Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme

I 0 flashcards i 7 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL Grau en Biologia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Resum complet de Bioquímica: estructura de biomolècules, replicació del DNA, bioenergètica, cinètica enzimàtica, glucòlisi i cicle de Krebs.

APREN.AI Índex Biomolècules bàsiques 1 Glúcids i Lípids Medi aquós i ions inorgànics essencials Glúcids: monosacàrids i l'enllaç O-glucosídic Polisacàrids de reserva i estructurals Lípids: àcids grassos, reserves i ceres Lípids estructurals de membrana 2 Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica Unitats fonamentals: Els aminoàcids L'enllaç peptídic i l'estructura primària Estructura secundària: Hèlix alfa i làmina beta Estructura terciària proteica 3 Àcids Nucleics — Replicació del DNA Estructura del DNA i naturalesa de la replicació Iniciació i obertura de la doble hèlix Elongació: primasa i síntesi d'ADN Maduració de la cadena retardada: Pol I i lligasa 4 Bioenergètica — Termodinàmica i Metabolisme Cel·lular Principis de la termodinàmica i energia lliure de Gibbs Metabolisme cel·lular i acoblament termodinàmic Termodinàmica de l'ATP i potencials de transferència de fosfat Mecanismes cel·lulars per a la generació d'ATP 5 Enzimologia — Cinètica, Mecanismes i Regulació Enzimàtica Organització estructural dels biocatalitzadors El centre actiu i la termodinàmica de les reaccions metabòliques Cinètica de saturació i inhibició enzimàtica Mecanismes cel·lulars de regulació enzimàtica Metabolisme Energètic 6 La Glucòlisi Fase preparatòria o d'inversió energètica (Glucòlisi I) Fase de rendiment energètic (Glucòlisi II) Balanç net i estequiometria de la ruta 7 Cicle de Krebs i Fosforilació Oxidativa Transició mitocondrial: de piruvat a Acetil-CoA Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 1 Les reaccions del cicle de Krebs La cadena respiratòria i els transportadors mòbils Fosforilació oxidativa i hipòtesi quimiosmòtica 8 Formulari Bioenergètica i Cinètica Enzimàtica Replicació del DNA Metabolisme de Glúcids: Glucòlisi Cicle de Krebs i Cadena de Transport Electrònic Constants, Balanços i Errors Típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important.

Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 2 1 Glúcids i Lípids EN ACABAR SABRÀS Distingir els anòmers alfa i beta de la glucosa i relacionar-los amb l'estructura del midó i de la cel·lulosa Identificar la composició dels disacàrids i polisacàrids principals del metabolisme Diferenciar els lípids neutres de reserva dels lípids amfipàtics estructurals de la membrana PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què podem obtenir energia alimentària digerint el midó de les patates però no podem aprofitar la cel·lulosa de les plantes malgrat estar formats tots dos únicament per glucosa?

La matèria viva s'organitza a partir d'un entorn aquós on es dissolen sals minerals i interactuen grans famílies de molècules basades en el carboni (C, H, O, N, P, S). Entre aquestes, els glúcids i els lípids comparteixen rols centrals com a fonts d'energia i components estructurals cel·lulars. Biomolècules bàsiques 1 Glúcids i Lípids 2 Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 3 ESQUEMA Biomolècules bàsiques de la cèl·lula Medi aquós i ions inorgànics essencials L'aigua és el solvent biològic fonamental i constitueix entre un 50% i un 95% de la massa cel·lular.

En aquest medi aquós es troben dissolts diversos ions inorgànics que representen al voltant de l'1% del total: Ió magnesi ( ): actua com a cofactor clau en reaccions de fosforilació dutes a terme per enzims de tipus cinasa. Ions sodi ( ) i potassi ( ): regulen el volum osmòtic i la distribució d'aigua entre l'espai intracel·lular i l'extracel·lular. Ions calci ( ) i clorur ( ): participen en l'equilibri electrolític i funcional cel·lular. COMPROVA-HO 2 Quin paper exerceix l'ió magnesi en les reaccions cel·lulars de fosforilació? Glúcids: monosacàrids i l'enllaç O-glucosídic Els glúcids són biomolècules hidrocarbonades riques en oxigen.

Les unitats elementals o monosacàrids que contenen cinc o més àtoms de carboni tendeixen a adoptar una conformació cíclica en solució aquosa.

Glúcids Energia immediata i estructura cel·lular Monosacàrids Ribosa, desoxiribosa i glucosa ciclada Disacàrids Maltosa, sacarosa i lactosa Polisacàrids Midó, glicogen i cel·lulosa Lípids Reserva a llarg termini i membranes Àcids grassos Cadenes saturades o insaturades Lípids de reserva Triacilglicèrids en adipòcits i ceres Lípids estructurals Fosfolípids, glicolípids i colesterol Mg2+ Na+ K+ Ca2+ Cl Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 4 DEFINICIÓ L'anomeria és la presència d'isòmers geomètrics al carboni carbonílic ciclat (carboni 1). A la glucosa alfa, el grup s'orienta cap a la part inferior del pla, mentre que a la glucosa beta se situa a la part superior.

Aquesta diferenciació espacial condiciona completament el destí biològic del glúcid. D'altra banda, petits canvis en els substituents generen molècules diferents: la D-ribosa conté un àtom d'oxigen al carboni 2 que s'ha perdut en la D-desoxiribosa. Els monosacàrids s'uneixen mitjançant un enllaç O-glucosídic, una reacció de condensació on s'allibera una molècula d'aigua: Maltosa: disacàrid format per dues glucoses unides per un enllaç covalent . Sacarosa: disacàrid constituït per la unió d'una glucosa i una fructosa (monosacàrid de 6 carbonis). Lactosa: disacàrid format per la unió d'una galactosa i una glucosa mitjançant un enllaç .

COMPROVA-HO 3 Quina diferència estructural bàsica distingeix la glucosa alfa de la glucosa beta? Polisacàrids de reserva i estructurals La polimerització de monosacàrids genera grans cadenes amb funcions de dipòsit energètic o de resistència física segons el tipus d'enllaç predominant.

Polisacàrid Monòmer Tipus d'enllaç Funció i localització Midó (amilosa) Glucosa lineal (~30%) Reserva energètica vegetal Midó (amilopectina) Glucosa amb ramificacions (~70%) Reserva energètica vegetal Glicogen Glucosa molt ramificat en Reserva animal (fetge i múscul); té un nucli proteic central Cel·lulosa Glucosa lineal Estructural; forma microfibres rígides a la paret vegetal Mentre que l'enllaç permet un gir helicoïdal òptim per compactar glucoses de reserva, l'enllaç genera microfibres rectes i compactes molt resistents que confereixen rigidesa a la paret de les cèl·lules vegetals. COMPROVA-HO 4 Per què la cel·lulosa té funció estructural i no pas de reserva com el midó o el glicogen?

OH α(1 4) β(1 4) α(1 4) α(1 4) α(1 6) α(1 4) α(1 6) β(1 4) α(1 4) β(1 4) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 5 Lípids: àcids grassos, reserves i ceres Els lípids són un grup heterogeni de biomolècules que no posseeixen una unitat monomèrica universal identificadora, sinó que es defineixen per la seva naturalesa marcadament apolar o hidrofòbica. Com més reduïda es troba una molècula hidrocarbonada, més rendiment energètic en pot extreure la cèl·lula mitjançant oxidació. Els àcids grassos són cadenes hidrocarbonades que acaben en un grup carboxil terminal.

Es classifiquen segons el seu grau de saturació: Saturats: contenen exclusivament enllaços simples entre els seus carbonis. Monoinsaturats: presenten un únic doble enllaç a la cadena. Poliinsaturats: contenen dos o més dobles enllaços. Un àcid gras lliure resulta tòxic o perillós aïllat a la cèl·lula, ja que en intentar protegir-se de l'aigua pot desestabilitzar i foradar la bicapa lipídica. Per aquesta raó s'emmagatzemen esterificats: Triacilglicèrids: formats per glicerol esterificat amb tres àcids grassos. S'acumulen com a reserva energètica densa a llarg termini als adipòcits. El glicogen hepàtic, per contra, aporta energia d'ús ràpid i immediat.

