PRIMERA CLASE Bioenergetica Enzimas Metab LC

5/23/2018 PRIMERA CLASE Bioenergetica Enzimas Metab LC

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Bioenergtica, Enzimas, Metabolismo.


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Metabolismo celular


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Bioenergtica

Leyes de la termodinmica

Relacin entre la energa libre estndar y la constante de equilibrio

Energa libre y su dependencia con la concentracin de reactivos y productos

Transferencia de grupos fosfato y rol del ATP

Reacciones de xido reduccin y obtencin de energa


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Bioenergtica: es el estudio cuantitativo de las transferencias energticas

que se producen en las clulas as como la naturaleza y funcin de los procesos

qumicos implicados en estas transferencia de energa.

Leyes de la Termodinmica:

Primera ley o principio de la conservacin de la energa: en cualquier cambio fsico o

qumico, la cantidad total de energa del universo permanece constante.

Segunda ley: en todo los procesos la entropa del universo se incrementa o la

entropa de un sistema aislado tender a aumentar hacia un valor mximo.


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SISTEMA: Es la porcin de universo que tomamos como objeto de estudio.Existen tres tipos de sistemas:

SISTEMAS AISLADOS(no intercambia materia ni energa)

SISTEMAS CERRADOS(no intercambia materia si energa)

SISTEMAS ABIERTOS(intercambia materia y energa)

ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto depropiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T)

Definiciones

SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO

Qu tipo de sistema es una clula?


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Algunas definiciones:

Entalpa

Ho entalpa, expresa el contenido de calor en una reaccin a presin constante,

se mide como la diferencia entre: H(productos)H(reactivos) = H

Cuando se libera calor se dice que es una reaccin exotrmica y H es negativo

ya que el contenido de calor de los productos es menor que los reactivos; si la

reaccin absorbe calor del medio se habla de una reaccin endotrmica y

H es positivo. H es equivalente a Ecuando no hay cambios de volumen.

Energa Libre

Go energa libre de Gibbs, expresa la cantidad de energa capaz de realizar

trabajo, se mide como la diferencia de energa entre

G(productos)G(reactivos) = G,

si G es negativo si dice que es una reaccin exergnica, si G es positivo la

reaccin es endergnica.Entropa

So entropa, es una magnitud del desorden en un sistema, cuando los productos

son menos complejos y ms desordenados que los reactivos la entropa aumenta,

S(productos)S(reactivos) = S


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Estas magnitudes (bajo condiciones de temperatura y presin constantes)

estn relacionadas entre si de acuerdo con la siguiente ecuacin:

G = H - T Sen erga lib re en talpa en tropa

donde T es la temperatura absoluta (en grados K).

Todo proceso esta termodinmicamente favorecido cuando G es negativoo es exergnico, cuando G = 0 el proceso esta en equilibrio.


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Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H20 Go= -2823 KJ/mol

Por qu la glucosa no reacciona espontneamente con el oxgeno?

G

G

Glucosa +

O2

CO2+ H20

G* G

O exergnica espontnea

O endergnica, no posible

O en equilibrio

Coordenadas de la reaccin

El G representa el mxim o de trabajo ti l qu e pu ede pro po rcio nar

una reaccin.Para el caso de la glucosa podramos obtener hasta 2823kJ por mol de glucosa oxidada hasta CO2y H2O.


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G = H - T S

H S G- + entalpa negativa, reaccin exotrmica Negativo

y S positivo, aumenta la entropa.

