UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA BIOLÓGICA Y FISIOLOGÍA ANIMAL

BIOQUÍMICA

T1. Los enlaces químicos en bioquímica, el agua en las reacciones enzimáticas. Proteínas. Estructura.

T2. Enzimas. Características generales: Holoenzima, Apoenzima. La energía libre y la cinética enzimática, Km consideraciones generales.

 Ms.C. Patricia Elizabeth Torres Plasencia .

Los enlaces químicos en bioquímica

Los enlaces covalentes y no covalentes  son importantes para la estructura y estabilidad de las moléculas biológicas. 

Los átomos interaccionan por medio de enlaces químicos: covalentes (definen la estructura de las moléculas) y no 

covalentes.

Enlaces covalentes: Más fuertes. Consiste en un par de electrones compartidos  entre dos átomos adyacentes.

Enlaces no covalentes

Interacciones electrostáticas: Atracción entre cargas opuestas.

Puente de Hidrógeno: Átomo  de H parcialmente  compartido entre dos  átomos    relativamente electronegativos  (N,  O).  Grupo donador  del  enlace  de  H:  átomo estrechamente unido al H y al át. de H. Grupo aceptor de H: át. no unido. 

Interacciones de Van der Waals:  Base: distribución de cargas eléctricas de un átomo varía con el tiempo (distribución asimétrica de cargas).

Interacciones hidrofóbicas: Algunas moléculas (apolares) no pueden participar en los puentes de H ni en interacciones iónicas con el agua. Tendencia a asociarse: efecto hidrofóbico, Interacción entre moléc. apolares: interacción hidrofóbica.

Propiedades del agua

Diluyente en el que tienen lugar la mayoría de las reacciones bioquímicas.

El agua es una molécula polar

El agua es muy cohesiva: Las moléc. de agua interaccionan a través de puentes de H. Ejm: Hielo.Las moléc. en soluc. acuosa interaccionan con el agua a través de puentes de H e interacc. iónicas.

Proteínas. Estructura

Proteínas: macromoléculas más versátiles  de los seres vivos, participan en una gama de funciones de acuerdo a diversas propiedades:

Son polímeros lineales: Construidos por monómeros: Aas.Son la transición  desde el mundo unidimensional al tridimensional (función).

Poseen grupos funcionales: alcoholes, tioles, tioésteres , ác. Carboxílicos, carboxiamidas y una serie de grupos básicos.

Pueden interaccionar entre sí y con otras macromoléc. para formar asociaciones complejas.

Algunas son muy rígidas y otras muy flexibles.

Las proteínas se construyen a partir de 20 Aas

Son α-aminoácidos: Átomo de Cα  unido a cuatro grupos.Son quirales: Átomo de C unido a cuatro grupos diferentes. 

α

Dos isómeros: L y D. L, constituye las proteínas.  

Isómero L

Grupo amino

Grupo Carboxilo

Átomo de H.

Grupo R ó cadena lateral.

Isómeros L, configuración absoluta S

A  pH neutro, los Aas se encuentran como iones dipolares: zwitteriones

Existen 20 tipos diferentes de Grupos R o cadenas laterales:

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

PrimariaSecundariaTerciariaCuaternaria

Estructura Primaria

Es la secuencia de aminoácidos de una proteína (cadena polipeptídica)

Aas unidos por enlaces peptídicos

Cada unidad aminoacídica se denomina residuo.

El extremo amino terminal (N terminal), es el comienzo de la cadena polipeptídica, por lo que la secuencia de Aas empieza desde ahí.

Estructura Secundaria

Las cadenas polipeptídicas se pueden plegar en estructuras regulares: hélice α, hoja plegada β,  giros (β) y bucles (Ω).

Hélice α: Estructura helicoidal, se estabiliza por puentes de H entre los grupos NH y CO de la cadena principal (puentes de H intracatenarios).

Hoja Plegada β: Se estabilizan por puentes de H entre las cadenas polipeptídicas (hebras β).

Hoja β antiparalela: Hebras β en sentidos opuestos. Conecta cada Aas  con  un  único  Aa  (> estabilidad).

Hoja β paralela: Hebras β en el mismo sentido. 

También existen hojas β mixtas.

Giros inversos y bucles: Se encuentran en la superficie y participan en las interacciones entre proteínas y moléculas.

Estructura Terciaria

El plegamiento de la cadena principal es complejo y desprovisto de simetría.

La forma global de la cadena polipeptídica de una proteína se conoce como estructura terciaria.

Motivos o estructuras supersecundarias: Hélice-vuelta-hélice.

Cadenas polipetídicas que se pliegan en dos ó más regiones (dominios), conectadas por segmentos flexibles.

Estructura Cuaternaria

Para  proteínas  que  poseen  más  de  una  cadena  polipeptídica.  Se  refiere  al ordenamiento  espacial  de  las  subunidades  y  la  naturaleza  de  sus  interacciones. Forma más simple: dímero.

Las cadenas polip. pueden ensamblarse en estructuras de múltiples subunidades. Cada cadena polip. es una subunidad.