Ceres: èsters formats per àcids grassos esterificats amb alcohols de cadena llarga. Lípids estructurals de membrana Les membranes cel·lulars requereixen lípids amb caràcter amfipàtic per poder organitzar-se espontàniament en bicapes en contacte amb el medi aquós: Fosfolípids: formats per una molècula de glicerol unida a dos àcids grassos (cues apolars) i a un grup fosfatidilcolina (cap polar). S'orienten situant el cap polar cap a la fase aquosa i les cadenes hidrofòbiques a l'interior.

Glicolípids: estructures membranoses on el glicerol és substituït per una serina (aminoàcid; vegeu «Biomolècules bàsiques — Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica») unida a àcids grassos i amb un glúcid (sovint glucosa) exposat al radical extern. Colesterol: molècula hidrofòbica rígida que posseeix un únic grup hidroxil ( ) polar. Aquest grup s'orienta cap a la superfície aquosa i li confereix comportament amfipàtic. ERROR FREQÜENT Confondre el colesterol lliure de membrana amb el colesterol esterificat. El colesterol de membrana és amfipàtic gràcies al seu grup hidroxil lliure.

Si aquest s'esterifica amb un àcid gras, la molècula esdevé totalment apolar i ja no pot intercalar-se funcionalment a la bicapa superficial, quedant completament amagada o emmagatzemada. OH OH Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 6 IDEES CLAU L'aigua (50-95%) i els ions inorgànics com , i mantenen l'entorn químic i osmòtic cel·lular. La posició inferior o superior de l' al carboni 1 defineix els anòmers alfa o beta dels monosacàrids. L'enllaç genera polisacàrids helicoïdals de reserva (midó, glicogen), mentre que el crea microfibres rígides estructurals (cel·lulosa).

Els lípids de reserva (triacilglicèrids) són completament apolars, mentre que els lípids de membrana (fosfolípids, colesterol lliure) han de ser amfipàtics per mantenir la bicapa. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Per què els àcids grassos no es troben lliures en grans concentracions a l'interior cel·lular? 6. Quina diferència funcional hi ha entre la reserva d'energia dels triacilglicèrids i la del glicogen? BIOMOLÈCULES BÀSIQUES 2 Aminoàcids i Nivells d'Estructura Proteica EN ACABAR SABRÀS Distingir l'estructura d'un L-aminoàcid i classificar-lo segons les propietats del seu radical R. Descriure la geometria de l'enllaç peptídic i la polaritat N-terminal i C-terminal.

Explicar els enllaços d'hidrogen de l'hèlix alfa i justificar el paper disruptor de la prolina. Identificar les forces hidrofòbiques i els ponts disulfur com a estabilitzadors de l'estructura terciària. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 7 Com pot una cadena polipeptídica completament lineal adquirir una forma tridimensional concreta sense consumir energia externa addicional? Unitats fonamentals: Els aminoàcids Els aminoàcids són els monòmers que constitueixen les cadenes polipeptídiques.

La seva organització gira al voltant d'un àtom central anomenat carboni alfa ( ), al qual s'uneixen quatre substitutors: un grup carboxil (-COOH), un grup amino ( ), un àtom d'hidrogen i una cadena lateral distintiva anomenada radical ( ). Aquest radical és el component químic que confereix identitat i propietats particulars a cadascun dels aminoàcids. Mg2+ Na+ K+ OH α(1 4) β(1 4) C α NH 2 R Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 7 Els aminoàcids que formen part de les proteïnes cel·lulars pertanyen exclusivament a la sèrie isomèrica L, caracteritzats per la disposició del grup amino cap a l'esquerra en la representació plana convencional.

Segons la naturalesa química del seu grup R, es classifiquen en dos grans grups: Radicals apolars o hidrofòbics: formats per cadenes hidrocarbonades (sovint ramificades) que tendeixen a excloure l'aigua i defugen la interacció amb el solvent aquós. Radicals polars: presenten grups funcionals capaços d'establir enllaços d'hidrogen amb el medi cel·lular aquós circulant. Determinats aminoàcids desenvolupen funcions fisiològiques concretes: Metionina (Met): codificada pel codó d'inici AUG, és el primer residu incorporat durant la traducció.

Asparagina (Asn) i Glutamina (Gln): contenen dos àtoms de nitrogen en la seva estructura i es formen a partir de l'àcid aspàrtic (Asp) i l'àcid glutàmic (Glu), respectivament. Actuen com a transportadors clau de nitrogen cap a òrgans amb alta demanda metabòlica com el fetge i el ronyó. Tirosina (Tyr): aminoàcid no essencial sintetitzat directament a partir de la fenilalanina, un aminoàcid essencial que requereix ingesta dietètica obligatòria. COMPROVA-HO 8 Quina diferència funcional existeix entre l'asparagina i l'àcid aspàrtic pel que fa al metabolisme del nitrogen? L'enllaç peptídic i l'estructura primària La polimerització dels aminoàcids es realitza mitjançant l'enllaç peptídic.

Aquesta unió covalent té lloc quan el grup carboxil d'un primer aminoàcid s'enllaça amb el grup amino d'un segon, generant un dipèptid i alliberant una molècula d'aigua. Aquest procés deixa lliure el carboxil del segon residu per acceptar successives incorporacions. L'estructura primària consisteix en la seqüència lineal dels aminoàcids enllaçats consecutivament. L'ordre dels seus monòmers ve determinat estrictament pel codi genètic. Tota cadena polipeptídica presenta una polaritat química definida: comença a l'extrem N-terminal (grup amino lliure) i finalitza a l'extrem C-terminal (grup carboxil lliure).

Aquesta seqüència lineal desproveïda de plegament no disposa d'activitat biològica funcional. ERROR FREQÜENT Confondre l'estructura primària d'una proteïna amb una forma funcionalment activa. Una cadena polipeptídica lineal mancada de plegament secundari i terciari no pot dur a terme cap funció cel·lular. Estructura secundària: Hèlix alfa i làmina beta L'estructura secundària és el primer nivell de plegament espacial local de l'esquelet peptídic, sostingut per l'establiment d'enllaços d'hidrogen entre els àtoms de l'enllaç peptídic: Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 8 Hèlix alfa: disposició helicoïdal compacta originada per enllaços d'hidrogen regulars.

Es forma un enllaç d'hidrogen entre el carboxil del residu n i l'amino del residu n+4 (aproximadament cada 4 o 5 residus al llarg del polipèptid). Làmina beta: conformació estesa en què segments polipeptídics adjacents es connecten lateralment mitjançant enllaços d'hidrogen. Es classifiquen segons la direccionalitat dels seus extrems: Paral·leles: els segments adjacents van en el mateix sentit (extrems coincidents: amino davant amino i carboxil davant carboxil). Antiparal·leles: les cadenes veïnes presenten sentits oposats, alternant els extrems amino i carboxil. PROLINA COM A TRENCADORA D'HÈLIX El residu de prolina actua de manera crítica com a trencador de l'hèlix alfa.

La seva estructura cíclica rígida impedeix la rotació necessària i, en formar l'enllaç peptídic, perd l'hidrogen del seu grup amino, fent impossible la donació de l'enllaç d'hidrogen essencial per sostenir l'hèlix. COMPROVA-HO 9 Per què la presència de prolina interromp la formació de l'hèlix alfa? Estructura terciària proteica L'estructura terciària defineix la conformació tridimensional global i funcional de la cadena polipeptídica. La seqüència concreta d'aminoàcids condiciona tant els plegaments secundaris com la seva organització final a l'espai tridimensional.