+ - reaccin endotrmica y disminuye la Positivo

entropa (a cualquier temp)

- - reaccin favorecida por el H pero no Puede ser + o -favorecida por el S (favorable a bajas temp)

+ + reaccin endotrmica pero se favorece Puede ser + o -por aumento de la entropa (favorable a altas temp)


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Cambios

favorables de S

y H

Reaccin dirigida

por H

Reaccin dirigida

por S

Contribucin de S y H a las reacciones qumicas


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Dependencia de G con la concentracin de reactivos y productos

A + B C + D

CH3COOH CH3COO- + H+

[C][D] [CH3COO-][H+]

Keq = Ka =

[A][B] [CH3COOH]

Ka = 1.74 x 10-5

Cuando se alcanza el equilibrio, el valor de G = O


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El potencial qumico de una sustancia esta determinado por:

GA = GoA + RT ln[A] donde G

oAes el potencial qumico en condiciones estndar

A + B C + D

G = G productos - G reactivos

(GC+ G

D) (G

A+ G

B)

[C][D] [Productos]

G = GO + RT ln = GO+ RT ln

[A][B] [Reactivos]

Goes la energa libre en condicionesestndar, 1 M de reactivos y

productos, 25oC

R = 8.314 J/K.mol

T = temperatura absoluta en oK


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G = 0 Go = - RT ln Keq

tambin se puede escribir Keq = e - Go / RT

Qu sucede cuando se alcanza el equilibrio?


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Un ejemplo sencillo: A B

donde [B]eq= 0.8 y [A]eq= 0.2, por lo tanto Keq= 4,

Go = - RT ln Keq = - 0,00831 x 298 ln 4 = - 3.4 kJ/mol

A 100% 50 20 0%

B 0% 50 80 100%

G

Cul sera el cambio de Go o G estndar en este grfico?

Go


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Cmo se aplican estos principios en el metabolismo celular?

La primera reaccin de la gluclisis es la formacin de glucosa-1-fosfato a

partir de glucosa, esta es una reaccin desfavorable desde el punto de vistatermodinmico:

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O Go = +13.8 kJ/mol

para hacer esta reaccin posible se acopla con la hidrlisis de ATP,

ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ/mol

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O Go = +13.8 kJ/mol

ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ/mol

Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP Go = -16.7 kJ/mol


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Reacciones acopladas


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Una cantidad termodinmica (ej: G, HoS) nos indica que una reaccin espermitida, A B est permitida;

B A no es espontnea, a menos que se leacople otra reaccin favorecida (ej: ATPADP)

Sin embargo, para que la reaccin se

produzca, la energa neta debe descender(i.e., Gtotal debe ser negativa.)



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Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H20

si Ho= -2816 kJ/mol y So= +0.181 kJ/mol

Cul es el valor de Goa 37oC?

Si se aumenta la temperatura, puede TSoigualar a Hoy hacer Go

cero?

Si el Gode hidrlisis de ATP es -31 kJ/mol, cul es el mximo demoles de ATP que se podran generar si se acopla a la oxidacin

completa de glucosa la sntesis de ATP a partir de ADP y Pi?

1) Go= Ho - TSo = - 2816(310 x 0.181 ) = - 2872 kJ/mol2) No, es imposible porque So es + 0.181 y - T Sosiempre ser unvalor negativo

3) 2872 kJ/mol / 31 kJ/mol = 92.6 ATP !!

Cul es el rendimiento a nivel biolgico?

38 ATP o sea 41 %


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G= -RT lnKeq Keq= e - G / RT = 0.52

Quiere decir que el equilibrio hay [F6P]/[G6P] = 0.52

o sea hay 34% de F6P y 66% de G6P

Qu sucede en la clula?

Glucosa Glucosa-6-P Fructosa-6-P Piruvato

Glucosa-6-P Fructosa-6-P Go= + 1.7 kJ/mol

Cul es la Keq de esta reaccin?

