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7.4: Metabolismo - Biología

7.4: Metabolismo - Biología


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Los resultados del aprendizaje

  • Describe la diversidad metabólica de los protistas.

Los protistas exhiben muchas formas de nutrición y pueden ser aeróbicos o anaeróbicos. La vesícula que contiene la partícula ingerida, el fagosoma, luego se fusiona con un lisosoma que contiene enzimas hidrolíticas para producir un fagolisosoma, y la partícula de alimento se descompone en pequeñas moléculas que pueden difundirse en el citoplasma y usarse en el metabolismo celular. Los restos no digeridos finalmente se expulsan de la célula mediante exocitosis.

Los subtipos de heterótrofos, llamados saprobios, absorben nutrientes de organismos muertos o sus desechos orgánicos. Algunos protistas, como Euglena, pueden funcionar como mixótrofos, obteniendo la nutrición por rutas fotoautótrofas o heterótrofas, según se disponga de luz solar o de nutrientes orgánicos.


Ciclo metabólico, ciclo celular y la patada final para comenzar

La levadura en ciernes de crecimiento lento almacena carbohidratos, luego los liquida en la fase G1 tardía del ciclo celular, superponiendo un ciclo metabólico en el ciclo celular. Este ciclo metabólico puede separar procesos bioquímicamente incompatibles. Alternativamente, puede proporcionar una explosión de energía y material para comprometerse con el ciclo celular. Los carbohidratos almacenados podrían explicar el requisito de tamaño de las células que pasan por el punto de inicio.

La levadura, como mis hijos, es más vibrante en altas concentraciones de azúcar. La levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae extrae solo 2 moles de ATP por mol de glucosa a través de la fermentación (es decir, glucólisis a piruvato, luego reducción del piruvato a etanol), pero crece rápidamente con un tiempo de duplicación de aproximadamente una hora y media. En concentraciones bajas de glucosa (o en fuentes de carbono no fermentables), la levadura crece a través de la respiración oxidativa, extrayendo más de 30 moles de ATP por mol de glucosa, pero ahora su tiempo de duplicación aumenta a 3 horas o más.

La levadura que crece oxidativamente en glucosa limitada usa esta glucosa de tres formas principales. Primero, por supuesto, lo usan como fuente de energía, la glucosa fluye a través de la glucólisis para generar ATP, NADH y piruvato, y el piruvato fluye a través del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y la fosforilación oxidativa para generar aún más ATP. En segundo lugar, utilizan la glucosa como materia prima para construir la pared celular. En tercer lugar, se almacena otra gran parte de la glucosa, algo en el glucógeno polisacárido y algo en el disacárido trehalosa. Por lo tanto, aunque estas células que respiran están en cierto sentido hambrientas de glucosa (ya que podrían crecer más rápido si hubiera más glucosa disponible), almacenan una buena parte de la glucosa. Aproximadamente el 16% del peso seco de una célula que respira es carbohidrato almacenado (es decir, glucógeno más trehalosa), mientras que una célula que crece a través de la fermentación con glucosa abundante prácticamente no tiene carbohidratos almacenados [1, 2].


7.4 Fosforilación oxidativa

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cómo se mueven los electrones a través de la cadena de transporte de electrones y explicar qué sucede con sus niveles de energía durante este proceso.
  • Explicar cómo la cadena de transporte de electrones establece y mantiene un gradiente de protones (H +).

Acaba de leer sobre dos vías del catabolismo de la glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. Sin embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. En cambio, se deriva de un proceso que comienza moviendo electrones a través de una serie de portadores de electrones que experimentan reacciones redox. Este proceso hace que los iones de hidrógeno se acumulen dentro del espacio intermembranoso. Por lo tanto, se forma un gradiente de concentración en el que los iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio intermembranoso hacia la matriz mitocondrial al pasar a través de la ATP sintasa. La corriente de iones de hidrógeno impulsa la acción catalítica de la ATP sintasa, que fosforila el ADP y produce ATP.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones (figura 7.10) es el último componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo de la glucosa que utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en los tejidos de las plantas (generalmente a través de los estomas), así como en los hongos y las bacterias; sin embargo, en los animales, el oxígeno ingresa al cuerpo a través de una variedad de sistemas respiratorios. El transporte de electrones es una serie de reacciones redox que se asemeja a una carrera de relevos o una brigada de cubos en el que los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta el punto final de la cadena donde los electrones reducen el oxígeno molecular y, junto con los protones asociados, producen agua. . Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetadas de I a IV en la figura 7.10, y la agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones está presente con múltiples copias en la membrana mitocondrial interna de eucariotas y dentro de la membrana plasmática de procariotas.

Complejo I

Primero, se transportan dos electrones al primer complejo a través de NADH. Este complejo, etiquetado I, está compuesto de mononucleótido de flavina (FMN) y una proteína que contiene hierro-azufre (Fe-S). FMN, que se deriva de la vitamina B2 (también llamada riboflavina), es uno de varios grupos protésicos o cofactores en la cadena de transporte de electrones. Un grupo protésico es una molécula no proteica necesaria para la actividad de una proteína. Los grupos protésicos son moléculas orgánicas o inorgánicas, no peptídicas, unidas a una proteína que facilitan su función. Los grupos protésicos incluyen coenzimas, que son los grupos protésicos de enzimas. La enzima del complejo I es NADH deshidrogenasa y está compuesta por 44 cadenas polipeptídicas separadas. El complejo I puede bombear cuatro iones de hidrógeno a través de la membrana desde la matriz al espacio intermembrana, y de esta manera se establece y mantiene el gradiente de iones de hidrógeno entre los dos compartimentos separados por la membrana mitocondrial interna.

Q y Complejo II

El complejo II recibe directamente FADH2—Que no atraviesa el complejo I. El compuesto que conecta el primer y segundo complejos al tercero es la ubiquinona B. La molécula Q es soluble en lípidos y se mueve libremente a través del núcleo hidrófobo de la membrana. Una vez que se reduce (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q recibe los electrones derivados de NADH del complejo I, y los electrones derivados de FADH2 del complejo II. Esta enzima y FADH2 forman un pequeño complejo que entrega electrones directamente a la cadena de transporte de electrones, sin pasar por el primer complejo. Dado que estos electrones se desvían y, por lo tanto, no activan la bomba de protones en el primer complejo, se producen menos moléculas de ATP a partir de la FADH.2 electrones. El número de moléculas de ATP que se obtienen finalmente es directamente proporcional al número de protones bombeados a través de la membrana mitocondrial interna.

Complejo III

El tercer complejo está compuesto por el citocromo b, otra proteína Fe-S, un centro de Rieske (centro 2Fe-2S) y proteínas del citocromo c. Este complejo también se llama citocromo oxidorreductasa. Las proteínas del citocromo tienen un grupo protésico de hemo. La molécula de hemo es similar al hemo de la hemoglobina, pero transporta electrones, no oxígeno. Como resultado, el ion de hierro en su núcleo se reduce y oxida a medida que pasa los electrones, fluctuando entre diferentes estados de oxidación: Fe ++ (reducido) y Fe +++ (oxidado). Las moléculas de hemo en los citocromos tienen características ligeramente diferentes debido a los efectos de las diferentes proteínas que se unen a ellas, dando características ligeramente diferentes a cada complejo. El complejo III bombea protones a través de la membrana y pasa sus electrones al citocromo c para su transporte al cuarto complejo de proteínas y enzimas. (Sin embargo, el citocromo c recibe electrones de Q, mientras que Q transporta pares de electrones, el citocromo c solo puede aceptar uno a la vez).

Complejo IV

El cuarto complejo está compuesto por las proteínas del citocromo c, ay a3. Este complejo contiene dos grupos hemo (uno en cada uno de los dos citocromos, ay un3) y tres iones de cobre (un par de CuA y una CuB en el citocromo a3). Los citocromos mantienen una molécula de oxígeno muy apretada entre los iones de hierro y cobre hasta que el oxígeno se reduce completamente por la ganancia de dos electrones. El oxígeno reducido luego recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para producir agua (H2O). La eliminación de los iones de hidrógeno del sistema contribuye al gradiente de iones que forma la base del proceso de quimiosmosis.