Interacció Mecanisme químic implicat Efecte sobre la conformació Forces hidrofòbiques Agrupament intern de cadenes laterals apolars lluny del medi aquós Col·loquen els residus apolars al nucli proteic i orienten els polars cap a la superfície exterior Ponts disulfur Enllaços covalents creuats establerts entre residus Estabilitzen de forma rígida i permanent la conformació tridimensional PROCÉS Nivells d'organització estructural de les proteïnes 1 Estructura primària Seqüència lineal d'aminoàcids units per enllaços peptídics 2 Estructura secundària Ponts d'hidrogen que formen hèlix alfa o làmines beta 3 Estructura terciària Forces hidrofòbiques i ponts disulfur donen la forma funcional Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 9 IDEES CLAU Els aminoàcids proteics pertanyen de forma exclusiva a la sèrie isomèrica L amb un carboni alfa com a centre quiral.

L'enllaç peptídic uneix covalentment el carboxil d'un residu amb l'amino del següent, generant polaritat N-terminal a C-terminal. L'hèlix alfa s'estabilitza mitjançant enllaços d'hidrogen periòdics formats entre el grup del residu n i el grup del residu n+4. La prolina desestabilitza i interromp l'hèlix alfa per rigidesa estructural i manca d'hidrogen disponible per a la formació d'enllaços d'hidrogen. L'estructura terciària adquireix estabilitat i funcionalitat global gràcies a l'empaquetament hidrofòbic intern i la formació d'enllaços covalents de tipus pont disulfur. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 10. Com s'orienten els extrems terminals en les làmines beta antiparal·leles? 11.

A partir de quin aminoàcid precursor es produeix la síntesi de tirosina a l'organisme? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 12. Quin ió inorgànic actua com a cofactor imprescindible en les reaccions de fosforilació? 13. Com s'orienta el grup hidroxil (-OH) del carboni anomèric a la glucosa alfa? 14. Quina fracció del midó presenta ramificacions mitjançant enllaços alfa(1->6)? 15. Què passa quan el grup hidroxil del colesterol s'esterifica amb un àcid gras? 16. A quina sèrie isomèrica pertanyen els aminoàcids integrats a les proteïnes cel·lulars?

CO NH Clorur (Cl ) a) Sodi (Na ) b) Magnesi (Mg² ) c) Potassi (K ) d) Cap a la part inferior a) Cap a la part superior b) Lateralment a l'esquerra c) Unit al carboni 6 d) Amilosa (30%) a) Glicogen (100%) b) Cel·lulosa (50%) c) Amilopectina (70%) d) Esdevé totalment apolar a) Forma enllaços glucosídics b) S'ancora al medi aquós c) Augmenta la seva hidrofilia d) Sèrie racèmica a) Sèrie beta b) Sèrie L c) Sèrie D d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 10 17. Quin patró periòdic d'enllaços d'hidrogen sosté l'estructura en hèlix alfa? 18. Per quin motiu estructural la prolina actua com a trencadora de l'hèlix alfa? 19.

Quines forces motrius principals governen el plegament de l'estructura terciària? 3 Àcids Nucleics — Replicació del DNA EN ACABAR SABRÀS Distingir les funcions i activitats enzimàtiques de la DNA polimerasa I i la DNA polimerasa III. Explicar el mecanisme de síntesi discontínua i maduració dels fragments d'Okazaki. Identificar el paper de l'helicasa, la DNA girasa i les proteïnes SSB en l'obertura del DNA. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 20 Com s'aconsegueix replicar simultàniament les dues cadenes d'una doble hèlix si les polimerases només sintetitzen en sentit 5' a 3'?

Estructura del DNA i naturalesa de la replicació La molècula d'àcid desoxiribonucleic (DNA) està constituïda per dues cadenes de nucleòtids disposades de forma antiparal·lela. Això significa que un extrem d'una cadena presenta la polaritat , mentre que la cadena complementària s'orienta en sentit . La duplicació del material genètic segueix un mecanisme semiconservatiu. En aquest procés, cadascuna de les dues cadenes originals serveix de motlle per sintetitzar-ne una de nova complementària.

La certesa sobre aquest model es va establir definitivament mitjançant l'experiment clàssic de Meselson i Stahl, els quals van descartar tant la hipòtesi conservativa com la dispersiva observant la distribució de les cadenes marcades isotòpicament.

Entre residus n i n+1 a) Entre residus n i n+8 b) Entre residus n i n+4 c) Entre residus n i n+2 d) Rigidesa i manca d'hidrogen amida a) Capacitat d'oxidar residus veïns b) Per la seva càrrega negativa c) Grandària excessiva del seu radical d) Interaccions hidrofòbiques i ponts disulfur a) Exclusivament forces de van der Waals b) Enllaços fosfodièster i glucosídics c) Sols enllaços d'hidrogen entre esquelets d) 5 3 3 5 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 11 Iniciació i obertura de la doble hèlix Perquè la maquinària de còpia pugui accedir a les bases nitrogenades, cal separar les dues cadenes estabilitzades per ponts d'hidrogen.

Aquest procés comença en zones concretes de la seqüència conegudes com a orígens de replicació. Obertura i bidireccionalitat: L'enzim helicasa trenca els enllaços d'hidrogen entre les bases per obrir la doble hèlix. En els bacteris o procariotes, amb un cromosoma circular, es forma un únic origen, generant estructures d'obertura (estructures en ull o estructures ). En canvi, el genoma dels eucariotes conté molt més DNA i necessita múltiples orígens simultanis per completar la replicació a temps. A partir de cada origen, la duplicació avança en ambdós sentits: és un procés bidireccional.

Estabilització: Les proteïnes d'unió a cadena senzilla (SSB) s'uneixen al DNA monocatenari exposat per evitar que les bases complementàries tornin a aparellar-se abans d'hora. Control de la tensió torsional: A mesura que l'helicasa obre la doble hèlix, genera tensions per davant de la forqueta. L'enzim DNA girasa (una topoisomerasa) talla transitòriament les cadenes i introdueix superenrotllament negatiu per relaxar el gir i mantenir l'accés obert. COMPROVA-HO 21 Quina conseqüència tindria sobre la replicació la inactivació funcional de la DNA girasa? Elongació: primasa i síntesi d'ADN Cap DNA polimerasa és capaç de començar a sintetitzar una cadena des de zero sense un extrem lliure.

Per resoldre aquesta limitació, intervé un enzim especialitzat: La primasa: És una RNA polimerasa que sintetitza un curt fragment iniciador d'ARN denominat encebador (o primer). Aquests petits fragments consten habitualment d'entre 5 i 7 nucleòtids d'ARN i proporcionen el punt d'ancoratge inicial. DNA polimerasa III: És el complex enzimàtic principal encarregat de l'elongació cel·lular. Presenta una alta processivitat, cosa que li permet afegir milers de nucleòtids de manera continuada a gran velocitat. Funciona com un dímer (complex quaternari) i realitza la polimerització estrictament en direcció 5' 3'.

A més, disposa d'activitat exonucleasa 3' 5', que utilitza com a mecanisme de correcció de proves retirant nucleòtids mal emparellats immediatament abans de reprendre la síntesi. θ 3 -OH Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 12 PROCÉS Passos enzymàtics en la maduració d'un fragment d'Okazaki Maduració de la cadena retardada: Pol I i lligasa Com que ambdues cadenes motlle són antiparal·leles i la síntesi només pot avançar en sentit , una de les cadenes (la cadena avançada) es replica de manera contínua. En canvi, l'altra cadena (la cadena retardada) s'ha de sintetitzar de forma discontínua en segments curts anomenats fragments d'Okazaki.

Cadascun d'aquests fragments comença amb el seu propi encebador d'ARN, donant lloc a una cadena híbrida d'ARN i ADN que cal processar per assegurar la integritat del genoma. Per finalitzar la duplicació de la cadena retardada intervenen dos enzims addicionals: ERROR FREQÜENT Confondre les direccions de l'activitat exonucleasa porta a errors greus a l'examen: l'activitat exonucleasa serveix per a la correcció de proves (retira l'últim nucleòtid acabat d'incorporar si és incorrecte), mentre que l'activitat exonucleasa només la té la DNA polimerasa I i s'utilitza específicament per degradar els encebadors d'ARN que es troben al davant de l'avanç de l'enzim.

