Estudi dels Enzims i les Hormones

I 42 flashcards i 28 preguntes més al document.

Text del document

20 Biologia 2n Batx. 3.6 ELS ENZIMS AL·LOSTÈRICS Existeix una altra classe important d'enzims que no presenten una cinètica hiperbòlica. Es tracta d'enzims reguladors que les seves activitats estan controlades per senyals químiques de la cèl·lula i que, en definitiva, controlen el metabolisme. Els enzims al·lostèrics, anomenats també reguladors són els que poden adoptar dues formes estables diferents. Una és la configuració activa de l'enzim, i l'altra, la configuració inactiva. Estan constituïts per dues o més subunitats formades per cadenes polipeptídiques, i són, per això, proteïnes amb estructura quaternària.

A més del centre actiu, aquests enzims tenen almenys un altre lloc, anomenat centre regulador o centre al·lostèric, al qual es pot unir una substància determinada, anomenada Iligand. Sovint una sola de les configuracions presenta afinitat pel lligand, en aquests casos és la presència del lligand la que determina el canvi de configuració en l'enzim, l' anomenada transició al·lostèrica . Per explicar el mecanisme al·lostèric hem de considerar un enzim al·lostèric compost de dues subunitats idèntiques, cadascuna amb el seu centre actiu. Les subunitats poden adoptar dues possibles conformacions espacials interconvertibles que estan en equilibri dinàmic: R(relaxat) i T(tens).

La forma R, que és l'activa i té molta afinitat pel lligant, mentre que per a la forma T, és poc activa i l'afinitat és baixa per les molècules del lligand. Quan un lligand s'uneix a una proteïna en estat T li provoca un canvi de comformació. La proteïna adopta l'estat de comformació R i es fa activa per la seva funció específica. Totes dues subunitats s'han de trobar en el mateix estat conformacional, perquè es mantingui la simetria del dímer. Les conformacions possibles són RR i TT, però no RT. En absència de substrat, gairebé totes les molècules de l'enzim estan en la forma T.

L'addició del substrat canvia aquest equilibri a favor de la forma R, perquè el substrat s'uneix Fig.1 Tipus d'inhibició 21 Biologia 2n Batx. només a la forma R. Quan el substrat s'uneix a un dels centres actius, l'altre centre de la mateixa molècula enzimàtica ha d'estar en la forma R, perquè es mantingui la simetria. En aquestes condicions l'activitat enzimàtica és molt gran per a concentracions del substrat relativament baixes. A una concentració de substrat determinada, un efector positiu augmenta l'activitat de l'enzim al unir- se al lloc al·lostèric i un efector negatiu la disminueix.

Es coneixen dos tipus de lligands segons la configuració induïda que afavoreixen: els activadors o efectors, i els inhibidors. En alguns enzims hi ha dos centres reguladors als quals uneixen lligands de diferents tipus, cadascun dels quals provoca una disminució d'afinitat de l'enzim per l'altre. L'al·losteria permet l'autoregulació de l'activitat enzimàtica. N'hi ha dos casos: 1. Regulació per retroinhibició o inhibició feed back. Es dóna en enzims la configuració inicial dels quals és activa. Es produeix quan el producte final és el que, com que es fixa al centre regulador, actua com a inhibidor, i així provoca la transició al·lostèrica a la forma inactiva de l'enzim. 2.

Regulació per inducció enzimàtica. Es dóna en enzims la configuració inicial dels quals és la inactiva. Es produeix quan una substància inicial, és la que, quan es fixa al centre regulador, provoca la transició al·lostèrica a la forma activa de l'enzim, per la qual cosa aquest començà a actuar sobre el substrat. 3.7 Efecte cooperatiu Els enzims al·lostèrics solen estar formats per diverses subunitats moleculars anomenades protòmers. Cada protòmer posseeix un centre actiu i almenys un centre regulador. En molts enzims, quan al centre regulador s'uneix una molècula anomenada activador o lligand, la configuració del protòmer varia, de manera que fa funcional el centre actiu.

