidación de un azucar por etapas (en la célula) y su combustión
directa. (A) En la célula, un conjunto de enzimas cataliza la oxidación mediante una
serie de etapas en las que la energía libre se transfiere a moléculas transportadoras
(habitualmente ATP y NADH). La diferencia de enrgía libre es exactamente la misma en
(A) que en (B). Si el azucar se oxida directamente hasta CO2 y H2O en una sola etapa
(B), se liberaría una cantidad de energía libre mayor que la que puede ser usada.
energía
Una reacción
termodinámicamente
desfavorable puede ser
impulsada por una reacción
favorable
Analogía de la catálisis enzimática y los flotadores. Un río ramificado y un
conjunto de barreras que obstruyen el flujo (en amarillo) ilustran como una serie
de reacciones catalizadas por enzimas determinan la vía precisa de
transformaciones que una molécula experimenta en una célula
4
El cambio de energía libre puede
usarse para predecir la dirección
en que ocurrirá una determinada
reacción química en las
condiciones intracelulares
5
ENERGÍA
ENERGÍA
molécula que
la célula necesita
molécula de
alimento
reacción
energéticamente
favorable
ENERGÍA
molécula de alimento molécula transportadora
activada
oxidada
CATABOLISMO
reacción
energéticamente
desfavorable
El ATP es la “moneda”
universal de intercambio de
energía libre en los seres vivos
molécula disponible
en la célula
ANABOLISMO
Trasferencia de energía y la función de los transportadores activados en el
metabolismo. Actuando como lanzaderas, las moléculas trasportadoras activadas
sirven como conectores entre el desdoblamiento de las moléculas de alimento y la
liberación de energía (catabolismo) y los procesos de biosíntesis de metabolitos y
macromoléculas (anabolismo) que requieren energía
La hidrólisis del ATP impulsa el
metabolismo desplazando el
equilibrio de reacciones acopladas
El sistema ATP → ADP + Pi se
encuentra en una posición lejana
del equilibrio
Movimiento
Transporte activo
Biosíntesis
Amplificación de señales
La oxidación de
combustibles
carbonados es
una fuente
importante de
energía
Oxidación de moléculas
combustibles
o
Fotosíntesis
6
Glucosa-6-fosfato
piruvato
acetil CoA
La glicolisis y el ciclo de Krebs
como
vías
centrales
del
metabolismo. Se muestran unas
500 reacciones de una célula
típica destacando la glicolisis y el
ciclo de Krebs en rojo. El resto de
las reacciones se conectan a estas
dos vías centrales alimentandolas
con moléculas pequeñas que se
catabolizan con producción de
energía, o para la produción de
las moléculas necesarias para las
reacciones de biosíntesis
Los procesos metabólicos se regulan
de tres maneras principales
Cantidad de enzima
Actividad de la enzima
Disponibilidad de los sustratos
Esquema de todas las reacciones metabólicas conocidas que implican
metabolitos pequeños en levaduras. Las reacciones de la glicolisis y del ciclo de
Krebs se destacan en rojo. Este mapa metabólico es poco usual en el sentido de
hacer uso de tres dimensiones para resaltar las variadas interacciones entre
vías metabólicas (H. Jeong, S.P. Mason, A-L. Barabási and N. Oltava, Nature
411:41 42, 2001.)