Síntesi de l'encebador La primasa genera 5-7 nucleòtids d'ARN. 1 Elongació per Pol III Polimerització 5'->3' fins al següent fragment. 2 Retirada de l'ARN La Pol I degrada el primer per activitat 5'->3'. 3 Reemplaçament per DNA La Pol I sintetitza DNA omplint l'esquerda. 4 Segellat per Lligasa Unió covalent fosfodièster definitiva. 5 5 3 Acció de la DNA polimerasa I: Aquest enzim essencial elimina l'encebador d'ARN gràcies a la seva activitat exonucleasa 5' 3', alhora que sintetitza nou DNA mitjançant la seva activitat polimerasa per omplir el buit generat. També disposa d'activitat de correcció exonucleasa .

1 5 3 3 5 Segellat covalent per la DNA lligasa: Un cop eliminat l'ARN i reemplaçat completament per DNA, queda una esquerda entre l'últim desoxiribonucleòtid sintetitzat per la Pol I i el primer nucleòtid del fragment contigu. La DNA lligasa s'encarrega d'unir aquests extrems formant l'enllaç fosfodièster covalent definitiu.

2 3 5 5 3 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 13 Enzim Funció principal en la replicació Polimerització Exonucleasa 3' 5' Exonucleasa 5' 3' DNA polimerasa III Elongació replicativa a gran velocitat Sí (5' 3') Sí (correcció) No DNA polimerasa I Retirada de primers i reemplaçament per ADN Sí (5' 3') Sí (correcció) Sí (retirada d'ARN) Primasa Síntesi d'encebadors d'ARN (5-7 nt) Sí (ARN 5' 3') No No DNA lligasa Unió covalent d'esquerdes fosfodièster No No No COMPROVA-HO 22 Quina activitat enzimàtica única permet a la DNA polimerasa I retirar els encebadors d'ARN?

IDEES CLAU La replicació és un procés semiconservatiu demostrat per Meselson i Stahl en què cada cadena original serveix de plantilla. L'obertura requereix l'acció concertada de l'helicasa, les proteïnes SSB i la DNA girasa per regular el superenrotllament negatiu. La primasa sintetitza curts encebadors d'ARN d'uns 5 a 7 nucleòtids necessaris perquè la DNA polimerasa III pugui iniciar la polimerització. La síntesi de DNA avança sempre en sentit 5' a 3', fet que obliga a sintetitzar la cadena retardada en fragments discontinus d'Okazaki. La DNA polimerasa I retira l'ARN mitjançant la seva activitat exonucleasa 5' a 3' i omple el buit amb DNA, el qual és segellat per la DNA lligasa.

COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 23. Per què cal l'activitat de la primasa si la DNA polimerasa III és el principal enzim replicatiu? 24. En què es diferencien les activitats exonucleasa de la DNA polimerasa I i la DNA polimerasa III? Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 14 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 25. Quin experiment va demostrar de forma concloent el model semiconservatiu de la replicació del DNA? 26. Quina és la funció de les proteïnes SSB durant la replicació? 27. Quina activitat enzimàtica permet a la DNA polimerasa III corregir nucleòtids mal incorporats? 28.

Quin enzim s'encarrega d'unir l'últim nucleòtid de reemplaçament amb el fragment contigu? 4 Bioenergètica — Termodinàmica i Metabolisme Cel·lular EN ACABAR SABRÀS Deduir l'espontaneïtat d'una reacció química aplicant el signe de la variació d'energia lliure de Gibbs (ΔG). Explicar l'acoblament termodinàmic entre el catabolisme exergònic i l'anabolisme endergònic. Comparar el rendiment energètic de la hidròlisi estàndard de l'ATP amb la ruptura pirofosfatolítica. Descriure el paper de l'ATP com a intermediari en l'escala de potencial de transferència de grups fosfat.

L'experiment d'Avery, MacLeod i McCarty a) L'experiment de Meselson i Stahl b) L'experiment de Griffith c) L'experiment de Hershey i Chase d) Introdueixen superenrotllament negatiu al DNA a) Sintetitzar l'encebador d'ARN inicial b) Evitar la reasociació del DNA monocatenari c) Unir covalentment els fragments d'Okazaki d) Activitat endonucleasa d'ARN a) Activitat polimerasa 5' a 3' b) Activitat exonucleasa 3' a 5' c) Activitat exonucleasa 5' a 3' d) La DNA lligasa a) La primasa b) L'helicasa c) La DNA girasa d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 15 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 29 Com pot una cèl·lula fabricar molècules complexes altament organitzades si l'univers sencer tendeix espontàniament cap al desordre màxim?

La bioenergètica estudia com les cèl·lules capten, transformen i utilitzen l'energia per mantenir l'estat viu i realitzar treball biològic. ESQUEMA Organització del metabolisme cel·lular Principis de la termodinàmica i energia lliure de Gibbs Les transformacions biològiques segueixen les lleis generals de la termodinàmica. Segons el primer principi, l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma d'una forma a una altra. El segon principi estableix que tots els sistemes naturals tendeixen a assolir el màxim grau de desordre espontani, conegut com a entropia ( ).

Després de realitzar un treball, una fracció de l'energia disponible es dissipa com a calor i disminueix la capacitat de realitzar treball útil addicional. Per quantificar aquests canvis s'utilitza l'entalpia ( ), que representa el contingut tèrmic total d'un sistema molecular. En una reacció de transformació ( ), la variació d'entalpia ( ) determina si el procés allibera calor (reacció exotèrmica, ) o en requereix (reacció endotèrmica, ). DEFINICIÓ L'energia lliure de Gibbs ( ) mesura la quantitat màxima d'energia capaç de produir treball útil durant una transformació a temperatura i pressió constants. La seva variació ve descrita per la relació: on és la temperatura absoluta en kèlvins.

El signe del terme dicta de manera estricta el criteri d'espontaneïtat d'una reacció química o ruta metabòlica: Catabolisme Degradació oxidativa exergònica Generació d'energia Síntesi neta d'ATP Poder reductor Producció de NADH i FADH Anabolisme Biosíntesi reductora endergònica Consum d'ATP Acoblament energètic hidrolític Construcció molecular Proteïnes, lípids i àcids nucleics S H A B ΔH ΔH < 0 ΔH > 0 G ΔG = ΔH TΔS T ΔG Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 16 Procés exergònic ( ): reacció espontània que allibera energia lliure cap a l'entorn. Els reactius posseeixen un nivell energètic superior al dels productes finals.

Procés en equilibri ( ): l'estat del sistema és estacionari i no hi ha canvi net en el flux de matèria ni d'energia. Procés endergònic ( ): procés no espontani que requereix un aportament extern d'energia lliure, atès que els productes contenen més energia que els reactius originals. COMPROVA-HO 30 Quina condició energètica ha de complir una reacció metabòlica per transcórrer de manera espontània en condicions constants de pressió i temperatura? Metabolisme cel·lular i acoblament termodinàmic El metabolisme és el conjunt interconnectat de reaccions bioquímiques catalitzades per enzims que permet transformar substrats simples en molècules complexes i viceversa.

Aquest entramat s'organitza en dues branques complementàries que s'acoblen energèticament: Característica Catabolisme Anabolisme Definició Degradació oxidativa de molècules complexes Biosíntesi reductora de biomolècules complexes Substrats de partida Glúcids, lípids i proteïnes rics en energia Precursors simples (aminoàcids, sucres, àcids grassos, bases) Productes finals Compostos simples i metabòlits de rebuig Polisacàrids, lípids complexos, proteïnes i àcids nucleics Termodinàmica Exergònic (ΔG < 0) Endergònic (ΔG > 0) Fluxe energètic Condensa ADP i Pi en ATP; redueix NAD(P) i FAD Consumeix l'energia de l'ATP i el poder reductor de NAD(P)H i FADH Les cèl·lules fan viables les vies biosintètiques desfavorables mitjançant l'acoblament termodinàmic.

