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ENZIMASENZIMASBioquimica UDCABioquimica UDCA
Las enzimas son proteínasLas enzimas son proteínas
Catalizan reacciones químicas necesarias para la sobrevivencia celular
Sin las enzimas los procesos biológicos serían tan lentos que las células no podrían existir.
Las enzimas pueden actuar dentro de la célula , fuera de ésta, y en el tubo de ensayo.
E + SE + S ES ESEP EP E + P E + P
E E E E
La enzima disminuye la energía La enzima disminuye la energía de activaciónde activación
Tiempo de la reacción
E + S
E + P
Sin enzimaCon enzima
• La Ea de la hidrólisis de la urea baja de 30 a 11 kcal/mol con la acción de las enzimas, acelerando la reacción 1014 x
• El aumento de temperatura necesario para producir la reacción no catalizada seria de 529ºC
Enzima - CatalizadorEnzima - CatalizadorTanto la enzima como el catalizador
aceleran la velocidad de una reacción química.
Una enzima puede transformar 1000 moléculas de sustrato/ segundo
Las enzimas tienen 3 propiedades que los catalizadores NO tienen◦ Especificidad por el sustrato◦ Se inactivan por desnaturación◦ Pueden ser reguladas
Las enzimas se unen a los reactivos (sustratos) reduciendo la energía de activación
Cada enzima tiene una forma única con un sitio o centro activo en el que se une al sustrato
Después de la reacción, enzimas y productos se separan.
Las moléculas enzimáticas no han cambiado después de participar en la reacción
Las enzimas cumplen su papel catalítico gracias a:• Fijación estereoquímicamente complementaria
del substrato• Transformación catalítica del mismo
En ambas funciones participan:
• Cadenas laterales de los aminoácidos• Grupos o moléculas no proteicas:
Grupos prostéticos Iones metálicos Cofactores
Los siguientes hechos: Especificidad de la reacción enzimática Carácter heterogéneo de la catálisis enzimática
Nos llevan a postular la existencia de un Centro Activo en la molécula de enzima, capaz de:
Fijar específicamente al substrato Transformarlo catalíticamente.
Enzima
Sitio activoSitio activo
SustratoSustrato
La unión del sustrato es muy La unión del sustrato es muy específicaespecífica
Complementariedad geométrica
Complementariedad de cargas, uniones iónicas
Modelos:
Encaje inducido
Llave – cerradura.
Estado de transición
Teorías de la acción enzimática, 1
Modelo de Llave y CerraduraModelo de Llave y Cerradura (Emil Fischer) (Emil Fischer)
Substrato y enzima se acoplan de forma estereospecífica,de la misma manera que una llave se ajusta a su cerradura.
Modelo aceptado durante mucho tiempo; hoy se considera insuficiente al no explicar algunos fenómenos de la inhibición enzimática
Teorías de la acción enzimática, 2
Modelo de Ajuste InducidoModelo de Ajuste Inducido (Koshland) (Koshland)
Tanto la enzima como el substrato sufren una alteración en su estructura por el hecho físico de la unión.
Está mucho más de acuerdo con todos los datos experimentales conocidos hasta el momento.
Clasificación y nomenclatura de enzimas
Nombre común (sustrato+”asa”): Hexokinasa
Clasificación y nomenclatura
ATP : hexosa fosfotransferasa
Nombre sistemático:
Donador Aceptor
Grupo transferido
Tipo de reacción catalizada
Número Enzyme Commission:Grupos químicos
EC 2. 7. 1. 1Enzyme Comission Grupo Subgrupo No. Enzima
EC 1.x OxidorreductasasEC 2.x TransferasasEC 3.x HidrolasasEC 4.x LiasasEC 5.x IsomerasasEC 6.x Ligasas
Clasificación de enzimas por Grupos
Clasificación y nomenclatura
Cinética Enzimática
Cinética Enzimática La cinética enzimática es el análisis cuantitativo del efecto de
cada uno de los factores que intervienen en la actividad enzimática, que se evalúa a través de la velocidad de la reacción catalizada.