ENZIMASCaracterísticas generales.Holoenzima.Apoenzima.Energía libre .Cinética enzimática, Km consideraciones generales.

ENZIMAS. Características Generales

Casi  todos  son  de  naturaleza proteica, excepto moléculas de RNA  catalíticamente  activas (ribosimas).

1. Composición: 

En los viroides de plantas, como los que producen la mancha  de  los  paltos  y  la mancha  de  la  planta  del tabaco.  Estas  ribozimas  contienen  secuencias  de RNA,  que  tienen  esta  posibilidad  de  cortar  otras cadenas  RNA,  en  secuencias  de  nucleótidos  bien determinadas.

La actividad catalítica de muchos enzimas depende de  la presencia de pequeñas moléculas llamadas cofactores.

Metales  Moléculas orgánicas pequeñas deriv. vitaminas: coenzimas

COFACTORES

Grupo Prostético Cosustrato

ENZIMAS. Características Generales

Unión fuerte Unión débil

Enzimas que requieren elementos inorgánicosCitocromo oxidasa

Catalasa, peroxidasaFe2+, Fe+,

Citocromo oxidasa Cu2+

DNA polimerasaAnhídrasa carbónica

Alcohol deshidrogensa

Zn2+

HexoquinasaGlucosa 6-fosfatasa

Mg2+

Arginasa Mn2+

Piruvato quinasa K+, Mg2+

Ureasa Ni2+

Nitrato reductasa Mo2+

2. Poder catalítico

3. Especificidad

ENZIMAS. Características Generales

Aumentan  las velocidades de  las  reacciones  hasta 106  veces,  sin  afectar  el equilibrio de la reacción.

El  enzima  no  se modifica  tras  su actuación catalítica.

Radica en el centro activo del enzima (responsable de la interacción).

Pepsina 1.5

Tripsina 7.7

Catalasa 7.6

Arginasa 9.7

Fumarasa 7.8

Ribonucleasa 7.8

Enzima pH óptimo

ENZIMAS. Características Generales

4. Requieren de condiciones ambientales: pH

Mamíferos 37

Bacterias y algas apróx. 100

Bacterias Árticas apróx. 0

Enzima Temp. Ópt. (oC)

Bacterias en muestra de hielo antigua

5. Requieren de condiciones ambientales: Temperatura

Transformación de Alimentos 

Fermentaciones Quesos Vinos

Medicina Transaminasas

Industria Química  Penicilina

Agricultura Rhyzobium

DIVERSAS APLICACIONES:

ENZIMAS. Clasificación 

La    UIB:  sistema  de  nomenclaturas  sin  ambigüedad.  Cada  enzima: nombre y número de código singular que identifican el tipo de reacción catalizada y los sustratos comprendidos.

Anteriormente, los nombres: tipo de reacción catalizada, seguido por sufijo –asa. Deshidrogenasas, proteasas e isomerasas.

Descubrimiento  de  más  y más  enzimas  surgieron ambigüedades inevitables.

1. Oxidorreductasas

Catalizan  reacciones  de  oxidorreducción, transferencia  de  hidrógeno  (H)  o electrones (e-) de un sustrato a otro.

De acuerdo al tipo de reacción catalizada, los enzimas se agrupan en seis clases:

EC 1.1.1.2     Accepted    

name:alcohol dehydrogenase (NADP+)

Reaction: an alcohol + NADP+ = an aldehyde + NADPH + H+

Other name(s):

aldehyde reductase (NADPH2); NADP-alcohol dehydrogenase; NADP+-aldehyde reductase; NADP+-dependent aldehyde reductase; NADPH-aldehyde reductase; NADPH-dependent aldehyde reductase; nonspecific succinic semialdehyde reductase; ALR 1; low-Km aldehyde reductase; high-Km aldehyde reductase; alcohol dehydrogenase (NADP+)

Systematic name:  alcohol:NADP+ oxidoreductase

Comments: A zinc protein. Some members of this group oxidize only primary alcohols; others act also on secondary alcohols. May be identical with EC 1.1.1.19 (L-glucuronate reductase), EC 1.1.1.33 [mevaldate reductase (NADPH)] and EC 1.1.1.55 [lactaldehyde reductase (NADPH)]. A-specific with respect to NADPH.

http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

http://www.enzyme-database.org/http://us.expasy.org/enzyme/

2. Transferasas:

Transfieren grupos funcionales entre dadores y aceptores. Transfieren grupos amino, acilo, fosfato, glucosilo y los grupos monocarbonados.

3. Hidrolasas:

La reacción generalizada implica la rotura hidrolítica de enlaces C-C, C-O, C-N, O-P y C-S; la rotura del enlace peptídico es un buen ejemplo de esta reacción.

4. Liasas:

Añaden  o  eliminan  los elementos del agua, amoniaco o dióxido de carbono.Las  descarboxilasas  eliminan unidades  de  CO2  de    y  -cetoácidos o aminoácidos.

