Estructures de les proteïnes, enzims i processos metabòlics

Estructura primària

Estudia la seqüència de la proteïna, és a dir, l’ordre en el qual s’uneixen els aminoàcids (AA) que la formen. La seqüència és característica de cada proteïna: cada proteïna té una seqüència diferent i aquesta està codificada per la seqüència d’un gen.

La seqüència determina el posterior plegament de la proteïna, ja que, després de formar-se, s'estableixen interaccions entre les diferents parts de la cadena lineal i aquesta es plega.

En alguns casos una mutació en l’ADN impedeix la formació de la proteïna amb la forma 3D correcta; en altres casos, però, la mutació pot tenir un efecte patològic. Exemple: l'anèmia falciforme, on la substitució d’un aminoàcid en la seqüència de l'hemoglobina fa que els glòbuls vermells adoptin la forma de falç i siguin eliminats, provocant anèmia.

Estructura secundària

Consisteix a estudiar el primer plegament que experimenta la proteïna, que pot ser en forma de:

Hèlix α (alfa)

• La cadena polipeptídica es plega de forma helicoïdal cap a la dreta.
• Es manté gràcies a ponts d’hidrogen entre vincles peptídics pròxims, deixant els radicals cap a l'exterior.
• Si els radicals són massa voluminosos o presenten càrregues que es repel·leixen, poden haver-hi trams sense hèlix alfa.
• Exemple: les α-queratines (presents en cabell, llana...).

Full plegat o làmina β

• La cadena polipeptídica es plega en forma de ziga-zaga en l'àmbit dels Cα, de manera que els radicals se situen per sobre i per sota del pla plegat.
• Es estabilitza amb ponts d’hidrogen entre grups peptídics llunyans; les cadenes fan un gir de 180°.
• Exemple: β-queratines, present en la fibroïna de la seda i en les teranyines d'aranya.

Hèlix de col·lagen

El col·lagen és la proteïna més abundant dels mamífers. Està format per fibres i aquestes per 3 hèlixs que s’enrotllen en una superhèlix.

Plegaments irregulars

La majoria de proteïnes presenten segments en hèlix α, altres en làmina β, però sovint també segments que es pleguen de manera irregular sense seguir cap model concret.

Estructura terciària (EXAMEN)

Estudia la conformació de la proteïna, és a dir, el plegament tridimensional (3D) de la proteïna, el qual depèn en gran mesura de la seqüència. L'estructura terciària d’una proteïna és la que permet que la proteïna faci la seva funció: si es perd l’estructura 3D també es perd la seva funció. L’estructura 3D està mantinguda per diversos tipus d’enllaços i interaccions.

Estructura quaternària

Només la presenten aquelles proteïnes que contenen més d’una cadena polipeptídica, com per exemple l’hemoglobina. Estudia com es col·loquen aquestes cadenes a l’espai i com interaccionen entre si.

Desnaturalització

La desnaturalització d’una proteïna és la pèrdua de la seva disposició tridimensional a causa de la pèrdua d’estructures secundàries, terciària i, si escau, quaternària. La proteïna acostuma a precipitar i perd la seva funcionalitat. L’estructura primària, mantenuda per enllaços peptídics, no es perd.

Factors que desnaturalitzen

• Increment de la temperatura: per sobre d’uns valors límit (per exemple, >45 °C en humans) les proteïnes es desnaturalitzen. Les temperatures baixes provoquen una disminució de l’activitat enzimàtica o una activitat molt lenta.
• Variació del pH: cada enzim té un interval de pH dins del qual és actiu.
• Salinitat elevada: si s’incrementa la concentració salina, l’enzim pot deixar d’estar soluble en la dissolució.
• Alguns dissolvents orgànics.

Renaturalització

La desnaturalització pot ser reversible si els factors actuen a baixa intensitat o durant un temps molt curt. Si no, pot ser irreversible, com ocorre amb la ovoalbúmina de la clara de l’ou: en fregir-la es desnaturalitza i passa a ser blanca.

Característiques dels enzims (EXAMEN)

Atès que els enzims són proteïnes, presenten les característiques anteriors, i a més tenen propietats pròpies:

• Actuen incrementant la velocitat de la reacció perquè disminueixen l’energia d’activació.
• Són altament específics: cada enzim intervé en una reacció concretament, unint-se a un substrat.
• No es consumeixen durant la reacció; al final d’aquesta es recuperen intactes.
• Sòlament poden accelerar reaccions que, en condicions estàtiques, són espontànies.
• Alguns necessiten coenzims (vitamines) o ions metàl·lics per funcionar (ex.: Cu2+, Ca2+).
• Presenten un centre catalític o centre actiu, que és una regió amb una distribució de càrregues complementària a la d’un substrat, cosa que permet la unió específica.

5.2.3. El cicle de Krebs

Té lloc a la matriu mitocondrial. El cicle de Krebs consisteix en 8 reaccions d’oxidació en les quals, a cada volta, s’incorporen 2 àtoms de carboni en forma de grup acetil sobre una molècula de 4 C (oxalacetat), transformant-la en una molècula de 6 C (citrat).

Posteriorment es produeixen oxidacions que alliberen àtoms d’H, els quals són captats pel NAD+ i el FAD; en reduir-se aquests coenzims s’obté un balanç energètic per cada acetil-CoA que penetra al cicle.