Si una reacció endergònica ( ) es combina directament amb una reacció altament exergònica com la hidròlisi d'un compost ric en energia ( ), el canvi global serà espontani sempre que el sumatori algebraic compleixi . COMPROVA-HO 31 Com aconsegueix la cèl·lula que una ruta anabòlica amb ΔG > 0 es produeixi de manera efectiva en el medi intracel·lular? Termodinàmica de l'ATP i potencials de transferència de fosfat L'adenosina trifosfat (ATP) actua com la moneda d'intercanvi energètic universal de la cèl·lula. Està formada per una molècula d'adenosina enllaçada consecutivament a tres grups fosfat.

Els dos enllaços terminals són enllaços anhídrid fosfòric (fosfoanhídrid), caracteritzats per una gran inestabilitat ΔG < 0 ΔG = 0 ΔG > 0 ΔG > 1 0 ΔG < 2 0 ΔG = total ΔG + 1 ΔG < 2 0 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 17 termodinàmica per repulsió electrostàtica de les seves càrregues negatives. La hidròlisi convencional de l'enllaç fosfat terminal converteix l'ATP en adenosina difosfat (ADP) i fosfat inorgànic (Pi), alliberant 7,3 kcal/mol d'energia lliure estàndard. La hidròlisi del segon enllaç d'anhídrid per transformar ADP en adenosina monofosfat (AMP) i Pi allibera una quantitat energètica idèntica (7,3 kcal/mol).

En canvi, l'enllaç èster fosfòric restant que manté unit el grup fosfat a la ribosa de l'adenosina conté menys energia, alliberant només 3,4 kcal/mol en cas d'escissió. EXEMPLE Ruptura estàndard d'un grup fosfat: Ruptura pirofosfatolítica: Existeix també la ruptura pirofosfatolítica, en la qual l'ATP s'escindeix directament en AMP i pirofosfat inorgànic (PPi), procés que allibera 14,6 kcal/mol. No obstant això, la cèl·lula no recorre de forma habitual a aquesta via. La descàrrega brusca d'un paquet energètic tan elevat sol provocar una pèrdua d'energia en forma de calor residual sense aprofitament metabòlic.

Per tant, es prioritza la hidròlisi gradual d'un sol fosfat (7,3 kcal/mol), reservant el trencament pirofosfatolític per a aquelles situacions termodinàmicament molt desfavorables on una aportació modesta no resulta suficient. L'ATP ocupa una posició intermèdia en l'escala dels compostos biològics fosfatats segons el seu potencial de transferència de fosfat. Aquesta posició estratègica li confereix dues virtuts termodinàmiques indispensables: La petita grandària de la molècula d'ATP permet a més un transport i una difusió àgils dins de tot l'espai citoplasmàtic i els compartiments subcel·lulars.

Compostos amb un potencial més elevat, tals com la fosfocreatina, actuen com a reserves ràpides d'energia capaces de refosforilar l'ADP cap a ATP quan el teixit realitza un esforç muscular intens. PROCÉS Jerarquia de transferència de grups fosfat 1 Compostos d'alt potencial Fosfoenolpiruvat i fosfocreatina donen fosfat 2 Síntesi d'ATP Fosforilació d'ADP amb 7,3 kcal/mol 3 Compostos de baix potencial Glucosa-6-P rep el fosfat cedit per l'ATP ATP + H O 2 ADP + P (allibera 7,3 kcal/mol) i ATP + H O 2 AMP + PP (allibera 14,6 kcal/mol) i Recepció d'energia: L'ADP pot acceptar grups fosfat provinents de molècules amb un potencial de transferència superior situades en esglaons més alts de l'escala.

1 Cessió d'energia: L'ATP sintetitzat pot cedir espontàniament el seu fosfat terminal a acceptors situats en nivells inferiors per activar-los metabòlicament. 2 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 18 ERROR FREQÜENT Pensar que l'ATP és el compost amb més energia de la cèl·lula perquè s'anomena la «moneda energètica». En realitat, té un potencial de transferència intermedi. Si tingués el potencial més alt de tots, no existiria cap molècula metabòlica capaç de refosforilar l'ADP per tornar a produir ATP de manera espontània.

COMPROVA-HO 32 Quina conseqüència tindria per a l'eficiència energètica de la cèl·lula emprar habitualment la ruptura pirofosfatolítica en lloc de la hidròlisi a ADP? Mecanismes cel·lulars per a la generació d'ATP La cèl·lula sintetitza ATP a partir d'ADP i fosfat inorgànic aprofitant l'energia obtinguda del metabolisme a través de tres vies principals: Fosforilació a nivell de substrat: Síntesi directa d'ATP a partir d'ADP gràcies a l'energia derivada d'un metabòlit fosfatat d'alt potencial. Els compostos donadors típics d'aquest grup són el fosfoenolpiruvat, l'1,3-bifosfoglicerat i la fosfocreatina.

Fosforilació oxidativa: Producció d'ATP lligada al transport d'electrons a la membrana interna mitocondrial mitjançant complexos respiratoris que reoxiden els coenzims reduïts NADH i FADH (vegeu «Metabolisme Energètic — Cicle de Krebs i Fosforilació Oxidativa»). Fotofosforilació: Mecanisme present en organismes fotosintètics que empra l'energia dels fotons lluminosos per establir gradients i sintetitzar ATP. IDEES CLAU La variació d'energia lliure de Gibbs obeeix a l'expressió , marcant criteris d'espontaneïtat: exergònic ( ), equilibri ( ) i endergònic ( ).

El catabolisme degradatiu i exergònic subministra ATP i coenzims reduïts per impulsar l'anabolisme biosintètic endergònic mitjançant acoblament químic. La hidròlisi estàndard d'un grup fosfat de l'ATP a ADP i Pi allibera , mentre que el trencament pirofosfatolític allibera . La ruptura pirofosfatolítica es reserva per a reaccions altament desfavorables per evitar la dissipació excessiva d'energia en forma de calor. L'ATP ocupa una posició intermèdia en l'escala de potencial de fosfats, permetent la seva regeneració per compostos com el fosfoenolpiruvat o la fosfocreatina i la donació a acceptors menys energètics.

ΔG = ΔH TΔS ΔG < 0 ΔG = 0 ΔG > 0 7,3 kcal/mol 14,6 kcal/mol Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 19 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 33. Per què la cèl·lula manté l'ATP en una escala intermèdia de transferència de fosfat en comptes de tenir el valor més alt possible? 34. Quina diferència energètica i d'aplicació hi ha entre la hidròlisi simple de l'ATP i la ruptura pirofosfatolítica? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 35. Quin signe presenta la variació d'energia lliure de Gibbs (ΔG) en una reacció exergònica espontània? 36. Quina quantitat d'energia lliure estàndard s'allibera en hidrolitzar ATP a ADP i Pi? 37.

Per què la cèl·lula sol evitar la hidròlisi pirofosfatolítica de l'ATP? 38. Quin d'aquests compostos presenta un potencial de transferència de fosfat superior al de l'ATP? 5 Enzimologia — Cinètica, Mecanismes i Regulació Enzimàtica EN ACABAR SABRÀS Distingir entre apoenzim, cofactor, coenzim, cosubstrat i grup prostètic. Comparar els efectes dels inhibidors competitius, no competitius i acompetitius sobre Km i Vmàx. Explicar el mecanisme de regulació covalent mitjançant quinases i fosfatases.

ΔG = 0 a) ΔG > 0 b) ΔG = ΔH c) ΔG < 0 d) 14,6 kcal/mol a) 21,9 kcal/mol b) 7,3 kcal/mol c) 3,4 kcal/mol d) Requereix oxigen molecular per produir-se a) Produeix massa poc calor b) No genera molècules d'AMP c) Allibera energia de cop i es dissipa d) Fosfocreatina a) AMP b) Glucosa-6-fosfat c) Ribosa-5-fosfat d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 20 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 39 Per què augmentar indefinidament la concentració de substrat no accelera de manera infinita una reacció biològica? Organització estructural dels biocatalitzadors Els enzims són catalitzadors biològics d'alta especificitat que acceleren les transformacions químiques a la cèl·lula.