La variació en la configuració d'aquest protòmer es transmet instantàniament a altres protèomers associats, que es fan, al seu torn actius. Aquest efecte s'anomena transmissió al·lostèrica. D'aquesta manera, l'enzim passa d'estat inhibit (T) a un estat actiu o catalític (R). Com que perquè un enzim al·lostèric actuï és necessària la unió d'un o més lligants i després la unió del substrat, la velocitat de la reacció en funció de la concentració de substrat no augmenta tant ràpidament com en els enzims no al·lostèrics.

En canvi, si aquest enzim és una subunitat i la seva transformació a l'estat actiu es transmet al·lostèricament a totes les altres subunitats, són nombroses les que sobtadament comencen a actuar, fet que s'anomena cooperativisme. Amb això es produeix un canvi de velocitat de reacció molt gran, l'anomenada "llei del tot o res" o "tipus interruptor" Els enzims al·lostèrics presenten un efecte cooperatiu, perquè la unió de substrat a una de les subunitats de l'enzim facilita la unió de les altres molècules del substrat als centres actius d'altres subunitats.

Que es necessiti menys enzim per assolir la velocitat màxima i que aquesta tan sols actuï significativament només a partir d'una determinada concentració de substrat. Els enzims amb cooperativisme són més sensibles en la seva resposta als canvis de concentració de substrat, i tenen una transició "tipus interruptor" d'una velocitat de reacció baixa a una alta conforme augmenta la concentració de substrat. La funció és una corba en S. (Il·lustració 1) Il·lustració 1 cooperativisme 22 Biologia 2n Batx. Aquest model explica els efectes dels activadors o inhibidors al·lostèrics.

La unió d'un inhibidor al·lostèric provoca que l'enzim adopti la conformació inactiva i promou la unió cooperativa d'una segona molècula d'inhibidor. Passa una cosa semblant en el cas dels activadors. Un excés de substrat pot revestir l'efecte inhibidor, perquè la unió del substrat promou que l'enzim adopti la conformitat activa. Cinemàtica dels enzims al·lostèrics Aquests enzims tenen una cinemàtica diferent a la resta d'enzims i no responen a la corba hiperbòlica de l'equació de Michaelis-Menten, sinó a una corba sigmoïdal.

(en "S") Els enzims al·lostèrics actuant en cooperativisme, a causa de la interacció d'altres molècules, l'augment inicial de la concentració del substrat, provoca un menor increment de la velocitat de reacció. Il·lustració 1 La velocitat de reacció en enzims al·lostèrics amb cooperativisme 23 Biologia 2n Batx. https://www.youtube.com/watch?v=QPMh2K0qcw4 https://www.youtube.com/watch?v=LKiXfqaWNHI Si comparem la representació ideal de saturació dels centres de substrat enfront a concentració de substrat per a (A) un enzim, (B) un enzim al·lostèric cooperativitat positiva i (C) un enzim regulador que presenta cooperativitat negativa, ens trobem que: A.

Enzim no regulador que segueix l'equació de Michaelis-Mentel (hipèrbole rectangular). Cal un increment de 81 vegades en [S], perquè l'activitat passi des del 10 al 90% de la màxima. B. Enzim regulador que segueix una corba sigmoidal (cooperativitat positiva). Només cal que [S] augmenti 9 vegades, per què s'incrementi l'activitat des del 10 al 90% de la màxima. C. Enzim regulador que mostra cooperativitat negativa. La concentració del substrat ha d'augmentar-se 6000 vegades perquè la velocitat s'elevi del 10 al 90% de la màxima. A B C 3.8 REGULACIÓ DE L'ACTIVITAT ENZIMÀTICA La cèl·lula pot regular de dues maneres que es doni o no una via metabòlica.

Una és augmentant o disminuint la síntesi dels enzims que intervenen a partir dels gens que les codifiquen, atès que molt enzims tenen una estabilitat relativament curta, d'unes quantes hores. Regulació gènica. Modulació de la síntesi enzimàtica Atès que molts enzims reguladors de velocitat tenen una mitjana de vida relativament curta, d'unes quantes hores, una manera de controlar una via és augmentant o disminuint la síntesi d'aquest enzim a partir del gen que el codifica. Aquesta síntesi es pot controlar a la cèl·lula per processos de retroinhibició o d'inducció. Els enzims que sintetitza una cèl·lula depenen dels gens que s'expressin en aquesta cèl·lula.

