BOLILLA 1: ENZIMAS.

Introducción: Nomenclatura y clasificación. Determinación de la actividad enzimática. Unidades.

Complejo enzima-sustrato. Sitio activo. Cinética enzimática.

Factores que modifican la actividad enzimática. Tipos de Inhibiciones.

Regulación. Enzimas alostéricas. Propiedades y cinética. Control por proteínas: activación proteolítica.

Modulación covalente. Isoenzimas.

Regulación de la expresión génica: represión e inducción enzimática.

HISTORIAHISTORIAA fines del siglo XVIII: catalizadores en estudios de la digestión de la carne por secreciones del estómago.•Louis Pasteur, 1850 (fermentos –azúcar alcohol- de la levadura)•Eduard Buchner, 1897 (levaduras)•Fredrick Kühne fue el primero en llamar a los fermentos: ENZIMASENZIMAS•James Summer, 1926 (ureasa)•John Northrop y Moses Kunitz, 1930 (pepsina, tripsina y quimotripsina)

Estructura y función•1963: 1º Secuencia de aminoácidos de la ribonucleasa pancreática bovina A•1965: 1º Estructura por RX de la Lisozima de clara de huevo de gallina•1983: Sidney Altman y Col. Observaron que el RNA de la ribonucleasa tiene actividad catalítica.

ENZIMAS - FUNCIÓN ENZIMAS - FUNCIÓN

En los seres vivos se producen reacciones químicas para:

• Transformar los nutrientes de los alimentos para obtener energía.

• Transformar nutrientes simples en moléculas complejas y viceversa.

• Obtener materia prima para la síntesis de nuevas moléculas.

• Degradar componentes celulares una vez cumplida su vida útil.

•Extraer energía desde combustibles por oxidación.

•Polimerizar subunidades para formar macromoléculas.

Las transformaciones bioquímicas en los seres vivos ocurren:

• a gran velocidad

• con gran especificidad

• en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión, etc.

Un catalizador es una sustancia capaz de acelerar una reacción química sin formar parte

de los productos finales ni desgastarse en el proceso.

ENZIMASENZIMAS

Los catalizadores biológicos son macromoléculas llamadas enzimas

Actividad catalítica: depende de la integridad de su conformación proteica nativa

La mayoría de las enzimas son proteínas, con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, llamadas ribozimas.

PROTEINAS y RNAPROTEINAS y RNA (Ribozimas): Estructura terciaria y cuaternaria

SITIO DE UNION AL SUSTRATOSITIO DE UNION AL SUSTRATO: Uniones no Covalentes (puente de hidrógeno,

hidrofóbicas, electrostáticas)

NECESITAN DE FACTORES ENZIMATICOSNECESITAN DE FACTORES ENZIMATICOS: Inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas)

ESPECIFICIDAD DE SUSTRATOESPECIFICIDAD DE SUSTRATO: Estéreo-especificidad y especificidad geométrica

SON REGULABLESSON REGULABLES: La síntesis de la proteína, su actividad y

degradación.

CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS

COMPARTIMENTALIZACIONCOMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula.

SISTEMAS MULTIENZIMATICOSSISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos

complejos.

ENZIMAS MULTIFUNCIONALESENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta varios sitios catalíticos distintos en una

misma cadena polipeptídica.

DISTRIBUCION DE LAS ENZIMASDISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS

Oxido-reducción

Rotura y formación de enlaces C-C

Reorganizaciones internas

Transferencia de grupos

Reacciones de condensación

Tipos de reacciones catalizadas Tipos de reacciones catalizadas por enzimaspor enzimas

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE ENZIMASENZIMAS

Nombre común : nombre de uso cotidiano

asa + nombre del sustrato de la reacción

Ejemplo: sacarasa, ureasa, amilasa, etc

Nombres arbitrarios Ej: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico, etc.

Nombres según el tipo de reacción catalizada.

Ej: deshidrogenasas, carboxilasas, etc.