Per desenvolupar la seva activitat, moltes d'aquestes proteïnes requereixen components no proteics addicionals anomenats cofactors. DEFINICIÓ L'apoenzim és la part proteica inactiva que juntament amb el cofactor constitueix l'holoenzim funcional. Segons la seva naturalesa química i la seva interacció amb la fracció proteica, els cofactors es classifiquen en diversos grups: Cofactors inorgànics: Ions metàl·lics com el , essencials per estabilitzar càrregues durant la catàlisi. Coenzims orgànics: Molècules orgàniques complexes que intervenen activament en la transferència de grups químics o electrons.

Es divideixen en: Cosubstrats: Molècules solubles que s'uneixen transitòriament a l'enzim i es dissocien en acabar la reacció. Grups prostètics: Fraccions no proteiques unides de manera molt ferma o covalent a l'estructura enzimàtica. En el metabolisme cel·lular, els transportadors d'electrons actuen com a coenzims clau per gestionar el poder reductor. Els nucleòtids de piridina, com el parell (i ), participen com a cosubstrats solubles on la nicotinamida s'oxida o es redueix. Per la seva banda, els nucleòtids de flavina, com el parell (i FMN), actuen habitualment com a grups prostètics units a l'enzim; tenen l'avantatge funcional de poder transferir un o dos hidrògens en les etapes redox.

Mg2+ NAD /NADH + NADP+ FAD/FADH 2 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 21 ESQUEMA Components de l'holoenzim El centre actiu i la termodinàmica de les reaccions metabòliques La catàlisi té lloc en una regió molt concreta i reduïda de l'enzim anomenada centre actiu. Aquesta cavitat reconeix el substrat amb una alta especificitat d'acció, acull la molècula i indueix una reorganització electrònica mitjançant inestabilitats controlades que faciliten la conversió del substrat en producte.

Les rutes metabòliques es componen de dos tipus de reaccions segons el seu estat termodinàmic (vegeu «Bioenergètica — Termodinàmica i Metabolisme Cel·lular»): Reaccions reversibles: Es troben molt a prop de l'equilibri termodinàmic. Presenten una eficiència termodinàmica màxima, però alliberen poca energia lliure per realitzar treball mecànic o químic. Reaccions irreversibles: Funcionen molt allunyades de l'equilibri i presenten un G altament negatiu. Encara que són menys eficients termodinàmicament, posen una gran quantitat d'energia a disposició del sistema cel·lular i actuen com a marcadors de la direcció de les rutes metabòliques.

COMPROVA-HO 40 Quin paper compleixen les reaccions altament exergòniques en l'organització d'una ruta metabòlica? Cinètica de saturació i inhibició enzimàtica La velocitat d'una reacció enzimàtica depèn estretament de la concentració de substrat i de la quantitat d'enzim disponible. Quan tots els centres actius estan ocupats pel substrat, s'arriba a la saturació: augmentar més la concentració de substrat no accelerarà la reacció a menys que s'incrementi el nombre de molècules enzimàtiques. L'activitat catalítica es pot reduir o bloquejar mitjançant substàncies químiques anomenades inhibidors.

Aquest procés es divideix en dues categories generals: Inhibició irreversible: L'inhibidor s'uneix de manera permanent al centre actiu o altera de forma definitiva l'enzim. Aquest mecanisme comporta un cost biològic i energètic elevat per a la cèl·lula, ja Apoenzim Fracció proteica inactiva Cofactor Fracció no proteica auxiliar Ió inorgànic Metall com Mg² Coenzim orgànic Molècula orgànica auxiliar Cosubstrat Unió transitòria soluble com NAD Grup prostètic Unió covalent forta com FAD Δ Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 22 que inutilitza completament la proteïna fabricada.

Inhibició reversible: La interacció no és permanent; en retirar l'inhibidor, l'enzim recupera la seva activitat normal.

ESQUEMA Modalitats d'inhibició enzimàtica Tipus d'inhibició Lloc d'unió de l'inhibidor Mecanisme d'acció Efecte sobre la Km Efecte sobre la Vmàx Competitiva Centre actiu Competeix directament amb el substrat per la unió a l'enzim lliure Augmenta Inalterada No competitiva Centre regulador (al·lostèric) Modifica la conformació de l'enzim; impedeix la transformació catalítica Inalterada Disminueix Acompetitiva Complex enzim-substrat (ES) S'uneix exclusivament després que s'hagi format el complex ES i bloqueja la catàlisi Disminueix Disminueix Com es pot deduir del quadre cinètic, en la inhibició competitiva el valor de la Km augmenta mentre que la Vmàx es manté inalterada, ja que una concentració prou elevada de substrat pot desplaçar completament l'inhibidor.

ERROR FREQÜENT Un error habitual en els exàmens és afirmar que la fosforilació activa sempre un enzim. La modificació covalent reversible pot tant activar com inhibir la funció de la proteïna diana; la resposta biològica concreta depèn exclusivament de l'enzim específic regulat. COMPROVA-HO 41 Com es pot restaurar la velocitat màxima d'una reacció en presència d'un inhibidor competitiu?

Inhibició irreversible Modificació destructiva i permanent Inhibició reversible Interacció transitòria recuperable Competitiva Unió directa al centre actiu No competitiva Unió a un centre regulador Acompetitiva Unió exclusiva al complex ES Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 23 Mecanismes cel·lulars de regulació enzimàtica La cèl·lula compta amb diverses estratègies per controlar el flux de les seves rutes metabòliques en funció de les necessitats energètiques del moment: IDEES CLAU L'apoenzim requereix un cofactor (inorgànic o orgànic) per constituir l'holoenzim catalíticament actiu.

El parell NAD+/NADH actua com a cosubstrat soluble, mentre que el FAD/FADH2 funciona típicament com a grup prostètic. Les reaccions metabòliques irreversibles amb molt negatiu dirigeixen el sentit de les rutes bioquímiques. En la inhibició competitiva la augmenta i la no varia; en la no competitiva disminueix la velocitat màxima. La regulació covalent reversible és executada per quinases (fosforilació) i fosfatases (desfosforilació), podent activar o inhibir l'enzim. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 42. En què es distingeix un cosubstrat d'un grup prostètic pel que fa a la seva relació amb l'enzim? 43. Quin és l'efecte d'un inhibidor acompetitiu sobre els paràmetres cinètics de la reacció?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 44. Com s'anomena la fracció proteica d'un enzim quan no té unit el seu cofactor necessari? Modulació covalent reversible: Consisteix en la modificació química de l'enzim mitjançant la incorporació o l'alliberament de grups fosfat. Aquest procés és ràpid i requereix poca despesa d'energia respecte a la síntesi d'una proteïna sencera. Les quinases catalitzen reaccions de fosforilació i les fosfatases duen a terme reaccions de desfosforilació. Aquest canvi químic activa o desactiva l'enzim segons la seva naturalesa funcional concreta.

1 Control del recanvi proteic i transcripció gènica: Quan cal modificar la quantitat total de centres actius a llarg termini, la cèl·lula augmenta o disminueix la transcripció gènica per fabricar o degradar enzims. Aquesta estratègia exigeix més temps i un cost biològic superior a la regulació covalent, però permet adaptar la maquinària cel·lular a situacions fisiològiques sostingudes o renovar proteïnes danyades. 2 ΔG K m V m x a ˋ Cosubstrat a) Holoenzim b) Grup prostètic c) Apoenzim d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 24 45. Quin efecte cinètic caracteritza la presència d'un inhibidor de tipus competitiu? 46.