Els enzims constitutius es troben en quantitats constants, encara que no hi hagi substrat en aquests moment, mentre que els enzims induïbles només es produeixen quan hi ha substrat. 24 Biologia 2n Batx. Una altra manera és regulant l'activitat dels enzims. L'al·losteria permet l'autoregulació de l'activitat enzimàtica. N'hi ha dos casos: Regulació pel producte final, retroinhibició o inhibició per feed back. L'enzim que catalitza la primera reacció sol ser un enzim al·lostèric que actua com a regulador, de manera que el producte final, pot ser un modulador negatiu d'aque st enzim. D'aquesta manera, la quantitat de producte (P) es manté dintre dels límits adequats.

Si la seva quantitat supera la necessària, un nombre més gran de molècules de l'enzim s'hi uneixen i no pas al substrat, i amb això disminueix la síntesi de P. Quan la concentració de P es redueix, el nombre de molècules d'enzim que s'uneixen al substrat és més gran, i això porta a una síntesi de P més gran. La configuració inicial de l'enzim és l'activa. Es produeix quan el producte final és el que, com que es fixa al centre regulador, actua com a inhibidor, i així provoca la transició al·lostèrica a la forma inactiva de l'enzim.

El resultat és que es manté la quantitat de producte dins uns límits, ja que si n'hi ha un nombre major de molècula de producte aquest s'aferra a l'enzim i impedeix la seva unió al substrat. La regulació per feed-back és el mecanisme generalment utilitzat en les vies metabòliques. Regulació per inducció enzimàtica És la que es dóna quan la configuració inicial de l'enzim és la inactiva. En aquest tipus de regulació la substància inicial és la que es fixa al centre regulador i provoca la transició al·lostèrica de l'enzim a la seva forma activa, per la qual cosa aquest comença a actuar sobre el substrat.

Regulació per modificacions covalents reversibles L'activitat d'alguns enzims es modifica profundament per la unió covalent de certes molècules. Per exemple, la glicogen fosforilasa, que allibera molècules a partir del glicogen, s'activa per fosforilació d'un residu de serina específic. La reacció s'inverteix per mitjà de la hidròlisi de l'enllaç èster del fosfat. Regulació de l'activitat proteolítica Alguns enzims se sintetitzen en forma de percussor inactiu (zimogen o proenzim) i són activats en el lloc fisiològicament apropiat. L'activitat proteolítica, en contrast amb el control al·lostèric, només succeeix una vegada en la vida d'una molècula enzimàtica.

Hi ha diferents exemples: 25 Biologia 2n Batx. - Els enzims digestius proteolítics, com el pepsinògen, secretat a l'estómac, que es transforma en pepsina en contacte amb el HCl o bé el tripsinogen que es sintetitza en el pàncrees i s'activa pel trencament d'un enllaç peptídic al duodè per formar l'enzim actiu, la tripsina. - Coagulació de la sang. Es basa en una seqüència d'activacions proteolítiques que asseguren una resposta ràpida a la lesió. - La insulina forma a partir d'un precursor inactiu, la proinsulina, per separació proteolítica d'un pèptid, i el col·lagen es deriva d'un precursor soluble, el procol·lagen.

3.9 Disposició espacial dels enzims Els enzims solen actuar junts en seqüències encadenades, i originen així vies metabòliques controlades per sistemes multienzimàtics, o associacions d'enzims, en el quals el producte del primer enzim és el substrat del següent, i així successivament, fins al producte final. Per això per augmentar l'eficiència del sistema, es donen la compartimentació, els complexes multienzimàtics i la inclusió d'enzims a les membranes. Es coneixen tres nivells de complexitat en aquests sistemes: - Primer nivell o compartimentació: Consisteix a separar amb membranes els llocs on es duen a terme les vies metabòliques que no es vol que es relacionin.

Els enzims, pel fet de ser proteïnes solubles, estan dissolts en el citoplasma com a molècules independents. Les molècules del substrat, que tenen velocitats de difusió elevades, troben ràpidament el camí d'un enzim al següent. Per exemple la via de la degradació de la glucosa a piruvat de la glicòlisi. - Segon nivell o complex multienzimàtic. La major part dels enzims que hi ha a la cèl·lula treballen integrats en seqüencies de reaccions bioquímiques que s'anomenen sistemes multienzimàtics. En aquests, el producte d'una reacció es el substrat de la reacció següent.