Nombre sistemático:

Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB)

Se asigna a cada enzima un nombre descriptivo y un número que permite identificarla inequívocamente

Nombre común: HexoquinasaNombre sistemático: ATP: glucosa fosfotransferasaCódigo de 4 dígitos: 2.7.1.1.Clase 2: transferasaSubclase 7: fosfotransferasaSubsubclase 1: fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptorN° de orden de la enzima en su subclase 1: glucosa como aceptor del grupo fosfato

1- OXIDORREDUCTASAS: DESHIDROGENASAS,

OXIDASAS, OXIGENASAS, REDUCTASAS,

PEROXIDASAS

2- TRANSFERASAS: TRANSCARBOXILASAS,

TRANSMETILASAS Y TRANSAMINASAS.

3- HIDROLASAS: ESTERASAS, FOSFATASAS,

PEPTIDASAS.

4- LIASAS: DESCARBOXILASAS, HIDRATASAS,

DESHIDRATASAS, DESAMINASAS.

5- ISOMERASAS: EPIMERASAS, MUTASAS.

6- LIGASAS: SINTETASAS, CARBOXILASAS

COFACTORES Según su modo de interacción con la enzima

COENZIMAS Unión laxa a la enzima

Actuaría como co-sustratoSon moléculas orgánicas pequeñas

Muchas se encuentran libres y solo se unen a la enzima en el momento de la catálisis

GRUPO PROSTÉTICOMolécula orgánica no proteica

Se une fuertemente a la enzimaSolo se separa por desnaturalización

IONES INORGÁNICOSAniones - cationes

COFACTORESCOFACTORES

• Iones inorgánicos: Fe2+ Mg2+ Mn 2+ Zn2+

HOLOENZIMAHOLOENZIMA = Enzima total

APOENZIMA APOENZIMA +ProteínaTermolábilNo dializa

COENZIMACOENZIMANo proteínicaTermoestable

En el caso de las coenzimas se forma un complejo:

Oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas requieren coenzimas

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

LOCALIZACIÓN LOCALIZACIÓN INTRACELULAR INTRACELULAR DE LAS ENZIMASDE LAS ENZIMAS

PROPIEDADES DE LAS ENZIMASPROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

SITIO ACTIVO

Región de la molécula enzimática a la que se une el sustrato por uniones no covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas, electrostáticas).

Es una agrupación de un número no muy grande de aminoácidos distribuidos espacialmente de manera precisa.

Sitio de unión

Sitio catalítico

Hipótesis de Fischer: estructuras rígidas

Hipótesis de Koshland: estructuras adaptables

ZIMÓGENOSZIMÓGENOS

Algunas enzimas se sintetizan en la célula de origen al estado de PRECURSORES INACTIVOS llamados zimógenos, proenzimas o preenzimas. Ej: Enzimas digestivas

SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS

1. Varias enzimas diferentes cuyas acciones se complementan.

2. Están ordenados, generalmente en membranas, de modo que el producto de la reacción catalizada por la primera enzima es recibido como sustrato por la segunda y así sucesivamente.

3. Las transformaciones se producen según la secuencia establecida por la disposición espacial de los catalizadores. Ej: Cadena RespiratoriaENZIMAS MULTIFUNCIONALES

Presentan varios sitios catalíticos distintos en una misma cadena polipeptídica. Ej: ácido graso sintasa.

Catálisis enzimáticaCatálisis enzimática

•Las células y organismos vivos deben realizar distintos tipos de trabajotrabajo para permanecer vivos y reproducirse.

•La síntesis continua de componentes celulares requiere de trabajo químico

•La acumulación y retención de sales contra un gradiente de concentración implica la realización de un trabajo osmótico

•La contracción muscular o el movimiento bacteriano representa un trabajo mecánico

Determinación de la actividad enzimática

Se puede determinar, midiendo:

La cantidad de producto formado

O de sustrato consumido

En un tiempo dado

Como una sumatoria de todos los factores requeridos para la reacción

ACTIVIDAD ESPECÍFICA

Es una expresión que indica la pureza relativa de una preparación enzimática.

Relaciona Actividad Enzimática, no con el volumen de muestra, sino con el total de

proteínas existentes en la misma.