Quimiosmosis

En la quimiosmosis, la energía libre de la serie de reacciones redox que se acaban de describir se utiliza para bombear iones de hidrógeno (protones) a través de la membrana mitocondrial. La distribución desigual de iones H + a través de la membrana establece gradientes de concentración y eléctricos (por lo tanto, un gradiente electroquímico), debido a la carga positiva de los iones de hidrógeno y su agregación en un lado de la membrana.

Si la membrana estuviera continuamente abierta a la difusión simple por los iones de hidrógeno, los iones tenderían a difundirse de nuevo a través de la matriz, impulsados ​​por las concentraciones que producen su gradiente electroquímico. Recuerde que muchos iones no pueden difundirse a través de las regiones apolares de las membranas de fosfolípidos sin la ayuda de los canales iónicos. De manera similar, los iones de hidrógeno en el espacio de la matriz solo pueden pasar a través de la membrana mitocondrial interna por una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa (Figura 7.11). Esta proteína compleja actúa como un generador minúsculo, impulsado por la fuerza de los iones de hidrógeno que se difunden a través de ella, en su gradiente electroquímico. El torneado de partes de esta máquina molecular facilita la adición de un fosfato al ADP, formando ATP, utilizando la energía potencial del gradiente de iones de hidrógeno.

Conexión visual

El dinitrofenol (DNP) es un "desacoplador" que hace que la membrana mitocondrial interna tenga "fugas" para los protones. Se usó hasta 1938 como medicamento para bajar de peso. ¿Qué efecto esperaría que tuviera el DNP sobre el cambio de pH a través de la membrana mitocondrial interna? ¿Por qué cree que este podría ser un fármaco eficaz para bajar de peso?

La quimiosmosis (figura 7.12) se utiliza para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de la glucosa; también es el método utilizado en las reacciones lumínicas de la fotosíntesis para aprovechar la energía de la luz solar en el proceso de fotofosforilación. Recuerde que la producción de ATP mediante el proceso de quimiosmosis en las mitocondrias se llama fosforilación oxidativa. El resultado general de estas reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones extraídos de los átomos de hidrógeno. Estos átomos eran originalmente parte de una molécula de glucosa. Al final de la ruta, los electrones se utilizan para reducir una molécula de oxígeno a iones de oxígeno. Los electrones adicionales en el oxígeno atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante y se forma agua. Por tanto, el oxígeno es el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones.

Conexión visual

El cianuro inhibe la citocromo c oxidasa, un componente de la cadena de transporte de electrones. Si se produce una intoxicación por cianuro, ¿esperaría que el pH del espacio intermembrana aumentara o disminuyera? ¿Qué efecto tendría el cianuro sobre la síntesis de ATP?

Rendimiento de ATP

El número de moléculas de ATP generadas por el catabolismo de la glucosa varía. Por ejemplo, el número de iones de hidrógeno que los complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear a través de la membrana varía entre especies. Otra fuente de variación proviene de la lanzadera de electrones a través de las membranas de las mitocondrias. (El NADH generado a partir de la glucólisis no puede entrar fácilmente en las mitocondrias). Por lo tanto, los electrones son recogidos en el interior de las mitocondrias por NAD + o FAD +. Como aprendió anteriormente, estas moléculas de FAD + pueden transportar menos iones, en consecuencia, se generan menos moléculas de ATP cuando FAD + actúa como portador. NAD + se utiliza como transportador de electrones en el hígado y FAD + actúa en el cerebro.

Otro factor que afecta el rendimiento de las moléculas de ATP generadas a partir de la glucosa es el hecho de que los compuestos intermedios de estas vías también se utilizan para otros fines. El catabolismo de la glucosa se conecta con las vías que construyen o descomponen todos los demás compuestos bioquímicos en las células, y el resultado es algo más complicado que las situaciones ideales descritas hasta ahora. Por ejemplo, los azúcares distintos de la glucosa se introducen en la vía glucolítica para la extracción de energía. Además, los azúcares de cinco carbonos que forman los ácidos nucleicos se fabrican a partir de intermedios en la glucólisis. Ciertos aminoácidos no esenciales pueden obtenerse a partir de intermedios tanto de la glucólisis como del ciclo del ácido cítrico. Los lípidos, como el colesterol y los triglicéridos, también se elaboran a partir de intermediarios en estas vías, y tanto los aminoácidos como los triglicéridos se descomponen para obtener energía a través de estas vías. En general, en los sistemas vivos, estas vías de catabolismo de la glucosa extraen alrededor del 34 por ciento de la energía contenida en la glucosa, y el resto se libera en forma de calor.


Clase 4: Enzimas y metabolismo

Después de un breve resumen de la última conferencia, el profesor Imperiali continúa con los aminoácidos, péptidos y proteínas, con un enfoque en una variante de proteína que es la causa de la anemia de células falciformes. Luego introduce enzimas para el resto de la clase.

Instructor: Barbara Imperiali

Lección 1: Bienvenida Introdu.

Clase 2: Enlace químico.

Clase 3: Estructuras de Am.

Clase 4: Enzimas y Meta.

Clase 5: Carbohidratos an.

Clase 9: Remodelación de cromatina.

Clase 11: Cells, The Simpl.

Clase 16: ADN recombinante.

Clase 17: Genomas y ADN.

Clase 18: SNPs y humanos.

Clase 19: Cell Traffickin.

Clase 20: Señalización celular.

Clase 21: Señalización celular.

Clase 22: Neuronas, Acción.

Clase 23: Ciclo celular y.

Clase 24: Stem Cells, Apo.

Clase 27: Visualizando Lif.

Clase 28: Visualizando Lif.

Conferencia 29: Imagen celular Te.

Clase 32: Enfermedades Infecciosas.

Clase 33: Bacterias y An.

Clase 34: Virus y hormigas.

Clase 35: Reproductiva Cl.

PROFESOR: Entonces, ¿qué vamos a hacer hoy? Entonces, hoy vamos a continuar con aminoácidos, péptidos y proteínas. Y quiero hablar sobre una variante de proteína diferente que es la causante, la causa de la anemia de células falciformes. Y es un tema estructural muy interesante. Pero permítanme recapitular muy brevemente lo que hicimos la última vez y luego hablarles un poco sobre un proceso conocido como desnaturalización.

Entonces, la última vez, discutimos cómo la secuencia primaria de una cadena polipeptídica define su estructura plegada. La estructura plegada se pone en marcha con interacciones secundarias y terciarias, interacciones no covalentes. Secundario solo entre la columna vertebral y su tipo terciario de todo lo demás, incluso las amidas de la columna vertebral, pero con agua o una cadena lateral, etc. Y luego hay algunas proteínas que se disocian en una estructura cuaternaria.

Entonces, estas subunidades de monómero, como se llamarían, y lo voy a describir como un círculo cerrado o un círculo abierto, pueden formar dímeros de algún tipo. Los dímeros pueden ser heterodímeros. O pueden ser homodímeros. O puede formar trímeros, tetrámeros, etc.

Y cuando hablamos de la hemoglobina, que es la proteína que se obtiene, que tiene un problema, esa es la causa de la anemia de células falciformes, verá que es una proteína heterotetramérica. Entonces, en este tipo de interpretación, lo dibujaría así, donde hay cuatro subunidades. Dos son de un sabor y dos del otro. Y esa es la estructura cuaternaria de la hemoglobina.

Ahora las proteínas se pliegan. Hay fuerzas débiles que los mantienen unidos. Pero hay muchas fuerzas débiles. Pero si somete una proteína a varios tratamientos que pueden romper esas fuerzas débiles, la proteína se someterá a un proceso de desnaturalización. Entonces, ¿alguien puede pensar en qué tipo de cosas causarían la desnaturalización del ADN de las proteínas? Si.

PROFESOR: El calor es malo, es grave, obviamente. Y calor ... sí, los escribiré todos. ¿Lo que es tuyo?

PROFESOR: pH. Entonces pH. Acidez. Basicidad. Y hablaremos sobre por qué esas cosas provocan cambios. ¿Algún otro pensamiento? ¿Sí?