83 M 14 M conc entr acio nes int racelu lares

[14x10-3M]

G = +1.7 kJ/mol + 0.0083 kJ//K.mol x 310oK ln = -2.9 kJ/mol[83x10-3M]


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Metabolismo: actividad celular muy coordinada ydirigida en la que muchos sistemas multi-enzimticoscooperan para cumplir 4 funciones:

obtener energa qumica a partir de nutrientes ricos enenerga

convertir molculas nutrientes en molculas caractersticasde la propia clula

polimerizar precursores monomricos a protenas, cidosnucleicos, lpidos, polisacridos y otros

Sintetizar y degradar biomolculas requeridas en funciones

celulares especializadas

Definiciones


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Definiciones

Cinco caractersticas principales del metabolismo:

1. Las vas metablicas son irreversibles

2. Las vas anablicas y catablicas deben ser

diferentes3. Cada va metablica tiene un primer paso limitante

4. Todas las vas metablicas estn reguladas

finamente

5. En los eucariotas las vas metablicas transcurrenen localizaciones celulares especficas


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COMPUESTOS FOSFATO DE

ALTA ENERGA


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Ciclo del ATP


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1. Repulsin electrosttica

2. Estabilizacin por

resonancia del Pi saliente

3. Ionizacin del ADP

4. Mayor solvatacin de

ADP + Pi que ATP

Factores que influyen en el G de hidrlisis del ATP

G = Go + RT ln [ADP][Pi][ATP]

[ADP] = 0,25 x 10-3M[Pi] = 1,65 x 10-3M[ATP] = 2,25 x 10-3M

G = -51,8 KJ/mol


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Flujo de grupos fosfato


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Topografa del metabolismo

Citosol:Gluclisis, ruta de las pentosas,

sntesis de cidos grasos, sntesis de nucletidos,

reacciones de gluconeognesis

Grnulos de glucgeno:sntesis y degradacin

de glucgeno

Lisosoma:enzimas hidrolticas

Mitocondria:Ciclo de Krebs, fosforilacinOxidativa, oxidacin de cidos grasos,

catabolismo de aminoacidos

Golgi:Maduracin de glucoprotenas,

Formacin de membranas

Reticulo endoplasmico:sntesis de

lpidos

Ribosomas:sntesis de protenas

Nuclolo:sntesis de RNA ribosmico

Ncleo:replicacin de DNA, sntesis de tRNA,

mRNA, y de protenas nucleares


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Oxidaciones y Generacin de Energa Celular

Durante el metabolismo celular se producen oxidaciones de los sustratos

metablicos (con la concomitante reduccin de intermediarios) y estas

reacciones se utilizan para obtener energa.

Un com puesto que se oxida cede electron es (reducto r)

Un com puesto que se redu ce recibe electron es (oxid ante)

Ejemplo: Fe2+

+ Cu2+

Fe3+

+ Cu1+

Hay dos semi reacciones:

Fe2+ Fe3+ + 1e- oxidacin

Cu2+ + 1e- Cu1+ reduccin

Al igual que los cidos y las bases, siempre que hay una oxidacin (perdida de

electrones) debe haber una reduccin (ganancia de electrones).

Quin se lleva los electrones?


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Condiciones Standard : 1 M Comparado al par de referencia: 2H++ 2e- H2 (arbitrariamente cero).

Se mide un E0en voltios

1M H+

1 atm H2

1 M X

1 M XH2

1 M H+salt bridge

E0

Potencial Redox


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NAD++ 2e-+ H+ NADH

Eo= - 0.320 V

Molcula que participa en las reacciones redox intracelulares


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Quin se lleva los electrones?

A diferencia del G,

cuanto ms grande y positivoel potencial redox (Eo), mayor la

tendencia a aceptar electrones

(actuar como agente oxidante).

Hay una relacin directa entre el

potencial redox y la energa libre:

G0= -nF E0

Donde

E0= Eo(aceptor)- Eo(donador)

n =nmero de electronesF constante de Faraday

96.5 kJ/mol.V

Un valor de E positivo generar

valores de G negativos


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Ejemplo:

Oxidacin de NADH por oxgeno

NADH + H+ + 1/2O2 NAD+ + H2O

Las dos semi-reacciones seran:

NAD+ + H+ + 2e- NADH + H+ EO= -0.32 V

1/2O2 + H+ + 2e- H

2O EO= +0.82 V

Usando G0= -nF E0

G0= - (2).(96.5 kJ/mol.V){0.82 V(-0.32V)} = - 220 kJ/mol


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A. Propiedades generales de las enzimas

B. Principios fundamentales de su accin cataltica

C. Introduccin a la cintica enzimtica

D. Enzimas reguladores

Enzimas


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A. Propiedades generales de las enzimas (I)

1. Son los catalizadores de las reacciones qumicas en

los sistemas biolgicos

2. Aceleran muchsimo la velocidad de las reacciones

(1061014veces).