Las hormonas coordinan las
relaciones metabólicas entre tejidos
El transporte de metabolitos ( y de
enzimas)) entre compartimientos
p
es
otro elemento de regulación
La compartimentación segrega
vías de sentido opuesto
7
CATALIZADOR
Una sustancia que acelera una reacción química sin que
sea requerida por la estequiometría de la reacción
ENZIMAS
En todos los organismos
vivos las transformaciones
metabólicas son catalizadas
por enzimas
Proteínas con actividades catalíticas que actúan acelerando una
reacción normalmente lenta (tanto que su velocidad es
indetectable), pero que es una reacción teóricamente (y
termodinamicamente) posible
EFICIENTES
ESPECÍFICAS
REGULABLES
Algunos elementos inorgánicos que
sirven como cofactores de enzimas
APOENZIMA
termolábil
ENZIMA
COENZIMA
termoestable
(cofactor)
(grupo prostético)
Elemento
Enzima
Cu2+
Fe2+ o Fe3+
K+
Mg
g2+
Citocromo oxidasa
Citocromo oxidasa, Catalasa, Peroxidasa
Piruvato quinasa
Hexoquinasa, glucosa 6
6-fosfatasa,
fosfatasa, Piruvato
quinasa
Arginasa, Ribonucleótido reductasa
Μn2+
Mo
Ni2+
Se
Zn2+
Dinitrogenasa
Ureasa
Glutatión peroxidasa
Anhidrasa carbónica, Alcohol
deshidrogenasa, Carboxipeptidasas A y B
8
Algunas coenzimas que sirven como trasportadores
transitorios de átomos específicos o grupos funcionales
Grupo químico Precursor (dieta
que Transfiere mamíferos)
Biocitina
Coenzima A
CO2
Grupos acilo
5’-desoxiadenosil cobalamina
(coenzima B12)
FAD
Lipoato
NAD
Piridoxal fosfato
Tetrahidrofolato
Tiamina pirofosfato
S
Átomos de H y
grupos alquilo
Electrones
Electrones y
grupos acilo
Ión hidruro (:H-)
Grupos amino
Unidades de un
átomo de carbono
aldehidos
k1
k2
Biotina
Ácido pantoténico y
otros compuestos
Vitamina B12
EFICIENCIA
Riboflavina (B2)
No se requiere en la
dieta
Ácido nicotínico
Piridoxina (B6)
Ácido fólico
Tiamina (B1)
Estado de transición ( )
P
V = k1[S] – k2[P]
Energgía libre, G
Coenzima
S
Estado basal
P
Estado basal
Coordenada de reacción
9
Energgía libre, G
Estado de transición ( )
no cat
no catalizada
Cantidad de prooducto (B) formado
Coordenada de reacción
Catálisis de la reacción 1
Analogía de los flotadores para la catálisis enzimática. Las cuatro paredes de la caja
representan las barreras de la energía de activación para cuatro reacciones químicas
diferentes, todas termodinámicamente posibles (los productos respectivos tienen un
contenido de energía menor que los sustratos). En la caja de la izquierda ninguna de
las cuatro reacciónes posibles ocurre, debido a que aun las olas más grandes no son de
una magnitud suficiente para sobrepasar alguna de las barreras. En la caja de la
derecha una enzima baja específicamente la energía de activación de la reacción 1
Las enzimas disminuyen el valor
de la Energía de Activación (E a)
Con enzima
(catalizada)
Reacción
Reacción: A → B
Sin enzima
(no catalizada)
Catalizador
Descomposición del H 2O2 Ninguno
Platino
Catalasa hepática
E a (cal/mol)
18.000
13.500
2.000
Hidrólisis de la sacarosa
Protones (H+)
Invertasa de levadura
26.000
11.500
Hidrólisis de caseína
Protones (H+)
Invertasa de malta
Tripsina
20.600
13.000
14.000
Tiempo
10
Números de recambio (kcat) de algunas enzimas
kcat (s-1)
Reacción
Sustrato
Catalasa
Anhidrasa carbonica
Acteilcolinesterasa
β-lactamasa
H2O2
HCO 3Acetilcolina
Benzilpenicilina
Fumarasa
proteína RecA ( ATPasa)
Fumarato
ATP
40,000,000
400,000
140 000
140,000
2,000
800
0.4
Enzimas para las que kcat / Km es cercano al límite