PROFESOR: Oh. Sí. Entonces, por ejemplo, sal. Disolventes orgánicos. Y un proceso en el que mucha gente no piensa necesariamente, pero como ingenieros, algunos de ustedes lo harán, son las fuerzas de corte. Entonces, si está inyectando una proteína a través de un tubo muy estrecho y hay altas fuerzas de corte, las que también desnaturalizarán las proteínas de la naturaleza.

Entonces, con el calor, está muy claro. Vas a romper esos lazos débiles. Y luego pueden reformarse. O si se calienta demasiado, la proteína desplegada comienza a formar agregados. Y cualquiera que alguna vez haya revuelto un huevo sabe que ese es un proceso irreversible. No puedes volver a meter el huevo en la cáscara. Ya no es lo mismo.

Porque lo que estás haciendo cuando estás revuelto de huevos es desnaturalizar las proteínas mediante un tratamiento térmico. Entonces eso es lo que hace el calor. Rompe las fuerzas. Las proteínas se estiran hasta su estado desnaturalizado. Y en lugar de replegarse a una estructura compacta, simplemente comienzan a agregarse entre sí. Y eso es prácticamente irreversible.

El pH es interesante. ¿Por qué el pH se rompería a baja temperatura? ¿Por qué el pH provocaría cambios? Sí.

PÚBLICO: [INAUDIBLE] Los aminoácidos tienen cierta estructura. Entonces están protonados o desprotonados, luego el pH, eso cambiaría.

PROFESOR: Está bien. Entonces pH, perfecto. Entonces, el pH cambiará los estados de carga de muchas de sus cadenas visuales. Y una vez que lo haya cambiado, es posible que haya tenido una interacción electrostática encantadora. Pero luego vas y protonas el ácido carboxílico. Y no puede formar; de hecho, quiere la forma, quiere romperse en lugar de unirse. Entonces eso está cambiando el estado de carga, lo que provoca la desnaturalización.

Sales y orgánicos. Por ejemplo, pueden interactuar con partes de la proteína. Por ejemplo, las moléculas orgánicas, orgánicas, pueden deslizarse hacia un núcleo hidrófobo y romperlas. Solo sepárelos. Quieren estar ahí. Y luego demasiada alta concentración de un solvente orgánico que es miserable con el agua. Y diríamos etanol, acetonitrilo, DMSO. Pero no necesita preocuparse demasiado por los detalles.

Bueno, en realidad, una vez que supere el 10% aproximadamente, comenzaremos a desnaturalizar las proteínas, a veces de forma reversible, pero a menudo de forma irreversible. Por eso es muy importante saber que las proteínas son estables, pero hay que tratarlas bien. Hay algunas enfermedades humanas que son el resultado de proteínas mal plegadas o agregadas.

Entonces, por ejemplo, todas las enfermedades priónicas son proteínas que se echan a perder, prácticamente, donde ya no están en una estructura plegada, pero están en agregados que causan problemas con los procesos celulares y la toxicidad. Entonces la enfermedad de Alzheimer. Enfermedad de las vacas locas. Muchos de ellos son trastornos neurológicos causados ​​por proteínas mal plegadas o muy mal plegadas, por ejemplo.

Así que estas son las cosas de las que hablamos la última vez con respecto al flujo de primaria a secundaria, de terciaria a cuaternaria. Y ese es el momento perfecto para que les presente de lo que hablaremos hoy. Así que la última vez hablamos de proteínas estructurales. Y les mostré cómo el colágeno, con un simple defecto, al cambiar una glicina por alanina en una de sus subunidades, realmente altera la estructura cuaternaria de la proteína para producir un colágeno muy débil que ya no respalda la fortaleza ósea.

Pero de lo que les voy a hablar hoy es de un defecto en una proteína de transporte que transporta oxígeno por todo el cuerpo. Entonces, vamos a hablar sobre la hemoglobina. Estas enfermedades son lo que se conoce como errores innatos del metabolismo, o ese es un término complejo. O enfermedades ligadas genéticamente, porque hay un solo defecto en una cadena de ADN que luego se transcribe en una cadena de ARN.

Entonces, un defecto de base que luego se convierte en un defecto de aminoácidos en su cadena de proteínas. Entonces, estos son pequeños cambios en la proteína que causan cambios dramáticos en la estructura y función de la proteína. Y lo que verá con la hemoglobina es que causa un problema real con la estructura cuaternaria y hace que las proteínas se agreguen.

Entonces, la hemoglobina es la proteína dominante en los glóbulos rojos. O eritrocitos. Y, de hecho, la diferenciación de los glóbulos rojos a partir de las células progenitoras pasa por un proceso en el que los glóbulos rojos arrojan su núcleo para que ya no puedan dividirse. Y básicamente, el contenido de la célula es extremadamente alto en hemoglobina. Ha empaquetado la hemoglobina en el glóbulo rojo a costa de perder el núcleo.

Entonces eso es terminalmente diferenciado. No puede convertirse en un glóbulo rojo. Ya no puede dividir. Y tiene aproximadamente una vida media, tienen aproximadamente una vida media de 100 días. Entonces se dan la vuelta, y eso es todo. Y cuando los glóbulos rojos se revuelven, hay que cuidar la hemoglobina para que no sea tóxica.

Los glóbulos rojos son rojos debido a una molécula particular que se encuentra en la hemoglobina llamada molécula hemo, que está unida al hierro, lo que proporciona a la hemoglobina la capacidad de recoger oxígeno en los pulmones, viajar por el cuerpo y luego dejarlo. donde se necesita. Y luego reemplace el oxígeno con CO2 y lleve el CO2 de regreso a los pulmones para que pueda respirar. ¿OK?

Entonces, la hemoglobina transporta oxígeno y CO2, desde el oxígeno de los pulmones, el CO2 de regreso a los pulmones. Y la razón por la que necesita el hierro es que el hierro está coordinado con el oxígeno. Así que la molécula de hemo ... no la dibujaré. Si quieres verlo, es una estructura orgánica grande y compleja. Estructura muy interesante. Pero algo para otro día aquí.

Pero solo quiero enfatizarles que el complejo de hierro hemo es rojo. Por eso sus glóbulos rojos son rojos. Las células sanguíneas no tienen núcleo, por lo que pueden acumular mucha más hemoglobina. Así que es una situación fascinante.

Entonces, la hemoglobina es un ejemplo de proteína homotetramérica. Y tiene cuatro subunidades. Dos de un sabor y dos de otro. Así que llamamos a esto una proteína alfa 2 beta 2, diferenciando las subunidades alfa y beta. Si.

AUDIENCIA: ¿Por qué no es homotetramérico?

PROFESOR: ¿Por qué no es homotetramérico?

PROFESOR: ¿Podrías preguntar por qué? No sé. Quiero decir, habrá interacciones entre las subunidades que favorecen ese empaque en particular. Las subunidades tienen una forma similar. Tienen lo que se llama un pliegue de globina. Puede elegir más o menos esos tubos, recuerde, hélices alfa.

Podrían formar tetrámeros que sean todos iguales, pero la forma energéticamente favorecida es el dos y el dos. La hemoglobina es una proteína tetramérica, porque eso es realmente ventajoso para recoger oxígeno y dejarlo en un rango de oxígeno muy estrecho. Entonces, hay proteínas llamadas globinas que son solo una de estas que pueden unirse al oxígeno.

La hemoglobina es tetramérica porque tiene una unión cooperativa de oxígeno. Entonces, en un rango muy estrecho de oxígeno, llena los cuatro sitios de la proteína tetramérica con una Molécula de oxígeno. Por lo tanto, es muy ventajoso desde una perspectiva física que responda a cambios muy estrechos en el oxígeno. ¿Eso tiene sentido para todos? Sí.

PROFESOR: Está bien. Significa que cualquier cosa que sea cooperativa significa que uno, digamos que tengo un tetrámero de hemoglobina. Un oxígeno se une a uno de ellos. Entonces soy un oxígeno vinculante aquí. Y luego enlazar con el siguiente, el siguiente y el siguiente se vuelve cada vez más fácil.

Así que quieren formar parte de un equipo. Y eso es útil para maximizar el transporte de oxígeno alrededor del cuerpo en un rango de oxígeno estrecho, que solo podemos lidiar con lo que hay en la atmósfera, por lo que tenemos que hacer que esto funcione. Eso responde tu pregunta? está bien. Está bien. Entonces, ¿dónde estaba yo? está bien.