5. Isomerasas:

Catalizan  isomerizaciones de  diversos  tipos  dentro de una molécula.Interconversiones  cis  – trans y aldosa – cetosa.

6. Ligasas:

Catalizan  la  unión  de  dos moléculas acopladas a  la hidrólisis de ATP. El  término  sintetasa  se  reserva para este tipo de enzimas.

Formación del complejo Enzima - Sustrato

La mayor parte  de  la  capacidad  catalítica de  los  enzimas procede de  yuxtaponer  sus sustratos  en  condiciones  favorables  dentro  de  los  complejos  ES  para  facilitar  la formación  de  los  estados  de  transición.  Los  sustratos  quedan  unidos  a  una  región específica del enzima denominado centro activo. 

CATÁLISIS ENZIMÁTICA:

El Centro Activo, al ser la región que se une al sustrato, contiene los residuos que  participan  directamente  en  la  producción  y  roturas  de  enlaces  (grupos catalíticos). La función del centro activo es:

Fijar específicamente al sustratoTransformarlo catalíticamente.

Los centros activos de las diversas enzimas poseen ciertas características comunes:

Centro activo, porción pequeña del volumen del enzima 

Es una entidad tridimensional

Los sustratos se unen por fuerzas débiles: Interacciones electrostát., hidrofóbicas, Van der Waals, puentes de H. 

Los centros activos son hoyos o hendiduras

La especificidad del enlace depende de la disposición definida de los átomos del centro activo.

Modelo llave - cerradura

Modelo  del ajuste inducido

CATÁLISIS ENZIMÁTICA:

Energía libre: La primera ley de la Termodinámica establece que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante.

Para comprender el funcionamiento de los enzimas, es necesario conocer:

La diferencia de la energía libre (ΔG) entre los productos y los reactantes

La energía que se requiere para iniciar la conversión de los reactantes en productos (energía de activación ΔG++.).

Si ΔG es negativo: Reacción espontánea.si ΔG es cero: Equilibrio.si ΔG es positivo: Reacción no espontánea Determina la velocidad de la reacción

Intervienen los enzimas, favoreciendo La formación del estado de transición.

A+B               

C+D

Los enzimas alteran las velocidades de reacción pero no el equilibrio

Por lo tanto:De S a P: estado de transición X++ que tiene mayor energía libre.

ΔG entre X++ y el S: energía libre de Gibbs o energía de activación: ΔG++.

Energía  liberada por  interacciones débiles entre el E y  el  S  (energía de unión) permite que  la energía de activación disminuya. 

La esencia de la catálisis es la estabilización específica del estado de transición .

CINÉTICA ENZIMÁTICA

La  cinética  enzimática  estudia  la  velocidad de  las  reacciones  catalizadas  por  los enzimas, así como también los factores que intervienen.

Concentración de enzima, sustratos y productos (incluyendo inhibidores y/o     activadores)

pH

Temperatura

¿Qué significa “velocidad” cuando hablamos de una reacción química? Si tenemos la siguiente reacción:

La velocidad (V) es  la cantidad de A que desaparece en una unidad de tiempo concreta; es igual a la velocidad de aparición de P, es decir, la cantidad de P que aparece en una unidad de tiempo completo.

La velocidad de la reacción está relacionada directamente con la concentración de A mediante una constante de proporcionalidad k, denominada constante de velocidad:

Muchas reacciones bioquímicas importantes incluyen dos reactantes:

Primer orden

V = k[A][B]Segundo orden

Pseudo primer orden

Orden cero

La concentración del sustrato afecta la velocidad de reacción catalizada por enzimas

Para investigar la  velocidad de reacción el método más sencillo es seguir el incremento del producto de la reacción en función del tiempo.

Sin embargo, las cinéticas enzimáticas son más fácilmente comprendidas si se considera solamente la reacción directa (conversión del S a P).

Se alcanza un equilibrio, el enzima esactivo y transforma el P en S y vicev. 

Velocidad  de  catálisis  (V0)  :  número  de moles  de  producto  formado  por segundo cuando la reacción acaba de empezar (t = 0).

Leonor  Michaelis  y  Maud Menten  propusieron  un modelo  sencillo  que  explica estas  características cinéticas    mediante  la formación de un complejo E-S  intermediario  en  la catálisis.

E + S ES E + Pk-1

k+1

K-2

k+2

E + S ES E + Pk-1

k+1 k+2

Si  [S] es igual a Km, Vo = Vmax/2

Teniendo en cuenta la velocidad de reacción cercana a 0:

En el estado estacionario la [ES] permanece invariable y las concentraciones del S y P van cambiando.  Se  obtiene  una  constante  que relaciona  las  constantes  de  velocidad  de destrucción y formación del complejo [ES]

Pero también a partir de la ecuación de Michaelis – Menten:

Baja concentración de sustrato

ALTA concentración de sustratoSATURACION

Si K1  >> K2,  Km =  cte disociación del  complejo ES, es decir es una medida de la estabilidad del complejo  ES:  una  Km  baja  indica  una  unión fuerte.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN