• 1. Concepte i tipus de metabolisme.
• 2. Control del metabolisme.
• 3. Els biocatalitzadors
• 4. Els enzims.
• 5. Activitat enzimàtica.
• 6. Cinètica enzimàtica.
• 7. Enzims al·lostèrics.
• 8. Sistemes multienzimàtics. Regulació de l’activitat enzimàtica.
• 9. Les vitamines.

1. Concepte i tipus de metabolisme.

• El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l'interior de les cèl·lules.
  • Les succesions de reaccions químiques s'anomenen rutes o vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s'anomenen metabòlits.
    • Les substàncies incials (substrats) donen lloc a substàncies finals (productes).
  • Les reaccions del metabolisme estan regulades per enzims, que són molt específics.

CATABOLISME I ANABOLISME

• Es poden considerar dues fases en el metabolisme:
  • Catabolisme: És la transformació de molècules orgàniques complexes en d’altres senzilles. (→ degradació).
    • En el procés s’allibera energia que s’emmagatzema en els enllaços fosfat de l’ATP.
    • Les reaccions catabòliques:
      • Són reaccions d’oxidació.
      • Malgrat que es parteix de substrats molt diferents acaben donant els mateixos productes (àcid pirúvic, CO₂, H₂0, ...).
  • Anabolisme: És la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles. (→ construcció).
    • Es necessita energia, proporcionada per l’ATP.
    • Les reaccions anabòliques:
      • Són reaccions de reducció
      • Malgrat que es parteix dels mateixos substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts productes.

TIPUS DE METABOLISME

• Segons la font de carboni, es poden distingir dos tipus d’organismes:
  • Autòtrofs. Si la font de carboni és el CO₂ atmosfèric, és a dir carboni inorgànic.
  • Heteròtrofs. Si la font de carboni és la matèria orgànica, és carboni orgànic.
• Segons a la font d’energia es poden distingir dos tipos d'organismes:
  • Fotosíntètics. Si la font d’energia és la llum. (→ fotosíntesi).
  • Quimiosíntètics. Si es tracta de l’energia alliberada en reaccions químiques. (→quimiosíntesi).

EL TRIFOSFAT D’ADENOSINA (ATP) I LA SEVA IMPORTÀNCIA EN EL METABOLISME

• En el tràfec d’energia entre reaccions hi juga un paper fonamental l'ATP.
  • És capaç d'emmagatzemar o cedir energia gràcies als seus dos enllaços esterfosfòrics, que emmagatzeman, cadascun, 7'3 kca/mol.
  • Es diu que l'ATP és la moneda energètica de la cèl·lula, ja que representa la manera de tenir emmagatzemat un tipus d'energia d'ús immediat.
    • En els processos anabòlics, o quan la cèl·lula realitza qualque treball, l’energia s’obté a partir de l’ATP que passa a ADP o AMP.
    • En els processos catabòlics i en la fotosíntesi se “recarrega” la molècula d’ADP que passa a ATP mitjançant l’anomenada fosforilació.
• De vegades s'utilitzen per a la mateixa finalitat altres nucleòtids com ara el GTP, l'UTP o el CTP.

Síntesi d’ATP. La fosforilació.

• La síntesi d’ATP es pot fer per les següents vies:
  • Fosforilació a nivell de substrat:
    • És la síntesi d'ATP gràcies a l'energia que s'allibera d'una biomolècula (substrat) quan es trenca i llibera energia.
      • Per exemple en determinades reaccions de la glucòlisi i del cicle de Krebs.
  • Per mitjà de cadenes transportadores de protons i electrons (intervenen ATP-sintetases):
    • Fosforilació oxidativa: Té lloc als mitocondris, com a part de la respiració cel·lular.
    • Fotofosforilació: Té lloc als cloroplasts, durant la fotosíntesi.

2. Control del metabolisme.

• Moltes substàncies químiques, quan reaccionen, desprenen energia calorífica → són les anomenades reaccions exergòniques.
  • Això és perquè l’energia interna de les substàncies reaccionants o reactius (energia química dels enllaços), és superior a l’energia interna de les substàncies produïdes o productes.
  • Aquestes reaccions no es donen espontàniament:
    • Per iniciar la reacció, primer cal subministrar energia per activar la reacció → és l'energia d’activació
• Per accelerar la reacció química hi ha dues solucions:
  • Augmentar la temperatura → Als éssers vius pot ser perillós.
  • Afegir-hi un catalitzador, una substància que disminueixi l’energia d’activació necessària per arribar a l’estat transitori → als éssers vius apareixen el catalitzadors biològics o biocatalitzadors → són els enzims.
    

3. Els biocatalitzadors

• Un catalitzador és una substància que accelera la velocitat de les reaccions químiques i es manté inalterable mentre aquestes es produeixen.
• Els biocatalitzadors són molècules que augmenten la velocitat de les reaccions químiques dels éssers vius i exerceixen un control del metabolisme determinant quines reaccions s’han de produir i en quin moment ho han de fer.
  • Inclouen:
    • Enzims.
      • Són molècules d’acció específica que disminueixen l’energia d’activació dels reactius i acceleren, per tant, la velocitat de les reaccions metabòliques sobre les quals actuen.
      • Els enzims són proteïnes globulars solubles en aigua. (També existeixen substàncies no proteïques amb funció enzimàtica -ribozimes, ...-).
    • Vitamines.
      • Els animals són incapaços de sintetitzar-les, i les obtenen per mitjà dels aliments, com a tals o en forma de provitamines.
    • Oligoelements.
      • Intervenen en l’activitat dels enzims, fins al punt que un dèficit d’oligoelements pot provocar la paralització d’alguns sistemes enzimàtics i ser l’origen de malalties.
    • Hormones.
      • Són missatgers químics secretats per glàndules endòcrines i transportades per la sang.
      • Exerceixen la seva activitat sols en les cèl·lules que posseeixen receptors apropiats, anomenades cèl·lules diana.

4. Els enzims.

Què són?

• Els enzims són els biocatalitzadors, és a dir, els catalitzadors de les reaccions biològiques.
• Els enzims actuen rebaixant l’energia d’activació i, per tant. augmentant (accelerant) la velocitat de la reacció, que es pot mesurar per la quantitat de producte que es forma per unitat de temps.

Característiques

• Són substàncies que acceleren la reacció, fins i tot en quantitats molt petites.
• No es consumeixen durant la reacció
• Són molt específics
• Actuen a temperatura ambient, és a dir, a la temperatura de l’ésser viu.
• Són molt actius, molt superiors als catalitzadors no biològics.
• Tenen un pes molecular molt elevat.

Naturalesa i tipus

• La gran majoria són proteïnes globulars solubles en aigua.
• Segons l’estructura que presenten, es poden distingir:
  • Els enzims estrictament proteics, que poden estar constituïts per una o més cadenes polipeptídiques
  • Els holoenzims, que són els enzims constituïts per:
    • Apoenzim: la fracció polipeptídica
    • Cofactor: Una fracció no polipeptídica. Pot ser:
      • Inorgànic: ions metàl.lics, com el Mg²⁺, el Zn²⁺...
      • Orgànics, anomenats coenzims: com l’ATP, el NAD+. el NADP+, el coenzim A, les vitamines, etc.
        • Si el cofactor està unit amb força (enllaç covalent) a l’enzim, s’anomena grup prostètic.

Els coenzims

• Un coenzim és un cofactor orgànic que s’uneix a un apoenzim (part proteica d’un enzim) amb enllaços febles durant un procés catalític.
• Característiques
  • A diferència de l’apoenzim, el coenzim sí que es modifica durant la reacció.
  • L’unió coenzim-apoenzim és temporal.
  • No solen ésser específics d’un tipus d’apoenzim, sinó que en molts casos es poden unir a molts tipus d’apoenzims, cadascun amb una funció diferent.
• Poden ser:
  • Vitamines, per exemple les vitamines del grup B
  • Nucleòtids, com ATP, CTP, UTP i GTP
  • Molècules formades per la unió de vitamines i nucleòtids, com ara NAD, NADP, FMN, i FAD.

Proenzims i isoenzims

• Alguns enzims no són actius fins que no actuen sobre aquests altres enzims o ions → s’anomenen proenzims.
  • Per exemple el pepsinogen és un proenzim que es transforma en pepsina gràcies a l’acció del ClH.
• Alguns enzims es presenten en formes moleculars diferents → són el isoenzims.

El centre actiu

• No tots els aminoàcids que formen part de la proteïna enzimàtica intervenen en al reacció.
• Podem diferenciar entre:
  • Els aminoàcids estructurals, que no tenen funció dinàmica.
  • El centre actiu, lloc on es fixa l’enzim al substrat.

Especifitat dels enzims

• Una de les propietats més importants dels enzims és la seva especificitat.
  • Tan sols els substrats que tenen la forma i característiques químiques adequades poden accedir al centre actiu
• L’especificitat es pot donar en diversos graus:
  • Especificitat absoluta. Es dóna quan l’enzim tan sols actua sobre un substrat.
  • Especificitat de grup. Es dóna quan l’enzim reconeix un grup de molècules determinat
  • Especificitat de classe. Es la menys específica, ja que l’actuació de l‘enzim no depèn del tipus de molècula, sinó del tipus d’enllaç.

5. Activitat enzimàtica.

• La substància sobre la qual actua un enzim s’anomena substrat.
• En les reaccions en que hi ha un sol substrat,
  • l’enzim actua fixant el substrat a la seva superfície (adsorció) per mitjà d’enllaços febles, i així es forma l’anomenat complex enzim-substrat (ES).
  • es forma el complex activat.
  • Finalitzada la transformació, queda el complex enzim-producte, que s’escindeix i allibera l’enzim intacte i el producte.
• En les reaccions en què hi ha dos substrats que reaccionen entre si,
  • l'enzim actua atraient les molècules reaccionants cap a la seva superfície (adsorció),
  • la reacció es produeix.
  • De vegades, l’enzim atrau primer un substrat i se’n queda una part; després atrau el segon substrat i hi uneix aquesta part.
  • Els enzims, un cop feta la transformació dels substrats en els productes, se n’alliberen ràpidament per tornar a actuar.

6. Cinètica enzimàtica.

La velocitat de reacció

• La cinètica enzimàtica estudia la velocitat de les reaccions catalitzades per enzims.
• En una reacció la velocitat depèn, entre altres factors, de la concentració del substrat.
  • En 1913 Leonor Michaelis i Maud Menten varen proposar una equació (equació de Micahelis-Menten) que relaciona la velocitat de reacció amb la concentració del substrat (per a una concentració constant de l'enzim).

• Si s’augmenta la concentració de substrat es produeix un augment de la velocitat de reacció.
  • Aquest increment en la velocitat de reacció es dóna perquè augmenta la probabilitat de trobada entre substrat i enzim.
  • Però arriba un moment en què la velocitat de reacció deixa de créixer, és a dir, arriba a la velocitat màxima (Vmáx).
    • Això és degut al fet que totes les molècules d’enzim ja estan ocupades per molècules de substrat, formant el complex enzim-substrat, (saturació de l’enzim).
• Per a mesurar l’afinitat d’un enzim amb el substrat s’utilitza la constant de Michaelis-Menten (Km).
  • La km equival a la concentració de substrat necessari per a assolir la meitat de la velocitat màxima.
  • Si la magnitud de Km és petita,
    • vol dir que assoleix ràpidament la meitat de la velocitat màxima i, per tant, l’afinitat pel substrat és elevada.
  • Si Km es alta,
    • vol dir que tarda en assolir la meitat de la velocitat i, per tant, l’afinitat pel substrat és baixa.

Factors que influeixen en la cinètica enzimatica

• A concentracions baixes de substrat, la velocitat es proporcional a la concentració de substrat
• Quan l’enzim està saturada de substrat la velocitat no depèn de la concentració de substrat. S'arriba a una velocitat màxima.

Influència de la temperatura

• Amb l'augment de temperatura, les molècules augmenten la mobilitat i el nombre de trobades moleculars; per això augmenta la velocitat en què es forma el producte.
• Hi ha una temperatura òptima per a la qual l’activitat enzimàtica és màxima.
• Si la temperatura augmenta es dificulta la unió enzim-substrat i, a partir d’una temperatura determinada, l’enzim es desnaturalitza i perd l’activitat enzimàtica.

Influència del pH

• Els enzims presenten dos valors límit de pH entre els quals són eficaços. Traspassats aquests valors, els enzims es desnaturalitzen i deixen d’actuar.
• Entre els dos límits hi ha un pH òptim en el qual l’enzim presenta la màxima eficàcia.
  