Entonces, ¿qué vamos a hacer hoy? Vamos a mirar la hemoglobina. Es el tetrámero. Esas estructuras discoides son los hemes que acabo de mencionar. Los dibujé aquí como una especie de trébol de cuatro hojas solo por simplicidad. Y hay un solo defecto en la secuencia de las subunidades monoméricas únicas en la hemoglobina. Así que cada uno de estos ... vayamos aquí.

Entonces hay cuatro proteínas: beta globina, dos copias de beta globina y dos copias de alfa globina. Todos son ... déjame ver. Cual es la talla Haz, haz, haz, haz. [INAUDIBLE] Sabes, nunca puedo ver cosas cuando estoy en la pantalla. Pero son alrededor de 150. 156. Está bien. Así que cada uno de ellos tiene unos 146 aminoácidos de largo.

Y un solo defecto en la beta globina donde hay un cambio del residuo de ácido glutámico 6 a valina en los residuos 6 - un cambio en la beta globina, lo que significa dos cambios en toda la estructura, porque hay dos beta globinas - altera la propiedades de la hemoglobina y causa lo que se llama drepanocitosis de los glóbulos rojos.

Así que echemos un vistazo a cómo se vería eso a nivel de aminoácidos. El ácido glutámico es uno de sus aminoácidos cargados. Solo voy a dibujar un poco como si estuviera en un péptido. Y está en la posición 6 de la secuencia. Entonces son seis residuos del término amino porque siempre escribimos las cosas en esta dirección.

Y se produce el cambio para poner en marcha una valina. Y hay un cambio bastante grande en la identidad y personalidad de esos residuos. Ha pasado de un residuo con carga polar a un residuo hidrófobo, grande, esponjoso y neutro. Y es realmente asombroso. Entonces, la beta globina se expresa en el cromosoma 11. Son 134 millones de pares de bases. Una base ha cambiado.

Entonces, lo que tienes en el ADN, en el ADN normal que codifica el gen de la beta globina normal, hay una secuencia particular de ácidos nucleicos. Así es como se vería la doble hebra. Veremos mucho más sobre los ácidos nucleicos la semana que viene.

Cuando eso se convierte en el ARN mensajero, obtienes un código particular que en el código genético codifica los ácidos de glutamato. Todo es normal. Un solo cambio, si cambiamos el ácido nucleico central dentro del ADN, produce un ARN mensajero diferente. Y un par de bases pone valina en lugar de ácido glutámico de 134 millones de pares de bases.

Entonces, ¿qué sucede en la hemoglobina normal? Tienes un comportamiento normal. Tenías esta estructura tetramérica. Transporta oxígeno de forma cooperativa. Se mueve por la sangre sin problemas. Disculpe, no hay problema en los eritrocitos ni en los glóbulos rojos.

En el momento en que tienes esa mutación, las moléculas de hemoglobina comienzan a asociarse en grupos como grupos fibrilares, porque cada tetrámero se pega a otro tetrámero, y a otro, y a otro. Entonces, la hemoglobina no se comporta como esta hermosa estructura cuaternaria independiente, sino que se adhiere, se adhiere físicamente a otras moléculas.

Y esos enredos se vuelven, esas moléculas se vuelven tan grandes que comienzan a formar cadenas largas e inflexibles. Y es un cambio tan dramático que esa estructura discoide con la que está familiarizado para los glóbulos rojos de repente se convierte en una forma de hoz. Entonces esa sería la célula normal con hemoglobina normal. Pero la anemia falciforme, se ven así. Son un poco curvos, extraños, una forma muy extraña.

Y el problema es que los glóbulos rojos han evolucionado para moverse sin problemas a través de los capilares. Tan pronto como obtienes una forma diferente que no es esa estructura discoide, comienzan a obstruirse en los capilares. Y cuando tiene el defecto en el que toda su hemoglobina se estropea con esta variación, es increíblemente doloroso, porque piense en todos sus capilares que van a los lugares más lejanos de sus articulaciones. Esos vasos sanguíneos muy delgados están obstruidos con glóbulos rojos falciformes causados ​​por la variación de la hemoglobina. De modo que ese pequeño defecto nos lleva hasta una enfermedad grave. ¿Está bien?

Entonces, lo que quiero hacer muy brevemente es mostrarles la base molecular de esto. Está bien. Y el defecto en realidad aparece en las dos cadenas de beta globina, pero justo en el exterior de la proteína, no en el medio de la proteína. Porque este es un defecto que afecta la forma en que las proteínas interactúan con otras proteínas, no la función de la proteína por sí sola. Probablemente todavía transporta oxígeno muy bien. Pero es el cambio mecánico en la hemoglobina lo que causa la enfermedad.

está bien. Entonces, la anemia de células falciformes, la hemoglobina ahora se llama hemoglobina S con esa mutación que acabo de describir. Y cuando las personas son heterocigotas, significa que tienen una buena copia del gen que es normal y la copia del gen que es la variante. Y aprenderá mucho más sobre esto en genética humana cuando hablemos de eso más adelante. Entonces tienes una mezcla de hemoglobina OK y hemoglobina de células falciformes.

Las personas que son homocigotas para el defecto, toda su hemoglobina se interrumpe, y esas son las personas que realmente terminan en el hospital con muchas transfusiones, y así sucesivamente. En realidad, los heterocigotos te pueden manejar bastante bien. Y les mostraré en un minuto que en algunas partes del mundo, ser heterocigoto, es decir, tener parte de su hemoglobina con un defecto y otra sin él, en realidad confiere una ventaja. Es una historia realmente genial.

Entonces, lo que voy a hacer es mostrarles rápidamente la estructura del cable. De acuerdo, esta es la estructura que dilucida la verdadera razón de la interacción. Qué sucede cuando tienes esta mutación. Y era una estructura que fue capturada de un dímero de moléculas de hemoglobina donde realmente se podía ver lo que estaba sucediendo en la interfaz y el tipo de cambios que se habían producido por esa variación de la estructura cargada a la neutral.

Entonces, para cualquiera de ustedes que quiera pasar, puedo comenzar a mostrarles cómo manipular PyMOL. Podemos hacerlo por separado de la clase. Pero este es un dímero de tetrámeros. Y si les muestro solo algunas de las subunidades, puedo mostrarles cómo hay dos de cada subunidad en cada estructura. Así que si voy, puedo elegir algunos. Todos los demás.

Y luego puedo colorearlos de un color diferente. Puede ver dónde están las globinas, dónde están las globinas beta y dónde están las globinas alfa. Eso todavía parece alambre de gallinero. Es muy insatisfactorio. Entonces, lo que puedo hacer es mostrarte todo como una caricatura y deshacerme de todas esas pequeñas líneas. Y luego puedes ver perfectamente la estructura donde ves dos beta globinas y dos alfa globinas en cada estructura. ¿OK? Entonces, lo que vamos a hacer a continuación es acercarnos para ver qué está sucediendo donde hicimos esta mutación, qué está sucediendo con la colocación de la valina en esa estructura. ¿Está bien?

Y donde sea que puse un código de cuatro letras, para que uno fuera 2HBS, eso es lo que se conoce como el código del banco de datos de proteínas y te permite ir a buscar las coordenadas de esa proteína. Entonces, si alguno de ustedes para el proyecto tardío quiere hacer una estructura de proteína e imprimirla, venga a mí y le explicaré mucho más sobre eso. O los TA también pueden hacer eso.

Así que ahora permítanme que los lleve a mirar más de cerca las variaciones. Entonces, lo que he hecho aquí es que en realidad he coloreado: la beta globina es púrpura y la alfa globina es de color cian. Puede ver los hemes en cada una de las subunidades. Esas son esas cosas de cable rojo.

Y ahora nos hemos acercado al lugar donde la mutación es donde tienes una valina en lugar de ácido carboxílico. Y lo que puede ver en esta imagen que debería detenerse es que la valina en una subunidad en un homotetrámero interactúa con un parche pegajoso en otra subunidad que se compone de fenilalanina 85 en la proteína adyacente y leucina 88 en la proteína adyacente.