Quin tipus d'inhibidor reversible s'uneix exclusivament al complex enzim-substrat ja format? 47. Quina funció específica tenen les fosfatases en la regulació metabòlica? Km inalterada i Vmàx reduïda a) Km augmentada i Vmàx constant b) Km reduïda i Vmàx reduïda c) Km reduïda i Vmàx augmentada d) Acompetitiu a) Competitiu b) No competitiu c) Irreversible d) Degradar l'esquelet peptídic de l'enzim a) Incorporar grups fosfat amb ATP b) Eliminar grups fosfat de l'enzim c) Activar la transcripció dels gens d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 25 6 La Glucòlisi EN ACABAR SABRÀS Identificar els passos enzimàtics que consumeixen i generen ATP durant la via glucolítica.

Distingir el paper de la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa en l'obtenció de poder reductor i incorporació de fosfat. Calcular correctament el balanç estequiomètric net d'ATP, NADH i piruvat per molècula de glucosa. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 48 Per què una via metabòlica que té com a objectiu produir energia comença gastant dues molècules d'ATP? La glucòlisi és la ruta central del catabolisme de glúcids que oxida una molècula d'hexosa com la glucosa (6C) fins a obtenir dues molècules de tres carbonis anomenades piruvat (vegeu «Bioenergètica — Termodinàmica i Metabolisme Cel·lular»).

Aquest procés metabòlic es duu a terme íntegrament en el citosol i es divideix en dues etapes funcionals ben definides segons el consum o guany energètic i el nombre d'àtoms de carboni dels intermediaris.

PROCÉS Fases del metabolisme oxidatiu de la glucosa 1 Glucòlisi Oxidació citosòlica de glucosa a piruvat generant ATP i NADH 2 Cicle de Krebs Oxidació mitocondrial dels grups acetil fins a diòxid de carboni 3 Fosforilació Oxidativa Transport electrònic i síntesi d'ATP acoblada a gradient Fase preparatòria o d'inversió energètica (Glucòlisi I) L'etapa inicial s'encarrega d'activar la molècula de glucosa afegint grups fosfat amb càrrega negativa, fet que n'impedeix la difusió cap a l'exterior cel·lular a través de la membrana plasmàtica.

Metabolisme Energètic 6 La Glucòlisi 7 Cicle de Krebs i Fosforilació Oxidativa Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 26 COMPROVA-HO 49 Quina és la funció funcional i termodinàmica de gastar dos ATP en la fase preparatòria? Fase de rendiment energètic (Glucòlisi II) A partir del trencament de la fructosa-1,6-bifosfat, tots els passos de la via es duen a terme per duplicat, ja que hi ha dues trioses fosfat que segueixen la ruta d'oxidació cap a piruvat. ERROR FREQÜENT Oblidar duplicar els productes de la fase II. En provenir d'una hexosa que s'ha dividit en dues trioses, tots els productes de la fase de rendiment es multipliquen per 2.

Per cada molècula de glucosa s'obtenen en realitat 4 ATP bruts i 2 NADH, no 2 ATP i 1 NADH. Fosforilació de la glucosa: L'enzim hexocinasa transfereix un fosfat des d'una molècula d'ATP (consumint un enllaç ric en energia) fins al carboni 6 de la glucosa per sintetitzar glucosa-6- fosfat, alliberant ADP. 1 Isomerització a fructosa-6-fosfat: La fosfohexosa isomerasa reorganitza l'esquelet molecular transformant l'aldosa en una cetosa isomèrica (fructosa-6-fosfat). 2 Segona fosforilació: L'enzim fosfofructocinasa consumeix una segona molècula d'ATP per fosforilar el carboni 1, generant fructosa-1,6-bifosfat.

Aquesta doble fosforilació prepara la molècula per a una divisió simètrica en trioses fosforilades. 3 Ruptura en dues trioses: La fructosa-1,6-bifosfat es trenca donant lloc a dos isòmers de tres carbonis: el gliceraldehid-3-fosfat i la dihidroxiacetona fosfat. Cadascuna d'aquestes trioses reté un dels grups fosfat incorporats prèviament. 4 Oxidació i incorporació de fosfat inorgànic: L'enzim gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa oxida el gliceraldehid-3-fosfat acoblant-hi un fosfat inorgànic ( ) provinent directament del medi (sense despesa d'ATP).

L'energia d'aquesta oxidació s'aprofita per crear un enllaç covalent fosfat ric en energia i redueix un cosubstrat de a , generant 1,3-bifosfoglicerat. 1 P i NAD+ NADH + H+ Primera fosforilació a nivell de substrat: La 3-fosfoglicerat cinasa transfereix el fosfat d'alta energia de l'1,3-bifosfoglicerat a una molècula d'ADP per produir ATP, deixant en la via el 3- fosfoglicerat. 2 Isomerització intramolecular: L'enzim fosfoglicerat mutasa desplaça el grup fosfat internament, passant de 3-fosfoglicerat a 2-fosfoglicerat.

3 Deshidratació: L'enzim enolasa catalitza l'alliberament d'una molècula d'aigua per convertir el 2- fosfoglicerat en fosfoenolpiruvat (PEP), un compost amb un gran potencial de transferència de fosfat. 4 Segona fosforilació a nivell de substrat: La piruvat cinasa transfereix el grup fosfat restant del fosfoenolpiruvat a un ADP per generar ATP, donant lloc finalment al piruvat.

5 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 27 PROCÉS Etapes químiques de la glucòlisi 1 Inversió d'ATP Fosforilació de glucosa a fructosa- 1,6-bifosfat 2 Escissió en trioses Ruptura en gliceraldehid-3-P i dihidroxiacetona-P 3 Oxidació i fosforilació Generació de NADH i 1,3-bifosfoglicerat amb Pi 4 Síntesi d'ATP Fosforilacions a nivell de substrat fins a piruvat Balanç net i estequiometria de la ruta Si es contraposen la inversió inicial de cofactors i la generació posterior de compostos rics en energia, s'arriba al balanç net global per cada molècula sencera de glucosa: Fase Esdeveniments químics clau Consum / Producció per glucosa Fase I (Preparatòria) Fosforilacions (hexocinasa, fosfofructocinasa) i escissió en 2 trioses -2 ATP Fase II (Rendiment) Oxidació i dues fosforilacions a nivell de substrat ( trioses) +4 ATP i +2 NADH Balanç Global Net Glucosa (6C) 2 Piruvats (3C) +2 ATP i +2 NADH COMPROVA-HO 50 D'on prové el fosfat que s'incorpora durant la formació d'1,3-bifosfoglicerat?

IDEES CLAU La glucòlisi transforma una molècula de glucosa de 6 carbonis en dues molècules de piruvat de 3 carbonis en el citosol. La fase preparatòria inverteix 2 ATP mitjançant l'hexocinasa i la fosfofructocinasa per retenir i activar els metabòlits. L'escissió de la fructosa-1,6-bifosfat genera dues trioses fosfat isomèriques: dihidroxiacetona fosfat i gliceraldehid-3-fosfat. L'oxidació per la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa empra fosfat inorgànic lliure i redueix a NADH. La fase de rendiment genera 4 ATP per fosforilació a nivell de substrat (mitjançant la 3- fosfoglicerat cinasa i la piruvat cinasa).

El balanç estequiomètric net per molècula sencera de glucosa és de +2 ATP i +2 NADH. ×2 NAD+ Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 28 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 51. Quins enzims de la glucòlisi són els responsables de realitzar fosforilacions a nivell de substrat generant ATP? 52. Quin és el balanç energètic net (d'ATP i NADH) obtingut a partir de l'oxidació d'una molècula sencera de glucosa? METABOLISME ENERGÈTIC 7 Cicle de Krebs i Fosforilació Oxidativa EN ACABAR SABRÀS Descriure les etapes del cicle de Krebs i el destí del carboni i dels electrons. Identificar els complexos de la cadena respiratòria i els transportadors mòbils.