Las variables más importantes son:
• Concentración de enzima, sustratos y productos (incluyendo inhibidores y/o activadores)
• pH
• Temperatura
Baja concentración de sustrato
ALTA concentración de sustratoSATURACION
v
[s]
Efecto de la concentración de substrato
..
.. . . . .
dt
t
s
p[ ]
Concepto de velocidad inicial
d[P]v = , t 0
E + S ES E + Pk+1
k-1
k+2
Una cinética hiperbólica implica un proceso saturante:
Hay un número limitado de sitios en la enzimapara fijar substrato; una vez que están ocupadostodos, por mucho que aumente la concentraciónde substrato, la velocidad permanecerá constantetendiendo a un valor asintótico
Relación entre Km y VmaxRelación entre Km y VmaxMichaelis y MentenMichaelis y Menten
Concentración de Sustrato [S]
Vel
oci
dad
de
la r
eacc
ión
(v)
Km
Vmax
Vmax/2
La Km es la concentración de sustrato donde se obtiene la mitad de la Vmax
Concentración de Sustrato [S]
Vel
oci
dad
de
la r
eacc
ión
(v)
Km
Vmax
Vmax/2
A mayor Km, menor es la afinidad de la enzima por el sustratoA menor Km mayor es la afinidad de la enzima por el sustrato
Representación directa
s
0 20 40 60 80 100
v
0
20
40
60
80
100
Km
Vmax
vV s
K sm x
m
1 1 1v
KV s V
m
m x m x
-1/Km
1/Vmax
Representación Lineweaver-BurkeRepresentación Lineweaver-Burke
Definición Actividad Definición Actividad Enzimática Enzimática Es el número de moles de sustrato que
reaccionan para formar producto, por mol de enzima y por unidad de tiempo. Esto supone que la enzima está plenamente saturada con sustrato y por tanto que la reacción se efectúa con su máxima rapidez
El índice de recambio muestra la eficiencia impresionante de la catálisis enzimática
Efecto del pH en la ENZIMAEfecto del pH en la ENZIMA
Cada enzima tiene un pH óptimo para su actividadCada enzima tiene un pH óptimo para su actividadEl pH afecta las interacciones iónicasEl pH afecta las interacciones iónicas
1. Sobre la fijación del substrato al centro activo:- Grupos disociables de la enzima- Grupos disociables del substrato
2. Sobre la transformación catalítica del substrato
3. Sobre la estructura de la proteína enzimática
Efecto del pH
Efecto de la temperatura en la ENZIMAEfecto de la temperatura en la ENZIMA
Cada enzima tiene una temperatura óptima.Cada enzima tiene una temperatura óptima.
Temperatura
15º 40º 75º
Aumento de la velocidad
Desnaturación por calor
CoenzimasCoenzimasLas coenzimas son pequeñas Las coenzimas son pequeñas
moléculas orgánicas, que se unen a moléculas orgánicas, que se unen a la enzima.la enzima.
Las coenzimas colaboran en la Las coenzimas colaboran en la reacción enzimática recibiendo reacción enzimática recibiendo transitoriamente algún grupo transitoriamente algún grupo químico: Hquímico: H+ + , OH, CH, OH, CH33 . .
La enzima sin la coenzima recibe el La enzima sin la coenzima recibe el nombre de APOENZIMAnombre de APOENZIMA
El NAD es una coenzima aceptora de HEl NAD es una coenzima aceptora de H
Sustrato oxidado
Algunas enzimas requieren metales para Algunas enzimas requieren metales para mejorar su actividad mejorar su actividad
Isoenzimas o IsozimasIsoenzimas o IsozimasSon formas moleculares diferentes de
una misma enzimaCatalizan la misma reacciónEjemplo: Lactato deshidrogenasaLactato + NAD ==== Piruvato + NADHM4, M3H1, M2H2, M1H3 y H4
Se diferencian por su movilidad electroforética
Usadas en clínica: sueros normales y sueros con alguna patología
Inhibición enzimática
Inhibidor:
Efector que hace disminuir la actividad enzimática, a través deinteracciones con el centro activo u otros centros específicos(alostéricos).
