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QUÍMICA BIOLÓGICAQUÍMICA BIOLÓGICA
LIC. NUTRICIÓNLIC. NUTRICIÓN
2014
PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN LIC. NUTRICIÓNLIC. NUTRICIÓN QCA. BIOLÓGICAQCA. BIOLÓGICA
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Tema 1: Introducción a la Bioquímica de la Nutrición. Objeto de estudio. Relación con otras ramas de las ciencias biológicas y de la salud. Compuestos constituyentes de la materia viva. Función de los nutrientes y otros componentes dietéticos en la nutriciónConcepto de Metabolismo. Anabolismo y catabolismo. Vías, ciclos y cascadas metabólicas.
Enzimas. Caracteres generales. Nomenclatura y clasificación. Coenzimas. Cinética enzimática. Factores que afectan la actividad enzimática: temperatura, pH, concentración de enzima y concentración de sustrato. Ecuación de Michaelis-Menten. Inhibición de enzimas: competitiva y no competitiva. Regulación enzimática: compartimentalización, enzimas alostéricas, modificación por unión covalente. Isoenzimas. Zimógenos.
La La Actividad Actividad de una enzima puede de una enzima puede determinarse midiendodeterminarse midiendo
La cantidad de producto que se forma
ó
La cantidad de sustrato que se consume
En un tiempo dado
En una mezcla que contenga todos los factores requeridos para la reacción
¿Cómo se mide la Actividad de una Enzima?
[S] + E [ ES ] E + [P]
ACTIVIDAD ENZIMÁTICAACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Formas de expresar la Actividad de una Enzima• Unidades Internacionales (UI)
Cantidad de enzima que cataliza la transformación de
1 mol de S por minuto
• Actividad Molecular ó Numero de Recambio Moléculas de S convertibles en P por unidad de tiempo y por molécula de enzima
U.I.E. =mol de S transformados
min(1 katal = 6 x 107 U.I.E.)
Actividad molecular = Mol de enzima
mol de S transformados/min
+ +Prot.Tot: ∑ + +Prot.Tot: ∑ +
AB
+Prot.Tot: ∑
Prot.Tot: ∑
D
Actividad específica
U.I.E.
mgr de proteína= =
Activ. Enzimática
Prot. totales
Actividad Específica Actividad enzimática por cada miligramo de proteína presente en la muestra
¿Qué cambios ocurren ¿Qué cambios ocurren en las reacciones enzimáticas?en las reacciones enzimáticas?
Las transformaciones químicas en los sistemas biológicos se acompañan de cambios energéticos.
Conocer estos cambios permite entender la lógica y sentido del METABOLISMO celular.
Los seres vivos requieren y utilizan la energía de su entorno, para realizar trabajo.
Energía libre Energía libre (G) (G) (Energía de Gibbs): es la fracción de la energía liberada en las reacciones bioquímicas que es disponible para realizar trabajo útil (mecánico, químico, osmótico)
Si se determina el cambio de G cambio de G (G), se puede predecir el sentido de una reacción química, si ocurrirá espontáneamente o no.
Si los Reactivos tienen mayor energía que los Productos
Si G del sistema disminuye (- G) La reacción es exergónica, se libera energía
durante la reacción
Si los P tienen más energía que los Reactivos Si G del sistema aumenta (+G) La reacción es endergónica, necesita energía
para que ocurra
Reacción espontánea
Reacción NO espontánea
Diagrama de coordenadas de una reacción catalizada y sin catalizar
P
Energía de activación de la reacción NO catalizada
S
Energía Libre (G) Estado de transición o de activación
Progreso de la reacción
Energía de activación de
la reacción CATALIZADA
(por una Enzima)
Enz-S Enz-P
Energía de activación (Ea): Energía de activación (Ea): es la energía necesaria para alcanzar el estado activado
El estado de transición o barrera de activación, representa los cambios que se generan en la molécula del S.
Es por esto que las reacciones sin catalizar tienden a ser muy lentas.
Todas las moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso en el interior de las células.
Todas las reacciones químicas celulares se llevan a cabo porque las enzimas actúan disminuyendo la las enzimas actúan disminuyendo la barrera energética entre el S y el P.barrera energética entre el S y el P.
