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ENZIMAS

CAPITULO 4

INTRODUCCION

Historia:1700: estudios de la digestión de carnesmediante secreciones del estómago.1800: convertir almidón en azúcar mediantela saliva.1810: comienzan estudios sobrefermentación.1850: Louis Pasteur concluyó estudios sobrefermentación de azúcares en alcoholes porlevadura y catalizado por fermentos.

INTRODUCCIONHistoria:

1897: Buchner descubrió que los extractosde levadura podían convertir el azúcar en alcohol. Fermentación se llevaba a cabopor la presencia de moléculas.Kühne llamó las moléculas enzimas.1926: ureasa fue aislada y cristalizada.1930: pepsina, tripsina, y otras enzimasdigestivas fueron cristalizadas.

AGENTES CATALITICOS

Cambian la velocidad de una reacciónquímica.Aceleran la reacción en ambas direccionesdisminuyendo la energía de activación.Funcionan en reacciones que puedenocurrir sin su presencia (exergónica).Permanecen inalterados al final de la reacción.

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ENZIMAS

CATALISIS ENZIMATICALas enzimas son los agentes catalíticos de los sistemas biológicos.Todas las enzimas son proteínas exceptolas riboenzimas.Aumentan la velocidad de una reacciónhasta por un factor de 1014 .Son altamente específicas.La acción enzimática es regulada.

ESPECIFICIDAD ENZIMATICALa especificidad enzimática puedevariar.Pasos que ocurren durante la acciónenzimática:

Sustrato se enlaza a la enzima.Ocurren alteraciones químicas queincluyen rompimiento y formación de enlaces.La enzima libera el producto de la reacción.

Teorías que explican la actividad enzimática:

Llave y cerradura: específica; un sustrato y una enzima.Adaptación inducida: menos específica, el centro activo se ajusta al sustrato queinterviene.Teoría de poliafinidad: enzima y sustratoposeen por lo menos tres puntos de contacto, sólo uno de dos grupos idénticosdel carbono proquiral es orientadocorrectamente.

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Clasificación enzimática

1. Oxidoreductasas: transferencia de electrones2. Transferasas: transferencia de grupos3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis4. Liasas: adición de grupos a doblesenlaces5. Isomerasas: transferencia de gruposen la molécula6. Ligasas: formación de enlaces

Clasificación enzimática

De acuerdo al número de la ComisiónEnzimática (Enzyme Commission number)

Primer #: tipo de reacción catalizada.Segundo #: indica la subclase; dice el tipo de sustrato o el enlace que se rompe en forma masprecisa.Tercer #: indica la sub-subclase; nos dice el tipode aceptador de electrones (oxidoreductasas) o el tipo de grupo que se remueve (liasas), etc.Cuarto #: indica el número de serie de la enzimaen su sub-subclase.

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Mecanismos de acción

Estado de transición: forma activa de unamolécula en la cual la molécula realiza unareacción química parcial.Energía libre: componente de la energíatotal de un sistema que puede realizartrabajo a temperatura y presión constante.

ΔG reacción = G productos – G reactivos

Reacción endergónica: ΔG es negativoΔG = ΔH - TΔS

Mecanismos de acción

Energía de activación: cantidad de energía necesaria para convertir todaslas moléculas de un mol de sustanciareaccionando de su estado raso a suestado de transición.Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción disminuyendo la energía de activación, pero no afectan los aspectos termidinámicos de lasreacciones.

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Eficiencia enzimática

Se describe con el “turnover number”: número de moles de sustratotransformado en producto por mol de enzima por segundo.

Mayor el “turnover number” mayor la eficiencia.Equivale a: Vmax/[Et]

Unidades enzimáticas

La concentración de las enzimas se expresa en términos de su actividad:

Unidad enzimática: cantidad de enzimaque produce la transformación de un micromol de sustrato por minuto bajocondiciones definidas.Actividad específica: número de unidadespor miligramo de proteína total.Actividad total: número total de unidadesenzimáticas.

Factores que determinan la catálisis (eficiencia)

Proximidad y orientación: debe existir unainteracción entre el sustrato y el centroactivo.Efectos electrostáticos: constantedieléctrica baja lo que permite estabilizarestados de transición polares; mejorinteracción.

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Factores que determinan la catálisis (eficiencia)

Factores de entropía: la pérdida en entropía esmás pequeña que la de las reacciones en solución porque los reactivos, los estados de transición y los productos están enlazados a la enzima.Distorciones: cambios en la conformacióncuando se enlaza la enzima. Hay distorción del sustrato, se destabilizan los enlaces y se forman o rompen con más facilidad los enlaces.

Factores que determinan la catálisis (eficiencia)

Catálisis ácido-base: interacción entregrupos ácidos y básicos.Catálisis covalente: interacción entrela enzima y el sustrato es inestable; sustrato se convierte en producto con más rápidez.

Regulación actividadenzimática

Puede llevarse a cabo por:Control de la cantidad de enzima: número actual de moléculas de enzimapor célula en un tiempo dado.Control de la actividad enzimática: efectividad actual de las moléculas de enzima en una célula determinada.

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Control de la actividad enzimática: propiedades de las enzimas

Velocidad de la reacción: rapidez con la queprocede una reacción. Cambio en concentración de producto (aparece) o reactivo ( desaparece) por unidad de tiempo.Concentración: hipérbola; mayor concentración de sustrato la enzima se satura y la velocidad de reacción esmáxima.Tiempo de reacción: la velocidad disminuyecon el tiempo.