Cada sistema multienzimàtic s'encarrega d'una feina especifica, com ara la degradació dels àcids grassos o bé la síntesi d'un aminoàcid des d'un altre precursor més senzill. En Ia major part de sistemes multienzimàtics, el primer enzim de Ia seqüencia actua com a regulador de Ia velocitat de tet el sistema. Per això rep el nom d'enzim regulador. Aquest enzim acostuma a ser inhibit per Ia molècula que s'obté com a producte final de Ia seqüencia. Així, sempre que aquest s'acumuli per sobre d'una determinada concentració, inhibeix I'enzim regulador i modera o atura Ia seva pròpia síntesi. Aquest tipus d'inhibició es coneix amb el nom de retroinhibició o inhibició per producte final.

Els enzims a c t u e n s u c c e s s i v a m e n t e n u n a v i a i estan associats físicament i actuen com a complexos enzimàtics, de manera que els substrats intermedis mai no abandonen el complex. L'ordenació dels enzims en complexos enzimàtics té l'avantatge de reduir la distància a través de la qual 26 Biologia 2n Batx. han de viatjar les molècules del substrat durant el curs de la via metabòlica. Ex: piruvatdeshidrogenasa, el complex de citocroms,... - Tercer nivell o inclusió a les membranes. Els sistemes enzimàtics s'associen en estructures supramoleculars, com ara les membranes o els ribosomes, de manera que es facilita la unió entre els successius productes i els successius enzims.

Per exemple, els dos complexes multienzimàtics que fan les dues últimes etapes de la cadena respiratòria es troben així a la membrana interna dels mitocondris. Conèixer la quantitat d'enzim present en un moment donat aporta informació sobre algunes patologies i serveix com a prova diagnòstica. Alguns exemples d'enzims que es fan servir per a la detecció de patologies són els següents. 6. Nomenclatura i classificació dels enzims Els enzims s'anomenen per mitjà d'un terme basat en: - El nom del substrat. - El nom del coenzim (si n'hi ha). - La funció que exerceix, acabat en -asa I en aquest ordre: Exemple: malonat –CoA-transferasa, el succinat-flavino-deshidrogenasa, etc...

Normalment tan sols s'utilitza el nom del substrat acabat en –asa: Exemple: Sacarasa, maltasa etc. Hi ha també enzims digestius que conserven el nom tradicional: tripsina, pepsina, etc. A la comissió internacional d'enzims (IEC), organisme que cataloga els més de 2000 enzims coneguts actualment, li ha calgut una nomenclatura numèrica que estableixi un codi de quatre nombres per identificar cada enzim. I per fer-ho l'enzim està numerat amb quatre xifres: 1ª Indica la classe. 2ª Indica la subclasse. 3ª Indica la divisió. 4ª Indica l'enzim concret.

Exemple: 2.8.3.3 és el malonat-CoA-transferasa Els enzims es classifiquen en sis classes, segons la funció que exerceixen: 1) Oxidoreductases: Catalitzen reaccions d'oxidació-reducció, del substrat. En les quals es produeix una transferència d'hidrogen, oxigen o electrons. Tenen una importància especial en la cadena respiratòria. Se'n distingeixen dos grups: - Oxidases: Oxiden el substrat quan n'accepten els electrons. Ex: citocroms cadena respiratòria. 27 Biologia 2n Batx. - Deshidrogenases: sónenzimsoxidantsqueseparen àtoms d'hidrogen del substrat.

Utilitzen coenzims com el NAD+, NADP+ o FAD; Ex: NAD- reductasa de la cadena respiratòria 2) Transferases: Catalitzen la transferència de grups funcionals entre substrats. Canvien els radicals d'un substrat a l'altre sense que en cap moment aquests radicals quedin lliures.; per exemple, la glucocinasa que transfereix un grup fosfat des de l'ATP fins a la glucosa. 3) Hidrolases: Catalitzen reaccions d'hidròlisi, introduint grups OH i H procedents d'una molècula d'aigua. Trenquen enllaços amb l'addicció d'una molècula d'aigua que s'escindeix i aporta un –OH a una part i un –H a l'altra.

