6.1. Visión general del Metabolismo Celular. 6.2. Importancia de las enzimas en el metabolismo.
16 metabolismo y enzimas
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METABOLISMO Y ENZIMAS
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Tema relacionado con los enzimas para 2º de bachiller.
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METABOLISMO Y ENZIMAS
Características de las reacciones metabólicas
Las reacciones metabólicas son las reacciones que tienen lugar entre las moléculas que forman parte de los seres vivos.
Características generales de las reacciones metabólicas: Las reacciones metabólicas actúan secuencialmente. http://www.mhhe.com/sem/Spanish_Animations/sp_biochemical_
pathway.swf http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/enz/ruta.html Existen rutas convergentes y divergentes. Las rutas metabólicas más importantes son comunes en la
mayoría de los organismos. Pueden clasificarse en catabólicas y anabólicas. Las rutas
anfibólicas participan tanto en el catabolismo como en el anabolismo.
Todas las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas.
Enzimas
Son proteínas con función catalítica.
Enzimas
Compuestas sólo por
amminoácidos
Compuestas por parte proteica:
apoenzima y no proteica
grupo prostético
(unido permanentem
ente al apoenzima) o
cofactor (unión no
permanente.
El apoenzima aporta la
estructura para la unión
con el sustrato. El cofactor o el
grupo prostético realiza la catálisis
El cofactor puede ser un
catión metálico o una
molécula orgánica, se
llama entonces
coenzima. Las vitaminas actúan como coenzimas.
Propiedades de las enzimas
Se desnaturalizan. Elevado grado de especificidad.
Para el sustrato. Para la reacción que cataliza.
Las enzimas no se gastan en la reacción química, pero con el tiempo pueden estropearse, es necesario reponerlas.
Ejercicios 16.2, 16.4 y 16.5.
Mecanismos de las reacciones enzimáticas.
Esquemas
http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/enz/proxim.html proximidad y orientación.
http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/enz/quim.html Gliceraldehido-3-P
Reacciones exotérmicas y endotérmicas
¿Que gráfica representa una reacción exotérmica? Razona la respuesta.¿Podemos afirmar que la reacción exotérmica transcurre de forma espontanea? Razona la respuesta.
Modelo llave cerradura y modelo de ajunte inducido.
Modelos de acción enzimática. Modelo llave-cerradura deFischer.
Modelos de acción enzimática. Modelo de ajuste inducido deKoshland.
Como trabajan las enzimas
Cinética enzimática (De Michaelis-Menten)
La cinética de Michaelis-Menten describe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas. Su nombre es en honor a Leonor Michaelis y Maude Menten. Este modelo sólo es válido cuando la concentración del sustrato es mayor que la concentración de la enzima, y para condiciones de estado estacionario, o sea que la concentración del complejo enzima-sustrato es constante.
Determinación de constantes Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la
concentración de sustrato ([S]) se aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de formación de producto. Esa es la velocidad máxima (Vmax) de la enzima. En ese caso, los sitios activos de la enzima están saturados con sustrato.
Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis-Menten.
Velocidad de reacción/velocidad'V'
La velocidad V indica el número de reacciones por segundo que son catalizadas por una enzima. Con concentraciones crecientes de sustrato[S], la enzima va acercándose asintóticamente su velocidad máxima Vmax, pero nunca la alcanza. Por esta razón, no hay un [S] determinado para la Vmax. De todas formas, el parámetro característico de la enzima está definido por la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima (Vmax/2).
Constante de Michaelis KM' Entonces, aunque la concentración de sustrato a Vmax
no puede ser medida exactamente, las enzimas pueden ser caracterizadas por la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. Esta concentración de sustrato se conoce como constante de Michaelis-Menten (KM).
Esta constante representa (para enzimas que exhiben una cinética de Michaelis-Menten simple), la constante de disociación (la afinidad del complejo enzima-sustrato (ES) por el sustrato). Valores bajos indican que el complejo ES está unido muy fuertemente y raramente se disocia sin que el sustrato reaccione para dar producto.