controlado por la difusión (108 to 109 M-1 s-1)
Enzima
Sustrato
kcat
(s-1)
Km
(M)
kcat / Km
(M-1 s-1)
Acteilcolinesterasa
Acetilcolina
Anhidrasa carbónica CO2
HCO3Catalasa
H2O2
Crotonasa
Crotonil-CoA
Fumarasa
Fumarato
Malato
Benzilpenicilina
β-lactamasa
1.4 x 104
1.0x 106
4.0 x 105
4 0 x 107
4.0
5.7 x 103
8.0 x 102
9.0 x 102
2.0 x103
9.0 x 10-5
1.2 x 10-2
2.6 x 10-2
1 1 x 100
1.1
2.0 x 10-5
5.0 x 10-5
2.5 x 10-5
2.0 x 10-5
1.6 x 108
8.3 x 107
1.5 x 107
4 0 x 107
4.0
2.8 x 108
1.6 x 108
3.6 x 107
1.0 x 108
Triosa fosfato
isomerasa
4,3 x 103
4.7 x 10-4
2.4 x 108
GAP
Eficiencia catalítica de algunas enzimas
Enzima
kcat / kno cat
β− amilasa de camote
7.2 x 1017
Orotidina-5’-fosfato descarboxilasa
Fumarasa
Mandelato racemasa
Carboxipeptidasa B
AMP nucleosidasa
Adenosina deaminasa
1.4 x 1017
3.5 x 1015
1.7 x 1015
1.3 x 1013
6.0 x 1012
2.1 x 1012
dipeptidasa de tumor ascítico
Citidina deaminasa
Cetoesteroide isomerasa
Fosfotriesterasa
Triosafosfato isomerasa
Anhidrasa carbónica
Corismato mutasa
Ciclofilina (rotamasa)
Anticuerpos catalíticos
ESPECIFICIDAD
12
1.2 x 10
1.2 x 1012
3.9 x 1011
2.8 x 1011
1.0 x 109
7.7 x 106
1.9 x 106
4.6 x 105
102 - 105
11
Clasificación internacional de las enzimas
Nº Clase
1
2
3
4
5
6
A
Tipo de reacción catalizada
Oxidorreductasas Transferencia de electrones (iones hidruro o átomos de H)
Transferasas
Reacciones de transferencia de grupos
Hidrolasas
Reacciones de hidrólisis (transferencia de grupos funcionales
al agua)
g )
Liasas
Adición de grupos a dobles enlaces, o formación de dobles
enlaces por remoción de grupos
Isomerasas
Transferencia de grupos dentro de moléculas para producir
formas isoméricas
Ligasas
Formación de enlaces C-C, C-S, C-O and C-N mediante
reacciones de condensación acopladas a ruptura de ATP
enzima
A
EA
EA
B
B
EB
EB
EC
C
EC
D
E
ED
EE
E
F
E
C
EC
D
D
enzima
sitio activo
CATÁLISIS
molécula A
(sustrato)
complejo
enzima-sustrato
complejo
enzima-producto
molécula B
(producto)
Como funcionan las enzimas. Cada molécula de enzima tiene un sitio activo al cual
se une el sustrato (o los sustratos) formandose un complejo enzima-sustrato. La
reacción ocurre en el sitio activo de modo que se produce un complejo enzimaproducto. El producto abandona el sitio activo lo que permite que la enzima pueda
unir una nueva molécula de sustrato
El sitio de activo de una enzima involucra residuos distantes. Los aminóacidos
que se muestran en color (A) forman parte del sitio activo de la lisozima. Una representación esquemática de la estructura primaria de la enzima (B) muestra que los
aminoácidos que conforman el sitio activo se encuentran en diferentes partes de la
cadena polipeptídica.
12
Modelo llavellave-cerradura
Modelo de ajuste inducido
Sustrato
Sustrato
Sitio
activo
Complejo
Enzima-Sustrato
Complejo
Enzima-Sustrato
Enzima
(a) Sin enzima
Sustrato
(barra de metal)
Estado de transición
(barra curvada)
Productos
(barra rota)
Energía libre, G
Enzima
+
(b) Enzima complementaria al sustrato
glucosa
glucosa-6-fosfato
La reacción catalizada por hexoquinasa. La primera etapa en el desdoblamiento
de la glucosa, consiste en la transferencia de un grupo fosfato desde el ATP a la
glucosa para producir glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfato es procesada luego
a través de una secuencia de reacciones catalizadas por diferentes enzimas, (una
vía metabólica) conocida con el nombre de glicolisis.