Inhibició enzimàtica

• Els inhibidors són substàncies que disminueixen l’activitat d’un enzim o bé impedeixen completament l’actuació.
• Poden ser perjudicials o beneficiosos, com ara la penicil·lina, que és un inhibidor dels enzims que regulen la síntesi de la paret bacteriana.
• La inhibició pot ser de dos tipus:
  • Inhibició irreversible.
    • L’inhibidor o verí metabòlic es fixa permanentment al centre actiu de l’enzim, n’altera l‘estructura i l’inutilitza.
      • Per exemple el cianur inhibeix el complex citocrom oxidasa i bloqueja la cadena electrònica a la respiració cel·lular.
      • Molts fàrmacs, com ara la penicil·lina, són inhibidors irreversible de l’activitat enzimàtica.
  • Inhibició reversible
    • Impedeix temporalment el funcionament.
    • Hi ha dues modalitats:
      • La inhibició reversible competitiva:
        • L'inhibidor pot ser una molècula similar al substrat, i competeix amb aquest en fixar-se al centre actiu de l’enzim.
        • Si es fixa l’inhibidor, l’enzim queda bloquejat.
        • La velocitat de la reacció disminueix segons la concentració de l’inhibidor.
        • Aquesta inhibició se pot compensar amb un augment de la concentració de substrat.
      • La inhibició reversible no competitiva.
        • L’inhibidor sol produir una modificació en la conformació de l'enzim que impedeix la unió al substrat.
        • Aquesta inhibició no es compensa amb l’augment de substrat.

7. Enzims al·lostèrics.

• EIs enzims al.lostèrics
  • Són enzims complexes, que modulen la seva activitat enzimàtica per mecanismes complexes.
  • De vegades són els responsables de la regulació de tota una via metabòlica (són enzims reguladors).
  • La seva cinètica pot ser diferent a la postulada per l'equació de Michaelis-Menten.
  • Poden adoptar dues formes estables diferents.
    • Una és la configuració activa de l’enzim
    • L’altra és la configuració inactiva.
  • Ténen al menys dos llocs funcionals:
    • El centre actiu.
    • El centre regulador o centre al.lostèric.
      • Al centre alostèric es poden unir lligands:
        • Activadors.
        • Inhibidors.

8. Sistemes multienzimàtics. Regulació de l’activitat enzimàtica.

Sistemes multienzimàtics

• Els enzims solen actuar junts en seqüències encadenades → originen vies metabòliques.
  • El producte del primer enzim és el substrat del següent, i així successivament, fins al producte final.
• Tres nivells de complexitat en aquests sistemes:
  • Primer nivell: Els enzims estan dissolts en el citoplasma com a molècules independents. Els orgànuls membranosos poden separar espais físics on s'independitzen vies metabòliques concretes.
  • Segon nivell: Els enzims estan associats físicament i actuen com a complexos enzimàtics, de manera que els substrats intermedis mai no abandonen el complex.
  • Tercer nivell. Els sistemes enzimàtics s’associen en estuctures supramoleculars, com ara una membranes o els ribosomes.
    • Per exemple a la cadena respiratòria els enzims responsables formen part de la membrana interna dels mitocondris.

Regulació de l’activitat enzimàtica

• Regulació per retroinhibició o inhibició per feed back.
  • Quan el producte final és el que actua com a inhibidor
  • És el mecanisme generalment utilitzat en les vies metabòliques.
• Modificacions reversibles
  • L’activitat d’alguns enzims es modifica profundament per la unió de certes molècules.
• Activitat proteolítica
  • Alguns enzims se sintetitzen en forma de percussor inactiu (zimogen o proenzim) i són activats en el lloc apropiat.
  • L’activitat proteolítica, en contrast amb el control al.lostèric, només succeeix una vegada en la vida d’una molècula enzimàtica.
  • Per exemple:
    • Els enzims proteolítics, com el pepsinogen secretat a l'estomac que es transforma en pepsina en contacte amb el CLH.
• Regulació gènica.
  • L'expressió gènica determina la presencia o no dels enzims, i per tant, de la seva activitat.

9. Les vitamines.

• Les vitamines són glúcids o lípids senzills que actuen com a coenzims o altres molècules essencials al metabolisme, i que, en general, els animals no poden sintetitzar o ho fan en quantitats insuficients, per això necessiten ingerir-los en la dieta.
• Característiques:
  • Son substàncies làbils, que s’alteren amb facilitat amb el canvi de temperatura, la llum o l'emmagatzemament prolongat.
  • Les plantes i bacteris sintetitzen vitamines.
  • Els animals de vegades no les troben formades del tot en els aliments sinó en forma de provitamines, que necessiten transformar posteriorment.
    • Per exemple les vitamines A i D.
    • En altres casos la flora bacteriana aporta les vitamines, com la K.
• Classificació:
  • Liposolubles:
    • Són de naturalesa lipídica.
    • L’excés pot provocar trastorns
    • Exemples: A, D, E i K.
  • Hidrosolubles:
    • Són solubles en aigua.
    • Es difonen molt bé per la sang.
    • L’excés no provoca trastorns, perquè els ronyons les filtren i s’eliminen per l’orina.
    • Exemples: Complex B i vitamina C.