Entonces, este parche pegajoso en una superficie se pega a un parche pegajoso en la superficie de otro tetrámero. Si tuviera glutamato glutámico allí, ¿se formaría? No. De hecho, sería bastante disuadido de formarse porque no desea meter ese elemento cargado negativamente en esos dos residuos hidrófobos.

Entonces, de lo que ha pasado es una situación en la que esto realmente está bien en la superficie. Esta hidratado. No se pega a nada. A otra situación en la que tienes fenilalanina y leucina, que son ambas hidrófobas, proporcionando un parche en un tetrámero donde se combinan la valina del otro tetrámero.

Y debido a que la molécula es un tetrámero, en cada una de las subunidades, también hay otra valina que se activará y hará eso en otra parte, y otra valina. Y hay uno que no puedes ver que está escondido detrás. Por eso la hemoglobina forma estas estructuras, porque cada molécula de hemoglobina tiene dos lugares para adherirse a otro tetrámero de hemoglobina, y así sucesivamente. Así que piense en las repercusiones de un cambio de ácido nucleico que es realmente notable.

Entonces, lo que hemos visto aquí es que ese cambio ocurre. Y solo un par de momentos para que piense en esto, puede tener variaciones en ese sitio que no causarán ningún problema. ¿Cuáles de estos crees que tienen menos probabilidades de causar un fenómeno de tipo drepanocítico? Entonces, ¿tirosina, serina, ácido aspártico y lisina? Entonces voy a cambiar el glutamato por otra cosa. ¿Quién va a tener una hemoglobina perfectamente normal? Hay uno que se destaca. Sí.

PROFESOR: Aspartic. Esta bien. No hay problema. Simplemente lo cambió por su hermano menor. Bueno, ¿cuál de los otros? Y en muchos casos aquí, probablemente podría argumentar su camino hacia todos ellos. Pero uno sería bastante malo. ¿Cuál sería bastante malo? Tirosina, exactamente. Es otro. A pesar de que tiene ese grupo OH, sigue siendo bastante hidrofóbico debido a ese sistema de anillos allí.

¿Qué pasa con los otros dos, serina y lisina? ¿Qué piensas? ¿Cuál sería probablemente, de hecho, el menos perjudicial de los dos restantes? Y dame la razón también. Si.

PROFESOR: Lisina. Creo que sería lisina porque la lisina ahora tiene carga positiva. Es igualmente poco probable que quiera hacer esta interacción tonta porque también está cargada, solo cargada en la otra dirección. Pero también se podría argumentar que la serina estaría bien porque es un poco más polar, por lo que no causaría tantos problemas.

está bien. Por último, sobre este problema de la anemia de células falciformes, hay algunos datos fascinantes que se muestran en algunas partes del mundo; por ejemplo, durante un ensayo de un fármaco para plasmodium falciparum, uno de los agentes causantes de la malaria, encontraron que 1 de cada 15 personas con el rasgo de células falciformes estaba infectado con malaria, mientras que las personas que eran homocigotas normales sanas para la hemoglobina correcta, 14 de 15 estaban infectadas con Plasmodium falciparum.

Ahora, ¿por qué crees que es así? ¿Cómo podemos relacionar la infectividad de un parásito con la forma de una célula? Hemos pasado de estos glóbulos rojos de aspecto jugoso, agradables y redondos y probablemente bastante abiertos, a una célula que es algo difícil de moldear. Así que resulta que el parásito no quiere infectar a los glóbulos rojos falciformes tampoco cerca. Y hay, por ejemplo, otras muestras de sangre analizadas que muestran la misma correlación.

Y aquí hay un mapa de África donde se ve una superposición masiva de la prevalencia del rasgo de células falciformes y la presencia de Plasmodium falciparum. Por lo tanto, existe una ventaja evolutiva de tener la variante heterocigótica en la que tiene algo de hemoglobina normal pero algo de hemoglobina falciforme, porque le confiere cierta resistencia a la malaria. No es bueno tener ambos, la variante que causa la anemia falciforme, porque es doloroso y realmente causa muchos trastornos de salud. Es solo cuando tienes uno de cada gen que codifica ambas variantes. ¿OK?

Está bien. Excelente. está bien. Entonces ahora vamos a hablar de enzimas. Y estas son las proteínas que catalizan reacciones. ¿Alguna pregunta sobre eso? Entonces, si bien muchos estados de enfermedad en realidad podrían aparecer porque alguien estaría en desventaja con una enfermedad en particular, en este caso, ese rasgo se ha mantenido porque ofrece una ventaja muy diferente con respecto a la enfermedad.

está bien. Hablemos de enzimas por un momento. O para el resto de la clase, de hecho. está bien. Entonces, las enzimas son las que más pesan en el mundo de las proteínas porque catalizan todas las reacciones en el metabolismo, en la biosíntesis, todo tipo de transformaciones que te hacen querer ser. La enzima es un catalizador a base de proteínas. Todos ustedes lo saben. Terrible escritura de nuevo.

Hubo un par de otras ocasiones en las que quiero contarles rápidamente. Entonces, una enzima, también existe un término conocido como isoenzima. Y una alozima. Puede verlos. Verá aloenzima con menos frecuencia, pero verá isoenzima con bastante frecuencia. Una isoenzima de una enzima es una variación de la enzima que cataliza la misma reacción, pero se expresa en un gen diferente.

Una alozima es la misma enzima, pero con una variación. Entonces está codificado por un alelo de un gen. Entonces, es solo una variación del gen que podría haber sucedido a través de una mutación. Aún cataliza la reacción, pero hay un ligero cambio en la secuencia. Pero están codificados por el mismo gen. Mismo gen, con una variación. Y como dije, verá el término isoenzima con más frecuencia que el término aloenzima.

Ahora bien, ¿por qué necesitamos enzimas? Bueno, el problema es que hay reacciones fisiológicas que debemos llevar a cabo y que son demasiado difíciles de llevar a cabo a temperatura ambiente de pH 7 en el agua. Simplemente no ocurren. So you need enzyme catalysis for all of your metabolic reactions. Let me just give you one trivial example. This bond you already know nicely now. Peptide or amide bond.

If I want to hydrolyze that, if I want to break it open, pH 7, physiologic temperature, so 37c, in water, it would take me-- how many years is it? The half-life of that bond would be 600 years. OK? That's pretty untenable for digesting a Big Mac even that even under the best of circumstances. So we need enzymes to speed up breaking down proteins and carrying out reactions because otherwise, we just can't-- we can't do anything. So what I want to describe to you are some of the details of how enzymes work and then how we can control the function of enzymes.

So typical enzymes take a substrate to a product. Some enzymes may take two substrates and make one product. Some enzymes maybe take one substrate and make two products. It just depends on the transformation that you're doing.

Enzymes are classified into a bunch of different families. But the thing that will tell you that something you're reading about is an enzyme is the suffix ASE at the end of the name of the enzyme. So the enzyme that hydrolyzes the peptide bond or hydrolyzes proteins is called, no big surprise, a protease. And you'll see later on ribonuclease, DNAs, oxidoreductases, all kinds of reactions where if you see this term at the end of the name it's telling you quite loud and clear that it's an enzyme. Just a very sort of simple way of remembering that.

Now enzymes promote reactions in order that we can have them carried out at room temperature. But we want to think about how they carry out these changes and transformations. What is it about the structure of the protein that enables these reactions?

But the first thing we have to do is take a look at the thermodynamics and kinetics of a transformation. So before I go anywhere, what I want to do is describe to you how enzymes work by thinking about the physical parameters that we describe the energetics of a transformation. So in thermodynamics, you all know delta G is delta H minus T delta S. And we're really only going to worry about one of these terms. We're going to worry about delta G, and I'll explain why.

So delta G is the Gibbs free energy. H is the enthalpy T is the temperature in Kelvin. And then S is entropy. So these are the two terms when you're looking at an energy diagram, we generally think about reactions where we describe the y-coordinate as the change in delta G, the change in the free energy, and the x-coordinate is your reaction coordinate.

So in going from a substrate to a product, we generally have a situation where we have a substrate at a certain energy, and then maybe a product at a different energy. And we're going to talk about the details of that. So why do we deal with Gibbs free energy, not enthalpy? Does anyone know?

está bien. Enthalpy describes the energies of all the bonds in a molecule. But when you're doing an enzyme-catalyzed transformation, you're not busting open all of those bonds. You're not breaking something down to carbon, hydrogen, and oxygen. You're only dealing with parts of the energetics of the molecule. You're only dealing with what's known as the free energy changes.