Ecuación
La derivación de Michaelis-Menten está descrita por Briggs y Haldane. Se obtiene de la siguiente manera:Se supone que la reacción enzimática es irreversible, y que el producto no se liga con la enzima después de la reacción.
Siguiendo la aproximación del estado estacionario, que señala que la concentración del complejo enzima-sustrato (ES) es pequeña y se mantiene casi constante a lo largo de la reacción enzimática:
Se define:
(1)
Ecuación
Entonces:
La velocidad de reacción es:
La concentración total de la enzima:
[E0] = [E] + [ES]
Por lo tanto:
[E] = [E0] − [ES] (3)
(2)
Sustituyendo(3) en(1) da:
Reordenando:
Km[ES] + [S][ES] = [E0][S
Sustituyendo(4) en (2) :
(4)
Esta ecuación puede ser analizada experimentalmente con un diagrama de Lineweaver-Burke
Diagrama de Lineweaver-Burk En bioquímica, el diagrama de Lineweaver-Burk se
emplea como herramienta gráfica para calcular los parámetros cinéticos de una enzima.
Su utilidad consiste en que el recíproco de la cinética de Michaelis-Menten es fácilmente representable y que de él emanan mucha información de interés.
Cuyo recíproco es:
La representación gráfica de Lineweaver-Burk permite identificar el Km y Vmax; el punto de corte con el eje de ordenadas es el equivalente a la inversa de Vmax, y el de abscisas es el valor de -1/Km
Ejercicios: 16.6, 16.7, 16.8 y 16.9
Ejercicio 16.9
;
;
Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas
La concentración de sustrato. El pH, existe un pH óptimo para cada
enzima. Valores extremos de pH pueden desnaturalizar el enzima.
Temperatura. Sucede lo mismo que con el pH.
Ejercicio 16.10
Mecanismos que aumentan la eficacia enzimática
Compartimentación celular: así puede aumentar la concentración del enzima y propiciar un ambiente óptimo para la actividad enzimática en el interior de un orgánulo.
Reacciones en cascada: ver figura 16.17 Complejos multienzimáticos: Aumenta la
eficacia de los procesos gracias a la idónea disposición espacial de las enzimas que interviene en una parte de una ruta metabólica.
Isozimas. Son enzimas que catalizan la misma reacción pero tiene KM diferentes.
Regulación de la actividad enzimática
La regulación de las reacciones metabólicas se lleva a cabo a nivel enzimático.
Se puede regular la velocidad de actuación del enzima y también se puede regular la cantidad de enzima presente.
Los mecanismos de regulación de la actividad enzimática son: La activación e inhibición enzimática y el alosterismo.
Activación enzimática
La activación de un enzima suele realizarse por la unión de una molécula activadora, esta unión provoca un cambio conformacional en el centro activo del enzima, el cambio conformacional dota al centro activo de la conformación apropiada para la unión del sustrato.
Con frecuencia el propio sustrato puede actuar como activador.
Algunos cationes como Ca y Mg actúan como activadores.
Ejercicios: 16.12, 16.14 y 16.15 pág. 215
Inhibición
Inhibición feed-back o retoinhbición. Mecanismo de retoinhibición Inhibición irreversible. Venenos metabólicos.
El inhibidor se une covalentemente al enzima alterando su estructura.
Unión reversible. El inhibidor no se une covalentemente al enzima y el enzima recobra su actividad normal si desaparece el inhibidor. La inhibición reversible puede ser:
Los inhibidores competitivos son sustancias, muchas veces similares químicamente a los sustratos, que se unen al centro activo impidiendo con ello que se una el sustrato. El proceso es reversible y depende de la cantidad de sustrato y de inhibidor, pues ambos compiten por la enzima.
EnzimaEnzima
sustrato
inhibidor
Sin inhibidorcon inhibidor
Inhibición competitiva
Los inhibidores no competitivos son sustancias que se unen a la enzima en lugares diferentes al centro activo alterando la conformación de la molécula de tal manera que, aunque se forme un complejo enzima-sustrato, no se produce la catálisis. Este tipo de inhibición depende solamente de la concentración de inhibidor.