Las enzimas actúan disminuyendo la EaLas enzimas actúan disminuyendo la Ea
Factores que afectan la Actividad Enzimática
• Concentración de EnzimaConcentración de Enzima
• pHpH
• TemperaturaTemperatura
• Concentración de SustratoConcentración de Sustrato
Efecto de la concentración de Enzima Efecto de la concentración de Enzima sobre la Actividad Enzimática
[E]
Vo
Concentración saturante de sustrato, pH y T°C constantes
Se establece la relación entre Cantidad y Actividad de enzima
Velocidad de reaccióndirectamente proporcional a la concentración de enzima
pH óptimo
6 8
pH óptimo es aquel en el cual el estado de disociación de los grupos esenciales es el más apropiado para interaccionar en el complejo ES
• Los cambios del pH del medio afectan el estado de ionización de grupos funcionales de las moléculas de E y S.
• Para la formación del [ES] es necesaria una correcta distribución de las cargas en ambas moléculas
• Concentración de sustrato, E y Concentración de sustrato, E y T°C constantesT°C constantes
Ejemplos de enzimas con diferentes pH óptimoEjemplos de enzimas con diferentes pH óptimo
Influencia de la TemperaturaInfluencia de la Temperatura sobre la Actividad Enzimática
Temperatura(°C)
Actividad enzimática
Temperatura óptima a
ctivi
dad
por
d
e la
te
mpe
ratu
raDesnaturalización
por temperatura
Actividad
Concentración de S, E y pHConcentración de S, E y pH constantesconstantes
Influencia de la concentración de Sustrato Influencia de la concentración de Sustrato sobre la velocidad inicial
[E], pH, T°C: constantes
Curva hiperbólicaCurva hiperbólica
ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTENCinética del estado estacionario
V0= Velocidad inicial de la reacciónVmáx= Velocidad MáximaKm= constante de Michaelis[S]= concentración del sustrato
Reacción de orden cero
Reacción de 1° orden
V0= Velocidad inicial de la reacciónVmáx= Velocidad MáximaKm= constante de Michaelis[S]= concentración del sustrato
Ecuación de Michaelis – Menten
Km = [S]cuando
V0 = ½ Vmáx
Constante de Michaelis (Km)Constante de Michaelis (Km) Es característica de una enzima y su sustrato particular
Refleja la afinidad del sustrato por la enzima, en relación inversa:
menor Km mayor afinidad E por el S
Km es numéricamente igual a la concentración del sustrato que corresponde a una velocidad de reacción igual a la mitad de la velocidad máxima.
En condiciones definidas de pH, T°C, Km tiene un valor fijo para cada enzima y sirve para caracterizarla.
Ecuación de Michaelis – Menten
Km = [S]cuando
V0 = ½ Vmáx
= Km, Constante de Michaelis
Gráfica doble recíproca o de Lineweaver-Burk
Ordenada al Origen = 1 / Vmáx
Pendiente = Km / Vmáx
Intersección con eje X = - 1 / Km
INHIBICIÓN ENZIMÁTICA
INHIBICION REVERSIBLE
INHIBICION IRREVERSIBLE
COMPETITIVA
NO COMPETITIVA
(ACOMPETITIVA)
POR ENLACE COVALENTE
INHIBIDOR SUICIDA
DIFP Quimotripsina
Alopurinol Xantina oxidasa
Penicilina Transpeptidasa
INHIBICION REVERSIBLEINHIBICION REVERSIBLE
INHIBICION COMPETITIVA
S
I
EI
I
+
E + S ES E + P
E
E
E
KM ap = Km(1 + [I]/Ki)
[E] [I]
[EI]Ki =
Ejemplo de Inhibidor competitivo
COO-
(CH2)2
COO-
COO-
CH2
COO-
Succinato + FADH2 Fumarato + FAD+
Succinato deshidrogenasa
SuccinatoMalonato
1/v
1/[S]
v
[S]
-1/Km -1/Kmap
Km Km ap
Gráfica de M-M
Gráfica de L-B
Efecto de un Efecto de un Inhibidor Competitivo Inhibidor Competitivo
sobre la Actividad Enzimática Km= Vmáx
E + S ES E + P
INHIBICION NO COMPETITIVA
+
I
EI
+
I
ESI+ S
I I
ESE
S
E S
II
ES
-1/Km1/[S]
1/v
Gráfica de L-B
Km [S]
v
Gráfica de M-M
Vmáx ap.= Vmax.s/I
Km(1 + [I]/Ki)
Efecto de un Efecto de un Inhibidor No Competitivo Inhibidor No Competitivo
sobre la Actividad Enzimática
= Km Vmáx
Tipo de El Inhibidor Efecto Efecto inhibición se une a s/Vmáx s/Km Competitiva E Ninguno Aumenta
No competitiva E y ES Disminuye Ninguno
Características de los diferentes tipos de inhibición reversible
Km c/I. = Km s/Inh. x (1+ [I]/Ki)
Vmáx c/I= Vmáx. s/Inh. / 1 + [I]/ Ki
Acción de inhibidores a distinta concentración
Pendiente = Km / Vmáx
COMPETITIVA NO COMPETITIVA
INHIBICION IRREVERSIBLEINHIBICION IRREVERSIBLE
- Acetilcolinesterasa
- QuimotripsinaEnzima inactivada
Por unión covalente del inhibidor
Diisopropilfluorfosfato (DFP)
Inhibidor suicida
INHIBICION IRREVERSIBLE
Se asemeja a la estructura del S.