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Control de la actividad enzimática: propiedades de las enzimas

pH: óptimo

Temperatura: óptima

Control de la actividad enzimática: propiedades de las enzimas

Cofactores, vitaminas y hormonas:Enzimas conjugadas: apoenzima y cofactor forma la holoenzima.

Cofactores: grupo prostéticoVitaminas: solubles en aguaHormonas: pueden afectar la cantidad o la actividad de las enzimas.

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Apoenzyme(amino acid portion)

metals coenzymes prosthetic group

Cofactor

Chemical component(non-amino acid portion)

ENZYMES(holoenzyme)

Ejemplos de metales usadoscomo cofactores

Cu+2

Fe+2 o Fe+3

K+

Mg+2

Mn+2

MoNi+2

SeZn+2

oxidasa de citocromocatalasa, peroxidasaquinasa de piruvatohexoquinasaarginasadinitrogenasaureasaperoxidasa de glutationadehidrogenasa de alcohol

COENZIMASCoenzima Reacción Vitamina Biocitina CO2 Biotina

Coenzima A Grupo acil Ac. Pantotenico

Coenz. B12 H y alquilos Vitamina B12

FAD, FMN Electrones Riboflavin

NAD, NADP Electrones Niacina

Fosfato de piridoxal

Grupos aminos Piridoxina

Pirofosfato Tiamina Aldehidos Tiamina Tetrahidrofolato Un carbono Ac. folico

Control de la actividad enzimática: propiedades de las enzimas

InhibidoresReversibles

Competitivo: Compite con el sustrato por el centro activo. Se parecen al sustrato. E + I EI (no catálisis)No competitivo: el inhibidor no compite con el sustrato. Inhibidor tiene un punto diferente de enlace. Puede enlazar la E o el complejo ES. E + I EI + S EIS or E + S ES + I

EIS De incompetencia: el inhibidor se enlaza directamente al complejo enzima-sustrato y no a la enzima libre. E + S ES + I ---> EIS (no reaccion).

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Inhibidor competitivo Inhibidor competitivo

Inhibidor no-competitivo

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Inhibidor no-competitivo

Inhibidor de incompetencia

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Control de la actividad enzimática: propiedades de las enzimas

InhibidoresIrreversibles: se combina con o destruye un grupo funcional necesario para la actividadenzimática. Se forma un enlace covalente.

Ejemplo: Inhibidores de acetilcolinesterasa.Interfierecon la secuencia del impulso nervioso.

Diisopropylphosphofluoridate, tabun y sarin(nerve gases)Parathion and malathion

Control de la actividad enzimática: cinética de las enzimas

Estado raso (steady state): Velocidad de formación = Velocidad de desaparición

Ecuación Michaelis-MentenEl modelo de Michaelis-Menten presenta la formación del complejo enzima-sustrato.La concentración del complejo es baja, peropermanece constante durante la reacción.El sustrato se convierte en producto.E + S ES E + P

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Control de la actividad enzimática: cinética de las enzimas

Ecuación Michaelis-Menten

[ ][ ]

2],[ max

max

VcuandoVoSKm

SKSVV

M

==

+=

Control de la actividad enzimática: cinética de las enzimas

Ecuación Michaelis-MentenKM es igual a la concentración de sustrato cuando 50% de los centrosactivos de la enzima están ocupados. También representa cuán fuerte la enzima se enlaza al sustrato.VMAX está relacionado con el turnover numberGráfica Lineweaver-Burk

Control de la actividad enzimática: cinética de las enzimas

Medidas de la actividad enzimáticaKs: mayor la afinidad de la enzima por el sustrato, mayor la concentración [ES] y menor el Ks.Constante de velocidad catalítica: Vmax/[E], mide la eficiencia de la enzimacuando la enzima está saturada con sustrato.Constante de especificidad: kcat/Km, ayuda a medir la eficiencia de la enzima.

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Control de la actividad enzimática: cinética de las enzimas

Inhibición enzimáticaInhibidor competitivoInhibidor no-competitivoInhibidor de incompetencia

Control de la actividad enzimática: tipos de enzimas

Formas inactivasZimógeno

IsoenzimasCatalizan la misma reacción pero varíanen estructura y propiedades

Sistemas multienzimáticosGrupo de enzimas que catalizan unareacción en secuencia

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Control de la actividad enzimática: tipos de enzimas

Enzimas reguladorasSon clave en la regulación de una rutametabólica.

Mecanismos de retroalimentaciónUna enzima actúa sobre un paso determinado.

Modificación covalenteFormación o rompimiento de un enlace covalente.

Modificación alostéricaEnlace de un efector positivo o negativo.

Control de la actividad enzimática: tipos de enzimas

Enzimas alostéricasSufren cambios conformacionales en respuesta a enlace de efectores o moduladores.Ejemplos:

inhibidoresactivadores

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Acción de las enzimas alostéricas

Modelo secuencialLa enzima contiene subunidades.Cuando se enlaza el sustrato cambia la conformación de la subunidad.Enlace cooperativo

Acción de las enzimas alostéricas

Modelo concertadoLa enzima existe en equilibrio entre dos conformaciones o estados: relajado (R) o tenso (T).En el estado R se enlaza el sustrato y el activador.En el estado T se enlaza el inhibidor.

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