Esta definición excluye todos aquellos agentes que inactivan ala enzima a través de desnaturalización de la molécula enzimática
De esta forma, habrá dos tipos de inhibidores:
I. Isostéricos: ejercen su acción sobre el centro activo
II. Alostéricos: ejercen su acción sobre otra parte de la molécula, causando un cambio conformacional con repercusión negativa en la actividad enzimática.
Inhibición enzimática isostérica
Los inhibidores isostéricos pueden ser de dos tipos:
1. Inhibidor reversible: establece un equilibrio con la enzima libre, con el complejo enzima-substrato o con ambos:
E + I EI
2. Inhibidor irreversible: modifica químicamente a la enzima:
E + I E’
ES + I ESI
Inhibición reversible
(a) El inhibidor se fija al centro activo de la enzima libre, impidiendo la fijación del substrato: Inhibición Competitiva
(b) El inhibidor se fija a la enzima independientemente de que lo haga o no el substrato; el inhibidor, por tanto, no impide la fijación del substrato a la enzima, pero sí impide la acción catalítica: Inhibición No Competitiva
(c) El inhibidor se fija únicamente al complejo enzima-substrato una vez formado, impidiendo la acción catalítica; este tipo se conoce como Inhibición Anticompetitiva
Inhibición Competitiva
Inhibidores CompetitivosInhibidores Competitivos
Compiten con el sustrato por el sitio activo de la enzima
Se une solo a la enzima libreV máx no se altera y K M cambia
Inhibición competitivaInhibición competitivaInhibición competitivaInhibición competitiva
Al aumentar la cantidad Al aumentar la cantidad de SUSTRATO el de SUSTRATO el inhibidor competitivo es inhibidor competitivo es desplazado y se forma desplazado y se forma productoproducto
E ES
EI
I
S
E + P
Características:- Las fijaciones de substrato e inhibidor son mutuamente excluyentes- A muy altas concentraciones de substrato desaparece la inhibición- Por lo general, el inhibidor competitivo es un análogo químico del substrato.- El inhibidor es tan específico como el substrato
Se define una constante deequilibrio de disociación delinhibidor:
Ki = [E] [I]
[EI]
KmSin
inhibidor
Kmcon
inhibidor
Sin inhibidor
Con inhibidor
El inhibidor competitivo aumenta la Km
1/s-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1/v
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
-1/Km
-1/(Km(1 + i/Ki))
1/Vmax
Inhibición competitiva - Representación recíproca doble
Ejemplo Inhibidor Ejemplo Inhibidor CompetitivoCompetitivoÁcido succínico + FAD == ácido
fumárico + FADH2 El inhibidor competitivo es el ácido malónico
Es un análogo estructuralmente parecido al ácido succínico
Ácido Fólico y Ácido Fólico y SulfanilamidaSulfanilamidaLa sulfanilamida es un análogo estructural
del ácido p - aminobenzoico (PABA)PABA es el punto de partida para la
síntesis de ácido fólico en las bacteriasEl ácido fólico es una vitamina esencial
para la proliferación (división) bacterianaSulfanilamida se usa en el tratamiento
algunas infecciones
Metotrexato y DihidrofolatoMetotrexato y DihidrofolatoEl ácido fólico en sus formas de dihidro y
tetrahidrofolato es coenzima de la reacción catalizada por la dihidrofolato reductasa
Esta reacción es parte del metabolismo de los nucleótidos para la síntesis de DNA
Metotrexato se usa en la terapia de algunos cánceres, inhibiendo la síntesis de DNA
Inhibidor competitivoInhibidor competitivosu estructura es similar a la del sustratosu estructura es similar a la del sustrato
No se forma producto
Inhibición No Competitiva
Inhibidor No CompetitivoInhibidor No Competitivo
Se une a un lugar diferente del sitio activo la enzima
Se une a la enzima libre y también al complejo enzima-sustrato
Por acción del inhibidor disminuye la Vm pero el valor de Km no se altera
Inhibición NO Inhibición NO competitivacompetitivaInhibición NO Inhibición NO competitivacompetitiva
Inhibidor NO competitivoInhibidor NO competitivoEl inhibidor NO competitivo se une a la enzima en un
sitio diferente del sitio activo
E ES
EI
I
S
E + PI
ESI
SInhibición
No Competitiva
El inhibidor se fija indistintamente a la enzima libre Ey al complejo enzima-substrato ES; ni el complejo EIni el complejo ESI son productivos
Inhibición Anticompetitiva o Incompetitiva
Inhibidor IncompetitivoInhibidor Incompetitivo
En este tipo de inhibición el inhibidor se une a otro lugar diferente del centro activo pero solo después de que el sustrato lo haya hecho al centro activo y, por tanto, inhibidor y sustrato no compiten. De esta manera, aunque todo el sustrato esté saturando la enzima y toda la enzima esté como complejo ES, el inhibidor puede enlazarse produciendo un complejo inactivo ESI. No permite formación de producto.