Energía libre, G
(c) Enzima complementaria al estado de transición
ADP
hexoquinasa
En
nergía libre, G
Magnetos
+
ATP
Coordenada de reacción
13
dominio 1
Glucosa-6-fosfato
Glucosa-6-fosfato
deshidrogenasa
glucosa
6-Fosfogluconato
Fosfoglucomutasa
Fosfoglucosa
isomerasa Glucosa-1-fosfato
Fructosa-6-fosfato
CERRADO
ABIERTO
Las tres enzimas reconocen al mismo sustrato
pero catalizan tres reacciones diferentes
dominio 2
La union de glucosa causa un cambio en la conformación en la
hexoquinasa. Las líneas indican el recorrido del esqueleto polipeptídico de la
hexoquinasa. Las estructuras se determinaron por difracción de rayos X
usando cristales de la proteína obtenidos en presencia y ausencia de glucosa.
La union de glucosa induce el cambio de conformación abierta a conformación
cerrada.
E +
S
k1
k2
Especificidad
E
ifi id d
en el
reconocimiento
(unión)
[ES]
k3
k4
E +
ESPECIFICIDAD EN EL RECONOCIMIENTO
ESPECIFICIDAD EN LA ACTIVIDAD
P
Especificidad
E
ifi id d
en la
actividad
(catálisis)
V0 =
Vmax
a [S]
Km + [S]
14
Pendiente =
1
V0
=
Km
Vmax
Km
Vmax[S]
Km para algunas enzimas y sustratos
Enzima
1
+V
max
Sustrato
Km (mM)
Catalasa
H2O2
Hexoquinasa (cerebro) ATP
D-Glucosa
DF
D-Fructosa
Anhidrasa carbonica
HCO3Quimotripsina
Gliciltirosinilglicina
N-Benzoiltirosinamida
D-Lactosa
β-Galactosidasa
25
0.4
0.05
15
1.5
26
108
2.5
4.0
Treonina dehidratasa
5.0
L-Treonina
enzima activa
REGULACIÓN
inhibidor
transición
“difícil”
sustrato
Cantidad de la enzima
Actividad de la enzima
transición
“fácil”
Una transición alostérica cooperativa. El esquema ilustra
como la conformación de una subunidad puede influir en la
de una subunidad vecina en una proteína simétrica
compuesta de dos subunidades. La union de una molécula de
inhibidor (amarillo) a una subunidad de la enzima ocurre con
dificultad debido a que cambia la conformación de esta
subunidad, alterando de este modo la simetría de la enzima;
sin embargo, una vez que este cambio conformacional se ha
producido la estabilización que se produce al restaurar la
producido,
simetría de la enzima hace especialmente fácil para la
segunda subunidad unir la siguiente molécula de inhibidor y
experimentar el mismo cambio conformacional que la
primera. Debido a que la unión de la primera molécula de
inhibidor aumenta la afinidad con la cual la otra subunidad
une al mismo ligando, la respuesta de la enzima a los
cambios en la concentración de ligando (inhibidor en este
caso) es mucho más pronunciada que la de una enzima
monomérica.
enzima inactiva
15
aspartato
A
C
B
X
inhibición por
retroalimentación
Y
Inhibición por retroalimentación de una vía biosintética. Cada letra representa un
metabolito distinto, en tanto
que cada flecha negra denota
una reacción catalizada por
da por una enzima diferente.
El producto final Z inhibe a
la primera enzima comprometida en su síntesis, controlando de esta manera su propio
nivel de concentración en la
célula. Este es un ejemplo
de retroalimentación negativa.
aspartil
fosfato
semialdehído
aspartico
homoserina
lisina
treonina
Inhibición por retroalimentación de la
síntesis de los aminoácidos lisina,
metionina, treonina e isoleucina en
bacterias. Cada reacción catalizada por
una enzima está representada por una
flecha negra, mientras que las flechas
rojas indican las etapas en que los
productos inhiben la actividad de las
enzimas. La etapa inicial es catalizada por
tres enzimas diferentes (isoenzimas), y
cada una de ellas es inhibida por un
producto diferente.
Z
metionina
isoleucina
Enzima menos activa: estado T
subunidades
regulatorias
subunidades
catalíticas
CTP
6 CTP
6 CTP
Transición entre los estados R y T
en la aspartato transcarbamilasa.