3. Poseen un elevado grado de especificidad de

sustrato

4. La actividad cataltica depende de la integridad de laestructura nativa as como del pH y temperatura.

A P i d d l d l i (II)


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5. La mayora de las enzimas son protenas:

La funcin depende de la integridad de la

conformacin proteica nativa

Existen enzimas que son protenas simples y otrasque requieren componentes qumicos adicionales:

- Cofactores: - iones inorgnicos (Fe2+, Mg2+, Mn2+o Zn2+)

- complejos orgnicos o metaloorgnicos

(coenzimas)Los cofactores unidos covalentemente: grupos prostticos

Holoenzima / Apoenzima

A. Propiedades generales de las enzimas (II)


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A Propiedades generales de las enzimas (III)


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A. Propiedades generales de las enzimas (III)

6. Las enzimas se clasifican segn la reaccin

catalizada: Nomenclatura:

- Nmero clasificatorio de 4 dgitos (E.C.)

- Nombre sistemtico

- Nombre trivial

ATP + D-Glucosa ADP + D-Glucosa-fosfato

Nmero clasificatorio: E.C. 2.7.1.1.

2. Clase: Transferasa

7. Subclase: Fosfotransferasa

1. Fosfotransferasas con OH como aceptor

1. D-glucosa como aceptor del fosfato

Nombre sistemtico: ATP:glucosa fosfotransferasa

Nombre trivial: hexoquinasa

Nomenclatura:se adiciona sufijo asa al nombre del sustrato o de la reaccin que cataliza


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E. Enzimas reguladores

Enzimas


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B. Principios fundamentales de la accin

cataltica de las enzimas

cmo funcionan las enzimas ?

En condiciones fisiolgicas las reacciones sin catalizar

tienden a ser lentas (estabilidad de biomolculas)

Muchas reacciones bioqumicas suponen situaciones

poco probables

Una enzima soluciona estos problemas proporcionando

un ambiente tridimensional favorable a la reaccin (sitioactivo)

El rasgo distintivo de una reaccin enzimtica es


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El rasgo distintivo de una reaccin enzimtica es

que tiene lugar dentro de un pequeo lugar de

la enzima: el sitio activo

La molcula fijada en el sitio activo, sobre la que

acta la enzima, se denomina sustrato


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Las enzimas alteran las velocidades de reaccin

pero no los equilibrios

(B) E + S ES EP E + P

(A) S P

(A) (B)


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Las velocidades de reaccin y los equilibrios

tienen definiciones termodinmicas precisas

Equilibrio de reaccin dependeGo

Velocidad de reaccin depende deG

S P Keq =[P]

[S]Go= - RT ln Keq

V = k[S] k=h

e- G/ RTKT

K = constante de Boltzmannh = constante de Planck

Las interacciones dbiles entre enzima y sustrato


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Las interacciones dbiles entre enzima y sustrato

son ptimas en el estado de transicin


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La energa de fijacin entre enzima y sustrato


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La energa de fijacin entre enzima y sustrato

proporciona especificidad de reaccin y catlisis

Grupos catalticos especficos contribuyen a la


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Grupos catalticos especficos contribuyen a la

catlisis


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D. Enzimas reguladores

Enzimas

El modelo de Michaelis-Menten (1913)


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El modelo de Michaelis Menten (1913)

Leonor Michaelis Maud Menten

Postularon que la enzima se combina en primer lugar

con el sustrato, de forma reversible

El complejo se descompone en una reaccin ms

lenta, dando lugar al producto y enzima libre

Ci ti d l t d t i i


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Cintica del estado estacionario