Como I solo se une a ES estimula la formación de ES y, por tanto, incrementa la unión del sustrato a la enzima, disminuyendo Km . Sin embargo, el complejo ESI no conduce a productos y Vm disminuye.
Inhibidor IncompetitivoInhibidor Incompetitivo
Se une a un lugar diferente del sitio activo de la enzima
Se une sólo al complejo enzima-sustrato
Los efectos que tiene: disminuye el valor de Km y también el de Vmáx
E ESS
E + PI
ESI
InhibiciónAnticompetitiva
El inhibidor sólo puede fijarse al complejo ES;el complejo ESI no es productivo
Inhibición Irreversible
- Los inhibidores irreversibles reaccionan con un grupo químico de la enzima, modificándola covalentemente
- Su acción no se describe por una constante de equilibrio Ki,
sino por una constante de velocidad ki:
E + I E’
- A diferencia de la inhibición reversible, el efecto de los inhibidores irreversibles depende del tiempo de actuación del inhibidor.
- Los inhibidores irreversibles son, por lo general, altamente tóxicos.
Inhibidores IrreversiblesInhibidores Irreversibles
Producen inactivación permanente de la actividad enzimática
Se interfiere con el normal desarrollo de una reacción o vía metabólica
Ejemplos: p-cloromercuribenzoato, yodoacetato, diisopropilfluorfosfato
Algunos tipos de inhibidores irreversibles
1. Reactivos de grupos -SH
2. Organofosfóricos
3. Ligandos de metales
4. Metales pesados
Inhibición enzimática alosterica
Enzimas Alostéricas Enzimas Alostéricas regulablesregulablesSon enzimas cuya estructura proteica está
formada de varias subunidadesNo se rigen por la cinética de M - MAdemás del sitio o centro activo tienen sitios
alostéricos o de regulaciónSitio activo/sustratos; Sitio alostérico/moduladores o reguladoresLa relación entre la velocidad de reacción y la
concentración de sustrato sigue cinética sigmoídea
Enzimas alostéricasEnzimas alostéricas Las enzimas alostéricas
presentan estructura cuaternaria.
Tienen diferentes sitios activos, unen mas de una molécula de sustrato
La unión del sustrato es cooperativa
la curva de velocidad presenta una forma sigmoidal
Moduladores AlostéricosModuladores AlostéricosTambién reciben el nombre de efectores
y pueden ser positivos o negativosSe unen al sitio alostérico que puede
estar en la misma subunidad que tiene al sitio activo o en las subunidades regulatorias
Su unión produce un cambio conformacional que afecta al sitio activo
Pueden unirse de forma covalente y no covalente
Efectores no Efectores no covalentescovalentes
El sustrato mismo es el principal efector no covalente, se une de manera transitoria cuando las condiciones así lo permitan de igual forma se puede separar.
Efectores Efectores covalentescovalentesEl principal efector covalente es el grupo fosfato PO4. . Se une fuerte y de manera permanente a la enzima por medio de reacción química catalizada por otra enzima
Fosforilación / desfosforilación
La unión del grupo fosfato a una enzima se denomina fosforilación. Lo hace por medio de enzimas denominadas Kinasas (quinasas o cinasas).
El grupo fosfato se puede separar de la enzima por medio de otra enzima denominada Fosfatasa, el proceso se denomina desfosforilación.
RESUMENRESUMEN