(Ex: enzims digestius com les carbohidrases, peptidases, esterases (lipases), les amidases....) 4) Liases: Catalitzen el trencament d'enllaços i la separació de grups funcionals , i formen sovint enllaços dobles, o bé realitzen la unió a aquests enllaços dobles dels esmentats grups funcionals, però sense intervenció de l'aigua. Actuen sobre els enllaços C=C, C=O i C=N Ex: les desaminases 5) Isomerases: Catalitzen reaccions d'isomerització, és a dir, de canvi de posició d'un grup d'una part a l'altra de la mateixa molècula. 6) Ligases o sintetases: Catalitzen la unió de molècules o de grups funcionals a una molècula, amb l'energia proporcionada per la desfosforilació d'ATP.

A aquest grup pertanyen la major part de les polimerases. 28 Biologia 2n Batx. 29 Biologia 2n Batx. 5. LES VITAMINES Les vitamines són glúcids o lípids senzills que actuen com a coenzims (alguns després d'unir-se a altres molècules) i que, en general, els animals no poden sintetitzar o ho fan en quantitats insuficients, per això necessiten ingerir-los en la dieta. El nom, vol dir "amina vital", ja que són necessaris per a la vida i la primera que es va aïllar era una amina. Característiques: - Son substàncies làbils, que s'alteren amb facilitat amb el canvi de temperatura, la llum o l'emmagatzemen prolongat.

Per exemple, en la cocció dels aliments es redueix a la meitat la quantitat de vitamines, per això es recomana la ingesta d'aliments crus, com ara la fruita i les amanides. - Les plantes i bacteris p o d e n sintetitzar les vitamines. I els animals, de vegades no les troben formades del tot en els aliments, sinó en forma de provitamines, que necessiten transformar posteriorment per crear les vitamines. Per exemple les vitamines A i D. En altres casos la flora bacteriana és la que aporta les vitamines, com la K i algunes B. - Tant la falta de vitamines com l'excés originen trastorns metabòlics més o menys greus per a l'organisme, que poden tenir conseqüències per a la salut.

La manca total de vitamines és coneix com a avitaminosi; si la carència és parcial, s'anomena hipovitaminosi. L'excés de vitamina rep el nom d'hipervitaminosi. Classificació segons la seva solubilitat: Liposolubles: Són de naturalesa lipídica i, per tant, soluble en dissolvents orgànics. En els animals en el teixit adipós. Pertanyen a aquest grup les vitamines A,D,E i K. Un altre grup de vitamines dins d'aquest seria la Vitamina F; un conjunt d'àcids grassos essencials, els quals són insaturats. Són essencials en l'organisme però no els podem fabricar. L'excés pot provocar trastorns . Hidrosolubles: Són solubles en aigua i, per tant, es difonen molt bé per la sang.

Pertanyen a aquest grup les vitamines del complex B ( vitamines B1, B2, B3, B5, B6, B8, B9, B12 ) i la vitamina C. Totes elles tenen la característica de ser hidrosolubles i de que es troben en l'embolcall de l'arròs (com a complex) o són aminoàcids essencials: són imprescindibles per fabricar proteïnes, i els hem d'ingerir. En principi, l'excés no provoca trastorns, perquè els ronyons les filtren i s'eliminen per l'orina. Les diferents B actuen en moltes vies metabòliques i en la formació d'eritròcits. Si n'hi ha dèficit s'afavoreix la degeneració de les neurones, la debilitat muscular, la inapetència i l'anèmia. La Vit C intervé en la síntesi del col·lagen.

La importància de les vitamines radica en el fet que són coenzims o bé que són imprescindibles per sintetitzar-los 30 Biologia 2n Batx. VITAMINES LIPOSOLUBLES A Antixeroftàlmica Inclou: - A1, retinol - A2 (retinal - A3 derivat de l'A1 Vegetals, com la pastanaga, rics en carotè (provitamina). Olis de fetge de bacallà, mantega i ous Protegeix els epitelis. Necessària per a la vista Dèficit: Infeccions dels epitelis. Xeroftàlmia: engruiximent i opacitat de la còrnia, pèrdua d'agudesa visual i ceguesa nocturna. Excés: Caiguda dels cabells, debilitat, cefalees i vòmits.