Ci ti d l t d t i i


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Ci ti d l t d t i i


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d[ES] = k1[E][S]dt

- d[ES] = k-1[ES] + k2[ES]

dt

E + S ES E + Pk1

k-1

k2


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ET= EL+ ES

EL= ET- ES

E + S ES E + P

Formacin de ES: k1[EL][S]

Descomposicin de ES: k-1 [ES] + k2[ES]

k1[EL][S] = k-1[ES] + k2[ES]

k-1+ k2 = [EL][S]

k1 [ES]


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k-1+ k2 = [ET - ES][S]

k1 [ES]KM =

Constante de Michaelis:

Constante de disociacin del complejo ES:

k-1 = [EL][S]k1 [ES]

Ks =

Relacin entre concentracin de sustrato y


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yvelocidad de reaccin enzimtica

La velocidad inicial de la reaccin siempre

corresponde a la ecuacin:

vo= k2[ES]

Cuando toda la enzima se encuentra formandocomplejo ES:

vmax= k2[ET]

Relacin entre concentracin de sustrato y


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yvelocidad de reaccin enzimtica

k1[EL][S] = k-1[ES] + k2[ES]

k1[ET- ES][S] = k-1[ES] + k2[ES]

k1[ET][S]k1[ES][S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

k1[ET] [S] = k-1 [ES] + k2 [ES] + k1[ES][S]

k1[ET] [S] = [ES] (k-1 + k2 + k1[S])

Dividimos por k1: [ET] [S] = [ES] ((k-1 + k2) +[S])

k1


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[ET] [S] = [ES] (KM +[S])

(KM +[S])

[ET] [S][ES] = y

[ET]

vmaxk2=

como vo= k2[ES]

vo=v

max[S]

KM+ [S]Ecuacin de

Michaelis-Menten


70/86La concentracin de sustrato afecta la velocidad
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Gr%C3%A1fica_de_la_saturaci%C3%B3n_de_una_enzima.jpg


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de reaccin catalizada por enzimas


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Kmy Vmaxson caractersticos para cada pareja

enzima-sustrato

Grfico de dobles recprocos


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Grfico de dobles recprocos

1 KM 1 1

vo Vmax [S] Vmax= +

Ecuacin de Lineweaver -Burk

y= ax + b


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El N de recambio es el nmero de molculas

de sustrato convertidas en producto por unamolcula de enzima, cuando la enzima est

saturada.

Si k2es la constante del paso limitante de

reaccin entonces:

k2= kcato Nmero de recambio

1/kcates el tiempo que dura un ciclo cataltico.

Muchas enzimas catalizan reacciones con dos


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o ms sustratos

Inhibicin competitiva


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Inhibicin competitiva

KMaparente es mayor que KMreal

Vmxno se modifica

Inhibicin no competitiva


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Inhibicin no-competitiva

Inhibicin acompetitiva


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Inhibicin acompetitiva

Efecto del pH sobre la actividad enzimtica


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Efecto del pH sobre la actividad enzimtica

Enzimas


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D. Enzimas reguladoras

Enzimas

Enzimas reguladoras


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Enzimas reguladoras

1. Enzimas alostricas

Son reguladas por unin no-covalente demoduladores

Constituyen excepciones a muchas reglasgenerales- efecto homotrpico (positivo o negativo)- efecto heterotrpico (positivo o negativo)

Hay dos modelos que explican el comportamientocintico de las enzimas alostricas- modelo simtrico (Monod)- Modelo secuencial (Koshland)


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Enzimas reguladoras


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Enzimas reguladoras

2. Modulacin covalente reversible

Fosforilacin

Adenililacin

Uridililacin

ADP-ribosilacin

Metilacin


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Fosforilacin / defosforilacin


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Fosforilacin / defosforilacin

Activacin de zimgenos


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Activacin de zimgenos

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