Enzima
sustrato
Enzima
No se produce la catálisis
inhibidor
Inhibición no competitiva
Sin inhibidor Con inhibidor
Animacion
Animación, sustratos, enzima, inhibidor
Inhibición Reversible IR
La IR puede afectar a Vmax o Km o a ambas a la vez
Si sólo afecta Km IR Competitiva
Si sólo afecta Vmax IR No-Competitiva
Si afecta tanto a Km y a Vmax IR Acompetitiva IR Mixta
Inhibición competitiva
El inhibidor competitivo es muy similar al sustrato normal de la enzima. Dada esa similitud estructural, este tipo de inhibidor se une reversiblemente al foco activo de la enzima.
La Vmax se mantiene constante con o sin inhibidor competitivo. Sin embargo, cuando está presente el inhibidor Km aumenta y Vmax nunca se alcanza:Por la gráfica de Lineweaver Burk observamos que, como la inhibición competitiva no afecta la Vmax: el intercepto en "y" (1/Vmax) es identico para todas las posibles concentraciones del inhibidor competitivo; todas la líneas intersectan en el mismo punto en el eje de "y":
Inhibición acompetitiva
El inhibidor se combina sólo con ES (no con la enzima), por lo que el inhibidor ejerce su efecto sólo a altas concentraciones de sustrato en las que hay gran cantidad de complejo enzima-sustrato (ES).
A bien baja concentración de sustrato ( [S]--->0), la enzima está libre (E). Como el inhibidor no se combina con E, éste no afecta la velocidad, así como tampoco la pendiente Km/Vmax, por lo que las pendientes son independientes de la concentración del inhibidor. Sólo se afectan los interceptos en "y" (1/Vmax) y en "x" (-1/Km) . Como resultado se obtienen una serie de líneas paralelas cuando se usan diferentes concentraciones del inhibidor.
Inhibición mixta
Inhibición mixta: intermedia entre acompetitiva y competitiva. El inhibidor (que no tiene porqué parecerse al sustrato) no se une al centro activo aunque tiene efecto de competitivo. La unión de uno y otro no son excluyentes. El resultado final depende de cual de los dos prevalezca.
Inhibición no competitiva
- Inhibición no competitiva: si KI =K´I el inhibidor se une por igual al enzima que al complejo enzima - sustrato y K
mI = K m. El punto de corte en abscisas
es igual con inhibidor que sin él. En ordenadas es más grande por lo que V baja. Si K m se mantiene igual y V baja la pendiente aumentaEjercicios, 6.16, 6.17 y 6.18 pág 217
Alosterismo
Los enzimas alostéricos regulan reacciones importantes, el inicio de rutas metabólicas y los puntos de ramificación.
Características: Estructura cuaternaria. Poseen varios lugares para la unión de activadores e
inhibidores. Dos estructuras reversibles: R, relajada y T tensa. La
forma T aparece en presencia de inhibidores y la R en presencia de activadores.
Presentan cooperatividad. Presentan una cinética particular.
Cinética de enzimas alostéricos Algunas reacciones enzimáticas dan lugar a curvas
sigmoideas, al ser representadas en una curva de saturación, lo que suele indicar una unión cooperativa del sustrato al centro catalítico de la enzima. Esto quiere decir que la unión de una molécula de sustrato influye en la unión de las moléculas de sustrato posteriores. Este comportamiento es el más común en las enzimas multiméricas, que presentan varias zonas de interacción con el sustrato. Las enzimas con este tipo de comportamiento son denominadas alostéricas. La cooperatividad positiva tiene lugar cuando la primera molécula de sustrato unida incrementa la afinidad del resto de zonas de interacción.
Gráfica sigmoide.
Nomenclatura y clasificación de las enzimas.
Nombre común. Pepsina Nombre sistemático: alude al tipo de
reacción que tiene lugar (sustrato) (acción) (asa)
ATP: creatin fosfotransferasa Número de clasificación. Designado por
la comisión de enzimas ECEC 2.7.3.2