Se une al sitio activo de la enzima y ésta cataliza la modificación
del inhibidor a otro compuesto que permanece unido a la enzima.
Produce un cambio permanente sobre la enzima.
Ej: 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.
REGULACIÓN DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS
REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS
REGULACION DE LA SINTESIS
DE LAS ENZIMAS
ENZIMAS ALOSTERICASPOR MODIFICACIÓN
COVALENTE
REGULACION POR PROTEINAS
REGULACION POR PROTEOLISIS
ENZIMAS ALOSTÉRICASENZIMAS ALOSTÉRICAS
Enzima 1 ENZIMA ALOSTERICA
MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS
Enzima Enzima Enzima Enzima
1 2 3 4
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS
• Poseen un sitio de unión a un metabolito regulador o sitio alostérico, diferente al sitio activo. (Allo: otro, stereo:lugar)
• La unión del metabolito a la enzima es de carácter reversible y no covalente.
• 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
• La regulación es inmediata
ENZIMAS ALOSTÉRICAS
MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS
CINETICA DE UNA ENZIMA ALOSTÉRICACurva Sigmoidea
EJEMPLOS DE ENZIMAS ALOSTÉRICAS
• 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
Ej. Regulación AlostéricaActividad de Aspartato transcarbamilasa (ATCasa)
v
Aspartato (mM)
REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTEREGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE
Fosforilación
ADP-Ribosilación
Enzima
Fosfoadenilación
Enzima
•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
•ES INMEDIATA
Fosforilasa fosfatasa
2 Pi
2 H2O
Fosforilasaquinasa
ATP
ADP
Fosforilasa b
P -O-CH2 CH2- O- P
Fosforilasa a
(menos activa)
(Cadena lateral de Ser)
CH2- HOHO-CH2
REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTEREGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE
REGULACIÓN POR PROTEÓLISISREGULACIÓN POR PROTEÓLISIS
• 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.
ZIMÓGENOSZIMÓGENOS
ISOENZIMASISOENZIMAS
Diferentes formas moleculares de una
misma enzima.
Catalizan la misma reacción, actuando sobre
el mismo sustrato para dar el mismo producto
Son sintetizadas por genes diferentes
Tienen diferente composición aminoacídica
por lo que pueden separarse por electroforesis.
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
Piruvato + NADH Lactato + NAD+
Ejemplo de isoenzimas: Glucoquinasa y Hexoquinasa
Hexoquinasa
Glucoquinasa
Actividadenzimática
Km. hexq Km. glucq [glucosa mmol/l
•Cuando la concentración de glucosa en sangre es baja solo actúa la hexoquinasa.
•Cuando es elevada, por ejemplo luego de una comida, actúan ambas: hexoquinasa y glucoquinasa.
BIBLIOGRAFÍA -BLANCO, A., "Química Biológica", Ed. El Ateneo, 9° Edición, Bs.As, 2011-CHAMPE, HARVEY, FERRIER, “Bioquímica”,Ed Mac Graw- Hill Interamericana, 3° Edición. 2006-LEHNINGER, A.L., NELSON, D., COX, M., "Principios de Bioquímica", Editorial Omega, S.A., 4° Ed., 2006. Reimpresión año 2008.