Se define como:

UNIDADES DE ENZIMA POR MG DE PROTEÍNAS UNIDADES DE ENZIMA POR MG DE PROTEÍNAS PRESENTES EN LA MUESTRAPRESENTES EN LA MUESTRA

ACTIVIDAD ENZIMATICA

Unidades Internacionales

Cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 μmol (10-6 mol) de

Sustrato por minuto:

ESustrato Producto

U.I. =mol de S transformados

minuto

Siempre bajo condiciones definidas de pH y temperatura

(mol/seg)

Para todo esto, los seres vivos requieren y utilizan la energía de su entorno

La cantidad de energía realmente transformable en trabajo se denomina

energía libre

y ésta siempre será ligeramente inferior a la variación de energía total, ya que una parte de la misma se disipa en forma de

calor

La variación de energía libre (G) Energía de Gibbs

de una reacción química es una expresión cuantitativa de lo lejos que se encuentra el sistema del equilibrio.

Aquellas reacciones que liberan energía libre se denominan exergónicas.

Dado que los productos de estas reacciones tienen menor energía libre que los reactivos, G es negativa.

Aquellas reacciones en las que los productos poseen mayor energía libre que los reactivos son

endergónicas y G es positiva.

El estado de transiciónestado de transición o barrera de activaciónbarrera de activación, representa los cambios que se generan en la molécula

del S.

Las barreras de activación son importantes para la estabilidad de las biomoléculas.

Es por esto que las reacciones sin catalizar tienden a ser muy lentas.

Todas las moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso en el

interior de las células.

Todas las reacciones químicas celulares se llevan a cabo porque las enzimas actúan disminuyendo la

barrera energética entre el S y el P

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DE ENZIMACONCENTRACIÓN DE ENZIMACantidad saturante de sustrato, pH y T°C

constantes

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

CONCENTRACIÓN DE ENZIMA

Se establece la relación entre

Cantidad y Actividad de enzima

Velocidad de reacción

directamente proporcional a la concentración de

enzima

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

TEMPERATURA

Temperatura Temperatura óptimaóptima

[E], [S], pH: constantes

pH óptimo7

6 8

PH ÓPTIMO ES AQUEL EN EL CUAL EL ESTADO DE DISOCIACIÓN DE LOS GRUPOS ESENCIALES ES EL MÁS APROPIADO PARA INTERACCIONAR EN

EL COMPLEJO ES

• Los cambios del pH del medio afectan el estado de ionización de grupos

funcionales de las moléculas de E y S.

• Para la formación del [ES] es necesaria una correcta distribución de las cargas

en ambas moléculas

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

EFECTO DEL pH [E], T°C, [S]: constantes

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO

[E], pH, T°C: constantes

Curva hiperbólicaReacción de 1° orden

Reacción de primer orden: existe

proporcionalidad entre velocidad y

[S].

ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTEN(1913)

Relación precisa entre velocidad inicial y [S]

Constante de Michaelis ( Km)• Es característica de una enzima y su sustrato particular

• Refleja la afinidad del sustrato por la enzima.

• Km es numéricamente igual a la concentración del sustrato que corresponde a una velocidad de reacción igual a la mitad de la velocidad máxima.

• En condiciones definidas de pH, T°C, Km tiene un valor fijo para cada enzima y sirve para caracterizarla.

Orden de la reacciónOrden de la reacción

Cuando [S] es menor a Km, la velocidad de reacción es

proporcional a la [S]

por lo tanto la velocidad de velocidad de reacción es de primer ordenreacción es de primer orden con respecto al sustrato.

Cuando [S] es mayor a Km, la velocidad de reacción es constante e igual a Vmax

por lo tanto la velocidad de velocidad de reacción es de orden ceroreacción es de orden cero con respecto a la concentración

del sustrato.

ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTENCinética del estado estacionario

E + PESE + Sk1

k -1

k2

V0= Velocidad inicial de la reacción

Vmáx= Velocidad MáximaKm= constante de Michaelis[S]= concentración del sustrato

Reacción de orden cero

Reacción de 1° orden

La ecuación de Michaelis- Menten puede ser transformada algebraicamente en ecuaciones

utilizables para la determinación práctica del valor de Km.

Es decir, transformamos matemáticamente una curva hiperbólica en una recta.

Al invertir la ecuación de Michaelis- Menten se obtiene la ecuación de una recta llamada:

LINEWEAVER-BURKLINEWEAVER-BURK

ECUACIÓN DE LINEWEAVER-BURK

Ordenada al origen = 1/Vmáx.

Intersección c/eje x = - 1/Km

El valor de km guarda relación inversa con la afinidad de la

E por el S

A MAYOR AFINIDAD, A MAYOR AFINIDAD, MENOR VALOR DE KmMENOR VALOR DE Km