So looking at the enthalpy changes isn't going to get you very far. It's not going to describe the reaction because the enthalpy changes would be enormous breaking down that molecule. And that's not what you want to achieve. In a chemical transformation, we care about delta G.

Now the next thing to think about is what are the energetics of the reaction, and how does an enzyme-catalyzed reaction manipulate those energetics? So the key thing here is we want to talk about Gibbs free energy. I shouldn't have written quite this much stuff here because I need the Blackboard.

Está bien. So when you describe a reaction, you want to understand how far that reaction goes and how fast that reaction goes. So when you go through a reaction, we can describe how far the reaction goes by thinking about the free energy of the substrates and the products. So in this case, the substrate is at a higher energy than the products. So you will go a long way through the reaction to make quite a lot of products in a transformation.

So that describes how far the reaction goes. So that is the difference between the energy of the substrate and the product. How fast the reaction goes is described in a different part of this diagram. Does anyone know what it is? Si.

PROFESSOR: Yes, exactly. How fast the reaction goes is literally how high the mountain is that you have to get over to carry out the transformation. And that height is described as the energy of activation. So that tells you how fast, and the difference here tells you how far. The energy of activation is a really important parameter because it's actually what gets manipulated when you're dealing with catalyzed reactions. So the energy of activation-- the higher that mountain is, the slower the reaction will be because it's a much harder transformation to go through.

The reactions in our bodies can be of different flavors depending on the difference in energy of the substrate and the product. So shown there, substrate going to product where the product is at lower energy than the substrate, we would call this an exergonic reaction because we're releasing energy in the transformation. So S higher than P. Exergonic.

And if we have a different reaction-- and I'll sketch this one in here-- where the product is higher energy-- and this is a reaction coordinate-- then that will be an endergonic reaction. Both reactions happen in enzyme-catalyzed systems. And we'll explain why you're able to catalyze even ones that require energy.

So exergonic releases energy. And endergonic requires. está bien. What else have I got on here? We also, in the situations where energy is produced, the exergonic reactions, we call these catabolic processes. And if you have trouble remembering catabolic and anabolic, just join me in that because I always forget which is which.

But the ones that produce energy are catabolic. The ones that require energy are anabolic. And when we think about metabolism, the catabolic reactions are when we're breaking molecules down because we need energy. We need to use it to do something. The anabolic reactions are when we want to store things. Store fats, build proteins, because they're going to be endergonic. They're going to be requiring energy to take place.

I just forgot one thing that I have shamefully done. Remember, this axis is kilocalories per mole most commonly when we're talking about delta G, or kilojoules per mole if you're in a different part of the world. But it's important to have units on these diagrams.

So that tells us a little bit about enzyme-catalyzed reactions. We need the enzyme to do something about this energy of activation. Because if we didn't have a high energy of activation and I brought a Snickers bar to eat during class, I would just burst into flames, right? It needs a high energy of activation to keep it stable under regular conditions, but only break down the bonds at times when you require that breakdown.

Está bien. So what did the catalyst do? está bien. Now I'll show you the simple reaction. The enzymes are a very large structure. It binds to a substrate, chemistry happens, and it releases a product. But at the same time, you can't disobey the principles of thermodynamics. So there are certain criteria we have to think about when we consider an enzyme-catalyzed reaction.

So first of all, do not disobey whichever law of thermodynamics it is. They do not change delta G. Delta G is a property of the two reactants. You're not going to change it with a catalyst. It's going to have a much more, a more important impact on a different parameter. Which parameter do enzymes change and help lower? Over there.

PROFESSOR: Right. So catalysts do change and in fact lower energy of activation. And we'll talk about how they do that the end. And then the last rule about a catalyst is you can recover them unchanged after a reaction. It would be a lousy catalyst if it did its chemistry and then you've used up the catalyst.

So enzyme catalysis are the ultimate green reagents. You can keep using them thousands and thousands of times to continuously turnover transformation. So you haven't changed a catalyst. So the things that we want to think about is how-- what are the processes that enzymes can manipulate?

And I should probably just quickly run through these slides so we've talked about these entities. But I put them on the board because they're particularly important. So the energy of activation of a catalyzed reaction is lower than the uncatalyzed. And I'm not going to bore you with these questions because you can work this out quite readily. So delta G is the free energy that changes. And these are endergonic because the energy of the products is lower.

So this is the slide I want to get to with respect to the enzyme-- to enzyme catalysis. So we always think, well, gosh, the enzyme is really large relative to the size of the product. That's because all the energy within the protein-folded structure is very useful for lowering the energy of activation of a transformation.

So let's say I have a reaction that involves two substrates coming together to make a product. If I'm off the enzyme, these guys, it's going to take them a long time to bump into each other to do chemistry. The way enzymes catalyze those types of reactions is they have binding sites for both of those compounds.

In fact, the enzyme acts as a stage. One substrate binds. The other substrate binds. They're binding close to each other on the enzyme. Chemistry can happen. It favors reactions that involve multiple molecules. What about another situation where you have a bond-- for example, the amide bond-- the proteases break? It's hard to think of how that-- how can we make that more easy?

Well, amides are most stable when they are flat and planar through this arrangement of atoms. But what can happen on the enzyme is that they can twist bonds to make them less stable and then more easy to hydrolyze. So the structure of that enzyme basically holds onto the substrate and twists or distorts the bond that you're trying to do chemistry on to once again lower the energy of activation.

Another way enzymes work is in a reaction where you're breaking this bond, you might make charged intermediates. The enzyme's there to hold those charged intermediates in order to stabilize them. Once again, to lower energy of activation.

So it's funny when you get the question that's well, how do enzymes catalyze reactions? There is no one rule. You want to think about the reactions and then just think about the ways in which an enzyme could contribute to that.

For example, orienting two substrates ready to do chemistry. Causing physical strain in a bond that you want to break. Or comforting electric charges that form during a reaction coordinate. So there are loads and loads of different principles, and it's a really important study that is carried out.

So finally, I think I have a couple-- oh no, I have a couple of minutes. But I want to just describe this to you. It'll also be covered in the sections, because I'm going to rush it a bit because this last bit features a little bit on the P set. So finally, enzymes are very commonly the targets of drugs. We like to think that some drugs are important targets. If we deactivate the enzyme, we might mitigate the symptoms of a disease.

Now you can't go in and heat the enzyme or denature the enzyme if you're trying to treat a person. So we do a lot of work to mitigate disease by inhibiting enzymes with small molecules. So in these slides, I describe to you the types of molecules that may alter the chemistry of a transformation.

So if a substrate binds to an enzyme-active side-- we often do this Pac-Man rendition-- you could design a molecule that binds there instead and basically inhibits the substrate from getting there. This would be called a simple reversible inhibitor that's competitive with the active site.

There are other inhibitors that will bind to the enzyme but do chemistry with it and stay blocked at the enzyme. And that would be called an irreversible competitive inhibitor. You can't get the inhibitor off. And there's differences in the way you can reverse this. Because for example, up here, if I add a lot more substrate and these are equilibria, I can get my reaction to happen any way.

But here, I could add as much substrate as possible but it won't help. It won't reverse the transformation. OK? And there's a question here to restore the reaction. The answer really is, you just have to start with a new enzyme cause you covalently changed the protein structure.

The last type of inhibitors that are important are the ones that bind at different sites on the enzymes. And they are called allosteric. Allo always means different. So if you have a compound that's an allosteric inhibitor, it might bind on another face of the enzyme, but it will alter the active side so it doesn't work. That's an allosteric inhibitor. And the final type of compound is an allosteric activator that may bind somewhere else on the enzyme but make it more active.

So these are the way small molecules work. I'd like to encourage the TAs to just cover this in a little bit more detail because I've rushed It. And I'll also re-mention it at the beginning of the next class. But bear in mind, we should have everything covered now so the problem set 1. And if you have any questions, reach out to us. Covered them in section. And I'll reiterate a little bit of this in the next class.