Cadena de transport d’electrons i fosforilació oxidativa

Els quatre complexos enzimàtics de la cadena respiratòria estan col·locats en un ordre decreixent de potencial redox. Quan el NADH s’oxida al complex I s’alliberen electrons que es transporten de complex en complex mitjançant reaccions redox. El FADH2 penetra pel complex II i també cedeix electrons i protons. Els electrons es transporten fins a l’oxigen, que és l’acceptor final; en acceptar electrons i dos protons des de la matriu es forma una molècula d’aigua.

L’energia alliberada en el transport d’electrons s’aprofita per bombejar protons contra gradient des de la matriu mitocondrial fins a l’espai intermembranós. Aquests protons retornen posteriorment a la matriu a través de l’ATP sintasa; aquest retorn porta associada la síntesi d’ATP. Aquesta síntesi d’ATP associada a la cadena de transport d’electrons s’anomena fosforilació oxidativa. La teoria que explica el procés s’anomena teoria quimiosmòtica.

Els éssers vius obtenen ATP principalment per:

• Fosforilació oxidativa.
• Fosforilació a nivell de substrat (obtenció d’ATP en reaccions metabòliques independents de la cadena respiratòria o de la fotosíntesi).
• Fotofosforilació (fotosíntesi).

7.1. β-oxidació

Oxida els àcids grassos fins a obtenir CO2 i H2O; la β-oxidació transforma els àcids grassos en acetil-CoA. Té lloc a la matriu mitocondrial.

Consta dels següents passos:

• Activació de l’àcid gras: té lloc al citosol i consisteix a unir l’àcid gras a un coenzim transportador perquè pugui entrar a la mitocòndria; aquest coenzim és la CoA. Això genera acil-CoA i consumeix 2 ATP netes.
• Per travessar la membrana interna mitocondrial, l’acil-CoA s’uneix a la carnitina (transportadora). Un cop a la matriu, els àcids grassos es van degradant de 2 en 2 carbonis en successives voltes, generant acetil-CoA, NADH i FADH2.
• Els acetil-CoA entren al cicle de Krebs; el NADH i el FADH2 entren a la cadena de transport d’electrons.

Equació d’activació (resum): Àcid gras + CoA → Acil-CoA (consumeix 2 ATP en el procés d’activació).

12.2. Factors que influeixen la fotosíntesi

• Concentració de CO2: com més CO2 disponible, més rendiment fotosintètic, ja que la Rubisco fixarà més CO2 i s’obtindrà més glucosa.
• Intensitat lumínica: un increment de la llum augmenta el rendiment fotosintètic fins a un cert llindar; per sobre d’aquest els pigments poden foto-oxidar-se i deixar de funcionar.
• Humitat: amb més humitat els estomes romanen oberts i permeten l’entrada de CO2; en ambient sec els estomes es tanquen per evitar la pèrdua d’aigua.
• Concentració d’O2: a concentracions altes d’O2 el rendiment fotosintètic disminueix perquè la Rubisco pot utilitzar O2 en lloc de CO2 (fotorespiració), reduint l’eficiència.
• Temperatura: en general, un augment moderat de temperatura incrementa l’activitat dels enzims de la fase fosca, però per sobre d’un llindar els enzims es poden desnaturalitzar.

Nota: la planta té cloroplasts (fotosíntesi) i també mitocondris (respiració aeròbia).

Tipus nutricionals i fonts

Fotoautòtrofs

• Font d’energia: energia lumínica.
• Font de carboni: CO2.
• Són: plantes, algues, cianobacteris i bacteris fotosintètics (no els fongs).

Quimioautòtrofs

• Font d’energia: matèria inorgànica (oxidació d’elements inorgànics).
• Font de carboni: CO2.
• Són: bacteris quimioautòtrofs.

Fotoheteròtrofs

• Font d’energia: energia lumínica.
• Font de carboni: matèria orgànica.
• Són: bacteris porpres i bacteris verds no sulfúrics.

Quimioheteròtrofs

• Font d’energia i de carboni: molècules orgàniques.
• Són: animals, protozous, fongs i la majoria dels bacteris.

Fase lumínica i fase fosca (reaccions)

Fase lumínica:

12 H2O + 18 (ADP + Pi) + 12 NADP+ → 6 O2 + 18 ATP + 12 (NADPH + H+)

Fase fosca (Cicle de Calvin):

6 CO2 + 18 ATP + 12 (NADPH + H+) → 1 glucosa + 6 H2O + 12 NADP+ + 18 (ADP + Pi)

Fotosíntesi global (fase lumínica):

6 CO2 + 12 H2O → 1 glucosa + 6 O2 + 6 H2O

Equacions globals de respiració i fermentacions

Respiració aeròbia (equació global):

1 glucosa (C6H12O6) + 38 (ADP + Pi) + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Fermentació làctica (equació global):

Glucosa + 2 (ADP + Pi) → 2 lactat + 2 ATP + 2 H2O

Fermentació alcohòlica (equació global):

Glucosa + 2 (ADP + Pi) → 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP

Glicòlisi (equació global):

1 glucosa + 2 (ADP + Pi) + 2 NAD+ → 2 piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O