La enzima está formada por un
conjunto de seis subunidades
catalíticas y seis subunidades
regulatorias; las estructuras de los
estados T y R se han determinado
por cristalografía de rayos X. La
enzima es desactivada cuando las
concentración de CTP aumenta.
Cada subunidad regulatoria puede
unir una molécula de CTP, que es
uno de los productos finales de la
vía. Así, por medio de esta
retroalimentación negativa, se evita
que la vía produzca más CTP que el
necesario para la célula.
Aspartato transcarbamilasa
5 nm
Enzima activa: estado R
16
V0 (μM/min)
Vmax
- CTP
CTP + ATP
+ CTP
1
2 Vmax
EL LADO OSCURO
DE LAS
10
20
ENZIMAS...
30
S0.5=12 mM S0.5=23 mM
[Aspartato], mM
Algunas enfermedades genéticas asociadas a
la ausencia o defecto en una ezima o proteína
Algunas enfermedades genéticas asociadas a
la ausencia o defecto en una ezima o proteína
Enfermedad
Fibrosis quística
Efectos fisiológicos
Secreción anormal en los
pulmones, pancreas, glándulas
salivales; enfermedad
pulmonar crónica que
generalmente conduce a la
muerte en niños y jóvenes
Síndrome de Lesch-Nyan Defectos neurológicos,
automutilación, retardo mental
Inmunodeficiencia
Pérdida severa de la respuesta
inmune
Inmunodeficiencia
Pérdida severa de la respuesta
inmune
Enfermedad de Gaucher Erosión de huesos, articulación
de la cadera, a veces daño
cerebral
Enzima o proteína
Canal de cloruro
Hipoxantina guanina
fosforibosil transferasa
Purina nucleósido
fosforilasa
Adenosina desaminasa
Glucocerebrosidasa
Enfermedad
Efectos fisiológicos
Enzima o proteína
Gota (primaria)
Sobre producción de ácido úrico Fosforibosil pirofosfato
que resulta en ataques recurrentes
sintetasa
de artritis aguda
Raqutismo dependiente de
25-hidroxicolecalciferolvitamina D
Estatura baja, convulsiones
1-hidroxilasa
Ateroesclerosis resultante de
Hiperoclesterolemia
Purina nucleósido
familar
concentraciones elevadas de
fosforilasa
colesterol en la sangre; a veces
muerte prematura por falla
cardíaca
Enfermedad de Tay-Sachs Debilidad motora, deterioro
Hexosa aminidasa A
mental, muerte a los 3 años app.
Anemia falciforme
Dolor, hinchazón en manos y
Hemoglobina
pies; puede conducir a dolor
súbito y severo en huesos o
articulaciones, muerte
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USO DE ENZIMAS EN DIAGNÓSTICO
ENFERMEDADES HEPÁTICAS
... Y COMO
COMO HEMOS
APRENDIDO A USARLAS
Fosfatasa alcalina
γ-glutamiltransferasa
Aspartato aminotransferasa
Alanina aminotransferasa
ENFERMEDADES CARDÍACAS
Creatina quinasa
Lactato deshidrigenasa
Aspartato aminotransferasa
USO DE ENZIMAS PARA DETERMINAR
CONCENTRACIÓN DE METABOLITOS
USOS BIOTECNOLÓGICOS DE ENZIMAS
Proceso (producto)
Metabolito
Enzima
Glucosa (sangre)
Hexoquinasa, Glucosa oxidasa, Glucosa
deshidrogenasa
Urato oxidasa
Ureasa
Colesterol oxidasa
Glicerol quinasa + Piruvato quinasa +
Lactato deshidrogenasa
Ácido úrico
Urea
Colesterol
Τriacilglicéridos
Bebidas alcoholícas
Pan
Quesos
Ablandadores de carne
Edulcorantes
Clarificación de cerveza,
vino y jugos de fruta
Detergentes
Enzima usada
Amilasas
α y β amilasas
Quimosina,(coagulación de la leche)
Proteasas (papaina, tripsina, quimotripsina)
Glucosidasas, Xilosa isomerasa
Amilasas o Poligalacturonasas
Amilasas, Proteasas neutras y alcalinas
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