And finally, there's a little bit of reading. If you would like to prepare, we'll talk about carbohydrates next time, one of my favorite molecules. And there's also a fabulous set of videos on how enzymes work at the Protein Data Bank site. And you will see this little handout on the version of the slides that's posted.


7.4: Metabolism - Biology

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cómo se mueven los electrones a través de la cadena de transporte de electrones y qué sucede con sus niveles de energía?
  • ¿Cómo se establece y mantiene un gradiente de protones (H +) mediante la cadena de transporte de electrones y cuántas moléculas de ATP se producen mediante la quimiosmosis?

Conexión para cursos AP ®

La cadena de transporte de electrones (ETC) es la etapa de la respiración aeróbica que utiliza oxígeno libre como aceptor de electrones final de los electrones eliminados durante el metabolismo de la glucosa en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. El ETC está ubicado en la membrana de las crestas mitocondriales, un área con muchos pliegues que aumentan la superficie disponible para reacciones químicas. Electrones transportados por NADH y FADH2 se envían a las proteínas aceptoras de electrones incrustadas en la membrana a medida que se mueven hacia el aceptor de electrones final, O2, formando agua. Los electrones atraviesan una serie de reacciones redox, utilizando energía libre en tres puntos para transportar iones de hidrógeno a través de la membrana. Este proceso contribuye a la formación del gradiente de H + utilizado en la quimiosmosis. A medida que los protones descienden de su gradiente de concentración a través de la ATP sintasa, se genera ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. En condiciones aeróbicas, las etapas de la respiración celular pueden generar 36-38 ATP.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos descritos en la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ®, como se muestra en la tabla. Como se muestra en la tabla, los conceptos cubiertos en esta sección también se alinean con los Objetivos de aprendizaje enumerados en el Marco del plan de estudios que proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP®. A Learning Objective merges required content with one or more of the seven Science Practices.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 1.4 El alumno puede utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones o resolver problemas de forma cualitativa y cuantitativa.
Práctica de la ciencia 3.1 The student can pose scientific questions.
Objetivo de aprendizaje 2.4 El estudiante puede usar representaciones para plantear preguntas científicas sobre qué mecanismos y características estructurales permiten que los organismos capturen, almacenen y usen energía libre.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.5 El estudiante es capaz de construir explicaciones de los mecanismos y características estructurales de las células que permiten a los organismos capturar, almacenar o utilizar energía libre.

The Science Practice Challenge Questions contain additional test questions for this section that will help you prepare for the AP exam. These questions address the following standards:
[APLO 2.5] [APLO 2.15] [APLO 2.18] [APLO 2.22]

Acaba de leer acerca de dos vías que introducen el catabolismo de la glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. Sin embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. Más bien, se deriva de un proceso que comienza con el movimiento de electrones a través de una serie de transportadores de electrones que experimentan reacciones redox. Esto hace que los iones de hidrógeno se acumulen dentro del espacio de la matriz. Por lo tanto, se forma un gradiente de concentración en el que los iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio de la matriz al pasar a través de la ATP sintasa. La corriente de iones de hidrógeno impulsa la acción catalítica de la ATP sintasa, que fosforila el ADP y produce ATP.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones (figura 7.11) es el último componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo de la glucosa que utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en las plantas de los animales, ingresa al cuerpo a través del sistema respiratorio. El transporte de electrones es una serie de reacciones redox que se asemejan a una carrera de relevos o una brigada de cubos en la que los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta el punto final de la cadena donde los electrones reducen el oxígeno molecular, produciendo agua. Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetadas de I a IV en la figura 7.11, y la agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones está presente en múltiples copias en la membrana mitocondrial interna de eucariotas y la membrana plasmática de procariotas.

Complejo I

Para empezar, se transportan dos electrones al primer complejo a bordo del NADH. Este complejo, denominado I, está compuesto por mononucleótido de flavina (FMN) y una proteína que contiene hierro-azufre (Fe-S). FMN, que se deriva de la vitamina B2, también llamada riboflavina, es uno de varios grupos protésicos o cofactores en la cadena de transporte de electrones. Un grupo protésico es una molécula no proteica necesaria para la actividad de una proteína. Los grupos protésicos son moléculas orgánicas o inorgánicas, no peptídicas unidas a una proteína que facilitan su función. Los grupos protésicos incluyen coenzimas, que son los grupos prostéticos de enzimas. La enzima del complejo I es NADH deshidrogenasa y es una proteína muy grande que contiene 45 cadenas de aminoácidos. El complejo I puede bombear cuatro iones de hidrógeno a través de la membrana desde la matriz al espacio intermembrana, y de esta manera se establece y mantiene el gradiente de iones de hidrógeno entre los dos compartimentos separados por la membrana mitocondrial interna.

Q y Complejo II

El complejo II recibe directamente FADH2, que no atraviesa el complejo I. El compuesto que conecta el primer y segundo complejos al tercero es la ubiquinona (Q). La molécula Q es soluble en lípidos y se mueve libremente a través del núcleo hidrófobo de la membrana. Una vez que se reduce, (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q recibe los electrones derivados de NADH del complejo I, y los electrones derivados de FADH2 del complejo II. Esta enzima y FADH2 forman un pequeño complejo que entrega electrones directamente a la cadena de transporte de electrones, sin pasar por el primer complejo. Dado que estos electrones se desvían y, por lo tanto, no activan la bomba de protones en el primer complejo, se producen menos moléculas de ATP a partir de la FADH.2 electrones. El número de moléculas de ATP que se obtienen finalmente es directamente proporcional al número de protones bombeados a través de la membrana mitocondrial interna.

Complejo III

El tercer complejo está compuesto por el citocromo b, otra proteína Fe-S, el centro de Rieske (centro 2Fe-2S) y las proteínas del citocromo c, este complejo también se denomina citocromo oxidorreductasa. Las proteínas del citocromo tienen un grupo protésico de hemo. La molécula de hemo es similar al hemo de la hemoglobina, pero transporta electrones, no oxígeno. Como resultado, el ion de hierro en su núcleo se reduce y oxida a medida que pasa los electrones, fluctuando entre diferentes estados de oxidación: Fe ++ (reducido) y Fe +++ (oxidado). Las moléculas de hemo en los citocromos tienen características ligeramente diferentes debido a los efectos de las diferentes proteínas que las unen, dando características ligeramente diferentes a cada complejo. El complejo III bombea protones a través de la membrana y pasa sus electrones al citocromo c para su transporte al cuarto complejo de proteínas y enzimas (el citocromo c es el aceptor de electrones de Q, sin embargo, mientras que Q transporta pares de electrones, el citocromo c puede aceptar solo uno en un momento).

Complejo IV

El cuarto complejo está compuesto por las proteínas del citocromo c, ay a3. Este complejo contiene dos grupos hemo (uno en cada uno de los dos citocromos, ay un3) y tres iones de cobre (un par de CuA y una CuB en el citocromo a3). Los citocromos mantienen una molécula de oxígeno muy apretada entre los iones de hierro y cobre hasta que el oxígeno se reduce por completo. El oxígeno reducido luego recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para producir agua (H2O). La eliminación de los iones de hidrógeno del sistema contribuye al gradiente de iones utilizado en el proceso de quimiosmosis.

Quimiosmosis

En la quimiosmosis, la energía libre de la serie de reacciones redox que se acaban de describir se utiliza para bombear iones de hidrógeno (protones) a través de la membrana. La distribución desigual de iones H + a través de la membrana establece gradientes de concentración y eléctricos (por lo tanto, un gradiente electroquímico), debido a la carga positiva de los iones de hidrógeno y su agregación en un lado de la membrana.

Si la membrana estuviera abierta a la difusión por los iones de hidrógeno, los iones tenderían a difundirse de nuevo a través de la matriz, impulsados ​​por su gradiente electroquímico. Recuerde que muchos iones no pueden difundirse a través de las regiones apolares de las membranas de fosfolípidos sin la ayuda de los canales iónicos. De manera similar, los iones de hidrógeno en el espacio de la matriz solo pueden atravesar la membrana mitocondrial interna a través de una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa (Figura 7.12). Esta proteína compleja actúa como un generador minúsculo, impulsado por la fuerza de los iones de hidrógeno que se difunden a través de ella, en su gradiente electroquímico. El torneado de piezas de esta máquina molecular facilita la adición de un fosfato al ADP, formando ATP, utilizando la energía potencial del gradiente de iones de hidrógeno.