D Engloba diverses vitamines com : D2, calciferol D3, colecalciferol A partir de la insolació que transforma la provitamina 7- deshidrocolesterol en vitamina D3 i l'ergosterol dels vegetals en vitamina Regula l'absorció de calci a l'intestí. Afavoreix la formació dels ossos Dèficit: Raquitisme en infants i osteomalàcia en adults. Excés: Trastorns digestius, calcificació d'òrgans com cor, fetge.... D2. Salmó, arenga, ous, formatge, mantega... E Tocoferol Olis vegetals, ametlles, avellanes, rovell d'ou, carn, fetge i peix Antioxidant. Impedeix la destrucció dels dobles enllaços dels àcids grassos Dèficit: Trastorns intestinals i debilitat muscular.

En rosegadors provoca esterilitat, avortaments... K Engloba diferents vitamines com: K1: Vegetals de fulla verda K2: peix K3: flora intestinal K4: sintètica Síntesi de protrombina (precusora de la trombina) necessari en la coagulació de la sang. Dèficit: Hemorràgies No és tòxica en excés. K1 fil·loquinona K2 menaquinona 31 Biologia 2n Batx. 32 Biologia 2n Batx. 7 LES HORMONES Els éssers vius pluricel·lulars necessiten sistemes que regulin i coordinin l'activitat de les seves cèl·lules. En els animals, aquest control l'exerceix el sistema nerviós i les hormones, i en els vegetals, tan sols les hormones.

Les hormones són substàncies químiques produïdes per glàndules endocrines o de secreció interna, ja que vessen els seus productes (hormones) al medi intern (sang, hemolimfa, saba). Així doncs, les hormones actuen corn a missatgers químics. Mecanisme d'acció Les hormones únicament actuen sobre un òrgan determinat, anomenat òrgan blanc o òrgan diana, les cèl·lules del qual són les úniques que tenen a la membrana plasmàtica receptors específics (receptors hormonals) per a aquelles hormones que poden influir en l'activitat de l'òrgan esmentat. Les hormones són principalment proteïnes o esteroides, encara que també n'hi ha de derivades deIs aminoàcids i, fins i tot, d'àcids grassos.

Les hormones proteiques actuen de la següent manera: - No penetren al medi intern de les cèl·lules de l'òrgan blanc perquè tenen un pes molecular elevat. - S'uneixen al seu receptor de membrana, indueixen l'activació d'un enzim, l'adenilciclasa, associada al receptor i situada a la cara interna de la membrana. - L'adenilciclasa catalitza la transformació de l'ATP en AMP cíclíc (AMPc) - L'AMP cíclic actua com a segon missatger, que al seu torn activa una proteïna enzimàtica la cinasa, - La cinasa indueix la resposta de la cèl·lula de l'òrgan blanc. 33 Biologia 2n Batx.

Les hormones esteroides, actuen de la següent manera: - A causa del baix pes molecular i la liposolubilitat travessen la membrana plasmàtica i es difonen peI citoplasma. - S'uneixen als seus receptors específics, que després les introduiran al nucli. - Un cop al nucleoplasma poden desinhibir gens que, com que poden ser transcrits, originen molécules d'ARNm - L'ARNm indueix la síntesi de proteïnes quan es tradueixen al citoplasma. Funcions Les hormones exerceixen tres funcions: 1) Estimulen la síntesi de determinades substàncies.

2) Regulen el metabolisme cel·lular 3) Estimulen el creixement i la diferenciació cel·lular En els animals hi ha una estreta relació entre el sistema nerviós i el sistema hormonal. Hi ha una secreció endocrina feta per glàndules endocrines que vessen les hormones pròpiament dites a la sang, i que afecta el sistema nerviós i una neurosecreció de les neurones de l'hipotàlem que produeixen neurohormones que van a parar a la sang, i en la hipòfisi estimulen la producció d'hormones i aquestes després estimulen altres glàndules endocrines.