Explicar el mecanisme quimiosmòtic de síntesi d'ATP a través del gradient de protons. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 53 Com converteix la cèl·lula l'energia dels electrons del NADH en energia química com l'ATP si no estan en contacte directe? Transició mitocondrial: de piruvat a Acetil-CoA Després de la glucòlisi a l'interior del citoplasma (vegeu «Metabolisme Energètic — La Glucòlisi»), el piruvat entra al mitocondri. Allà experimenta una descarboxilació oxidativa mitocondrial catalitzada pel complex piruvat deshidrogenasa. En aquesta reacció irreversible, el piruvat perd un carboni en forma de i els dos carbonis restants s'uneixen al coenzim A formant Acetil-CoA, generant a més NADH.

L'Acetil-CoA és el punt de convergència metabòlic. No només prové de glúcids, sinó també de la degradació d'àcids grassos mitjançant la beta-oxidació i del catabolisme d'alguns aminoàcids. DEFINICIÓ El cicle de Krebs té un caràcter amfibòlic: funciona simultàniament en rutes catabòliques (oxidació de combustibles per obtenir energia) i en rutes anabòliques (subministrament d'intermediaris per a la síntesi de noves biomolècules). Les reaccions del cicle de Krebs El cicle de l'àcid cítric s'organitza en dues fases principals: la incorporació i descarboxilació oxidativa de l'acetil, i la posterior regeneració de l'oxalacetat.

CO 2 Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 29 COMPROVA-HO 54 Quants coenzims reduïts i quant de diòxid de carboni s'obtenen exactament per cada volta del cicle de Krebs? La cadena respiratòria i els transportadors mòbils La cadena de transport electrònic es troba a la membrana mitocondrial interna, a les crestes. Els seus components principals són flavoproteïnes (FMN, FAD), centres ferro-sofre (Fe-S), citocroms amb grups hemo i quinones.

Complex / Transportador Funció principal Destí dels electrons Bombeig de protons ( ) Complex I (NADH deshidrogenasa) Oxida el NADH de la matriu via FMN i Fe-S Ubiquinona (Q) Sí (cap a l'espai intermembranós) Complex II (Succinat deshidrogenasa) Oxida succinat directament a fumarat via FAD Ubiquinona (Q) No transloca protons Ubiquinona (Coenzim Q) Transportador mòbil lipòfil dins la bicapa Complex III No bombeja directament Complex III Transfereix electrons de la ubiquinona reduïda Citocrom c Sí (cap a l'espai intermembranós) Condensació inicial: l'Acetil-CoA (2 carbonis) s'uneix a l'oxalacetat (4 carbonis) per formar citrat (6 carbonis). És una reacció irreversible amb molt favorable.

1 ΔG < 0 Isomerització: l'enzim aconitasa transforma el citrat en isocitrat mitjançant una reacció reversible ( ). 2 ΔG 0 Primera descarboxilació oxidativa: l'isocitrat s'oxida a alfa-cetoglutarat (5 carbonis). S'allibera la primera molècula de i es redueix un a NADH. 3 CO 2 NAD+ Segona descarboxilació oxidativa: l'alfa-cetoglutarat passa a succinil-CoA (4 carbonis). S'allibera un altre , es produeix un segon NADH i s'incorpora un nou coenzim A creant un enllaç ric en energia. 4 CO 2 Fosforilació a nivell de substrat: l'enzim succinil-CoA sintetasa trenca l'enllaç tioèster.

Aquesta energia impulsa la fosforilació a nivell de substrat que sintetitza un GTP (equivalent energètic d'un ATP), alliberant succinat. 5 Oxidació a fumarat: la succinat deshidrogenasa oxida el succinat simètric formant un doble enllaç central (fumarat). En aquest pas es redueix FAD a . 6 FADH 2 Hidratació: l'enzim fumarasa afegeix una molècula d' al doble enllaç per produir L-malat. 7 H O 2 Regeneració de l'oxalacetat: la malat deshidrogenasa oxida el malat a oxalacetat, produint el tercer NADH del cicle. L'oxalacetat queda lliure per iniciar una nova volta.

8 H+ Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 30 Complex / Transportador Funció principal Destí dels electrons Bombeig de protons ( ) Citocrom c Transportador hidrosoluble a l'espai intermembranós Complex IV No bombeja directament Complex IV Transfereix els electrons a l'oxigen ( ) Reducció de a Sí (cap a l'espai intermembranós) Els electrons del NADH entren pel Complex I, mentre que el cedeix els seus electrons exclusivament al Complex II, el qual no bombeja protons. Ambdós convergeixen a la ubiquinona, que es desplaça lliurement per l'interior hidrofòbic de la membrana interna.

Després del Complex III, el citocrom c, situat a la perifèria en contacte amb l'espai intermembranós, actua com a pont mòbil cap al Complex IV. PROCÉS Flux d'electrons a la Cadena Respiratòria Fosforilació oxidativa i hipòtesi quimiosmòtica L'any 1961, Peter Mitchell va formular la hipòtesi quimiosmòtica que explica com s'acobla l'oxidació amb la síntesi d'ATP. El transport d'electrons a través dels complexos I, III i IV expulsa protons des de la matriu cap a l'espai intermembranós. Aquest bombeig genera una acumulació de càrregues positives i una baixada de pH fora de la matriu, establint un gradient electroquímic de protons. La membrana interna és impermeable als protons.

L'única via de retorn a la matriu és a través del canal de l'ATP sintasa. El flux de protons a favor del seu gradient electroquímic allibera l'energia necessària perquè l'enzim catalitzi la síntesi d'ATP a partir d'ADP i fosfat inorgànic ( ).

H+ O 2 O 2 H O 2 FADH 2 Complex I o II NADH cedeix e- al Complex I; succinat al Complex II 1 Ubiquinona (Q) Recull e- a la bicapa lipídica i els mou al Complex III 2 Complex III Bombeja protons i transfereix els e- al citocrom c 3 Citocrom c Proteïna mòbil a l'espai intermembranós cap al Complex IV 4 Complex IV Redueix O2 a H2O i bombeja protons addicionals 5 ATP sintasa Sintetitza ATP aprofitant el retorn dels protons a la matriu 6 P i Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 31 ERROR FREQÜENT Confondre el sentit del flux de protons durant la síntesi d'ATP. Els complexos respiratoris bomben protons contra gradient (des de la matriu a l'espai intermembranós).

En canvi, l'ATP sintasa aprofita el retorn dels protons a favor de gradient (des de l'espai intermembranós cap a la matriu) per sintetitzar ATP. Mai al revés. COMPROVA-HO 55 Per què l'oxidació del FADH2 produeix menys ATP que la del NADH a la cadena respiratòria? IDEES CLAU El piruvat pateix una descarboxilació oxidativa per formar Acetil-CoA abans d'incorporar-se al cicle de Krebs. El cicle de Krebs és amfibòlic i genera 3 NADH, 1 i 1 GTP per cada grup acetil oxidat. La succinat deshidrogenasa és un enzim compartit que forma part del cicle de Krebs i del Complex II respiratori.

La ubiquinona (lipòfila a la membrana) i el citocrom c (espai intermembranós) són els transportadors mòbils d'electrons. La hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell demostra que el retorn de protons a través de l'ATP sintasa impulsa la formació d'ATP. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 56. En quins passos del cicle de l'àcid cítric s'allibera diòxid de carboni? 57. Quin complex de la cadena de transport electrònic no contribueix al bombament de protons? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 58. Quin enzim catalitza la primera reacció amb despesa d'ATP a la glucòlisi? 59. Quin és l'origen del fosfat afegit per la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa?

FADH 2 Piruvat cinasa a) Hexocinasa b) Fosfofructocinasa c) Enolasa d) Un ATP a) Un ADP b) Fosfat inorgànic lliure c) Fructosa-1,6-bifosfat d) Apunts de Bioquímica: Biomolècules, Enzims i Metabolisme 32 60. Quin producte es genera directament per l'acció deshidratant de l'enolasa? 61. Quantes molècules d'ATP netes es guanyen a la glucòlisi per glucosa? 62. Quin enzim…