VISUAL CONNECTION

  1. El DNP disipa el gradiente de protones en la matriz, evitando la producción de ATP. Luego, el cuerpo aumenta su tasa metabólica, lo que lleva a la pérdida de peso.
  2. El DNP disminuye el gradiente de protones en el espacio mitocondrial interno, lo que conduce a un consumo rápido de acetil-CoA, lo que provoca pérdida de peso.
  3. El DNP bloquea el movimiento de protones a través de la ATP sintasa, deteniendo la producción de ATP. La energía almacenada se disipa en forma de calor, provocando pérdida de peso.
  4. El DNP desacopla la producción de ATP aumentando el gradiente de protones en la matriz. La energía almacenada se disipa en forma de calor, provocando pérdida de peso.

La quimiosmosis (figura 7.13) se utiliza para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de la glucosa; también es el método utilizado en las reacciones luminosas de la fotosíntesis para aprovechar la energía de la luz solar en el proceso de fotofosforilación. Recuerde que la producción de ATP mediante el proceso de quimiosmosis en las mitocondrias se llama fosforilación oxidativa. El resultado general de estas reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones extraídos de los átomos de hidrógeno. Estos átomos eran originalmente parte de una molécula de glucosa. Al final de la ruta, los electrones se utilizan para reducir una molécula de oxígeno a iones de oxígeno. Los electrones adicionales en el oxígeno atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante y se forma agua.

  1. La concentración de protones del espacio intermembrana disminuiría, deteniendo la producción de ATP.
  2. La concentración de protones del espacio intermembrana aumentaría, lo que conduciría a la formación de ATP.
  3. La concentración de iones de hidrógeno del espacio intermembrana disminuiría, provocando una alta producción de ATP.
  4. La concentración de protones del espacio intermembrana aumentaría, provocando la producción de ATP en grandes cantidades.

El número de moléculas de ATP generadas por el catabolismo de la glucosa varía. Por ejemplo, el número de iones de hidrógeno que los complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear a través de la membrana varía entre especies. Otra fuente de variación proviene de la lanzadera de electrones a través de las membranas de las mitocondrias. (El NADH generado a partir de la glucólisis no puede entrar fácilmente en las mitocondrias). Por lo tanto, los electrones son recogidos en el interior de las mitocondrias por NAD + o FAD +. Como aprendió anteriormente, estas moléculas de FAD + pueden transportar menos iones, en consecuencia, se generan menos moléculas de ATP cuando FAD + actúa como portador. NAD + se utiliza como transportador de electrones en el hígado y FAD + actúa en el cerebro.

Otro factor que afecta el rendimiento de las moléculas de ATP generadas a partir de la glucosa es el hecho de que los compuestos intermedios de estas vías se utilizan para otros fines. El catabolismo de la glucosa se conecta con las vías que construyen o descomponen todos los demás compuestos bioquímicos en las células, y el resultado es algo más complicado que las situaciones ideales descritas hasta ahora. Por ejemplo, los azúcares distintos de la glucosa se introducen en la vía glucolítica para la extracción de energía. Además, los azúcares de cinco carbonos que forman los ácidos nucleicos se obtienen a partir de intermedios en la glucólisis. Ciertos aminoácidos no esenciales pueden obtenerse a partir de intermedios tanto de la glucólisis como del ciclo del ácido cítrico. Los lípidos, como el colesterol y los triglicéridos, también se elaboran a partir de intermediarios en estas vías, y tanto los aminoácidos como los triglicéridos se descomponen para obtener energía a través de estas vías. En general, en los sistemas vivos, estas vías de catabolismo de la glucosa extraen alrededor del 34 por ciento de la energía contenida en la glucosa.

CONEXIÓN DE PRÁCTICA CIENTÍFICA PARA CURSOS AP®

ACTIVIDAD

Utilice papel de construcción y otros materiales artísticos para crear su propio diagrama de la cadena de transporte de electrones (ETC). Asegúrese de incluir todas las partes de la cadena de transporte de electrones, así como los propios electrones, NAD + y NADH, y oxígeno. En su diagrama, etiquete todas las partes del ETC que transfieren la energía libre de los electrones a otra forma. Luego, usa tu modelo para hacer predicciones sobre cada uno de los siguientes. Luego, comparta sus respuestas con la clase.


2 - Action on nicotinic receptors

The active form of nicotine is a cation whose charge is located on the nitrogen of the pyrrole cycle. This active form is very close to acetylcholine. It has been demonstrated that nicotine interferes with acetylcholine, which is the major neurotransmitter of the brain. Acetylcholine can bind to two different kinds of receptors: nicotinic receptors, which are activated by nicotine, and muscarinic receptors, which are activated by muscarine. Nicotine and muscarine are thus specific agonists of one kind of cholinergic receptors (an agonist is a molecule that activates a receptor by reproducing the effect of the neurotransmitter.)

Nicotine competitively binds to nicotinic cholinergic receptors. The binding of the agonist to the nicotinic receptor triggers off a conformation change of the architecture of the receptor, which opens the ionic channel during a few milliseconds. This channel is selective for cations (especially sodium). Its opening thus leads to a brief depolarization. Then, the channel closes and the receptor transitionally becomes refractory to agonists. This is the state of desensitization. Then, the receptor usually goes back to a state of rest, which means that it is closed and sensitive to the agonists. In case of continuous exposure to agonists (even in small doses), this state of desensitization will last long (long-term inactivation).

Operating cycle of a nicotinic receptor:

Physiological normal conditions: After the opening of the canal by binding to acethylcholine, the receptor becomes desensitized before it goes back to the state of rest or it is regenerated.
[Figure reproduced courtesy of Dr. Sylvain Bartolami, INSERM U1198 "M canismes Mol culaires dans les D mences Neurod g n ratives", Eq. 5 "Integrative Biology of Neuroregeneration", Universit de Montpellier, France].

Continuous exposure to tobacco: Nicotine substitutes for acetylcholine and over stimulates the nicotinic receptor. Then, the receptor is long-term inactivated and its regeneration is prevented by nicotine.
[Figure reproduced courtesy of Dr. Sylvain Bartolami, INSERM U1198 "M canismes Mol culaires dans les D mences Neurod g n ratives", Eq. 5 "Integrative Biology of Neuroregeneration", Universit de Montpellier, France].


Conclusiones

The recreational use of cannabis among youth has increased worldwide over the past few decades. Despite the demonstration of some bio-medical applications, cannabis abuse is associated with different disease conditions including probable risk of developing psychiatric disorders. Hence, there have been significant efforts to identify the toxic factors in cannabis and establish the role of component causes that underlie individual susceptibility to cannabinoid-related psychotic disorders. Secondly, it has necessitated the development of efficient methods to identify and quantify various cannabis metabolites from different body fluids. While immunoassay is adopted as a preliminary test, advanced chromatographic techniques are used for confirmation. Research in the future should focus on the molecular changes induced by acute and long-term exposure to cannabis and the contribution of individual psychoactive components.


For some people, a fast metabolism can be a side effect of an underlying health issue, like hyperthyroidism, which causes the thyroid gland to produce more hormones than the body actually needs, Dr. Marra Francis M.D., executive medical director at Everlywell, tells Bustle. If that's the case, you may notice that you experience irritability and sleep disturbances, as well as increased sweating, anxiety, and bowel changes, Dr. Francis says. For that reason, if it seems like you have a fast metabolism, and other "weird" symptoms, it'll be a good idea to get a checkup and make sure there isn't something more going on.

"People with high metabolisms tend to have consistent energy throughout the day and are able to stay focused mentally," personal trainer and nutritionist Jamie Hickey, tells Bustle, which may explain why all your coworkers head out for coffee around 3 p.m. while you're still going strong.

There's nothing wrong with having a fast (or slow!) metabolism. If you're concerned about new changes in your daily health, though, or if these side effects are making you uncomfortable, go ahead and reach out to a doctor. They'll let you know if you have something going on, such as hyperthyroidism, or if your fast metabolism is simply due to the way your body's made.


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