Enzimas: mecanismo, cinética y regulación Enzimas: mecanismo ...

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2011 Enrique Castro 1 Enzimas: mecanismo, cinética y regulación Enzimas: mecanismo, cinética y regulación Concepto y clasificación Propiedades y características Clasificación de enzimas Velocidad y orden de reacción Mecanismo de acción de las enzimas Energía de activación y velocidad de reacción Sitio activo y energía de unión Mecanismos de catálisis Coenzimas y cofactores Cinética enzimática Modelo de Michaelis-Menten Cinética mutisustrato Mecanismos de inhibición Regulación de la actividad enzimática Mecanismos generales de regulación Regulación alostérica y cooperatividad Regulación de rutas metabólicas Para © Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original 2011 Enrique Castro 2 Propiedades de los enzimas Propiedades de los enzimas Proteínas Ribozimas son excepción Catalizadores No alteran la posición del equilibrio (K eq , ΔG) Especificidad Una única reacción Sin reacciones colaterales No absoluta: varios sustratos Eficacia Aceleran enormemente la velocidad de reacción Estereoselectivas Complementariedad 3D Papaína: inespecífica Tripsina: muy específica (R,K) Trombina: absolutamente específica (R en secuencia definida) DHAP Dihidroxiacetona-fosfato GA3P L-gliceraldehído-3-fosfato

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2011 Enrique Castro 1

Enzimas: mecanismo, cinética y regulaciónEnzimas: mecanismo, cinética y regulación

➢ Concepto y clasificación Propiedades y características Clasificación de enzimas Velocidad y orden de reacción

➢ Mecanismo de acción de las enzimas Energía de activación y velocidad de reacción Sitio activo y energía de unión Mecanismos de catálisis Coenzimas y cofactores

➢ Cinética enzimática Modelo de Michaelis-Menten Cinética mutisustrato Mecanismos de inhibición

➢ Regulación de la actividad enzimática Mecanismos generales de regulación Regulación alostérica y cooperatividad Regulación de rutas metabólicas

Para © Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original

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Propiedades de los enzimasPropiedades de los enzimas

➢Proteínas•Ribozimas son excepción

➢Catalizadores•No alteran la posición del equilibrio (Keq, ΔG)

➢Especificidad•Una única reacción• Sin reacciones colaterales•No absoluta: varios sustratos

➢Eficacia•Aceleran enormemente la velocidad de reacción

➢Estereoselectivas•Complementariedad 3D

Papaína: inespecíficaTripsina: muy específica (R,K)Trombina: absolutamente específica (R en secuencia definida)

DHAPDihidroxiacetona-fosfato

GA3PL-gliceraldehído-3-fosfato

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Nomenclatura y clasificación de enzimasNomenclatura y clasificación de enzimas

➢Clases•

➢Subclases•

1: Oxidoreductasas• H: Deshidrogenasas• O2: Oxigenasas (mono-, di-)

2: Transferasas• P: quinasas• NH2: aminotransferasas

(transaminasas)• Ac: acetil-transferasas

D-Glucosa + ATP D-Glucosa-6-P + ADP

HexoquinasaATP:glucosa fosfotransferasaEC 2.7.1.12: Transferasa 7: Fosfotransferasa 1: grupo aceptor -OH 1: compuesto aceptor

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Componentes adicionales: CofactoresComponentes adicionales: Cofactores

➢Cofactor•No proteico, termoestable, bajo Mrr•Unido permentemente• Ión metálico esencial para catálisis

➢Coenzima•Molécula orgánica esencial para catálisis•Unión transitoria: co-sustrato

Covalente: grupo prostético

Holo-enzima = apo-enzima + cofactor

Cofactores aportan reactividad química especial

Xantina oxidasa

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Curvas de progreso de reacciónCurvas de progreso de reacción

A Pk1

k-1

Keq

v = −d [A]dt

=d [P ]dt

= k 1⋅[A] − k−1⋅[P ]

veq = k1⋅[A ]eq − k−1⋅[ P ]eq =0 ; K eq=k1k−1

=[P ]eq[A ]eq

En el equilibrio no hay más reacción neta: v

A→P = v

P→A

➢Velocidad inicial•Elimina dependencia de [P]

v0=−d [A ]0dt

=d [P ]0dt

= k1⋅[A ]0− k−1⋅[P ]0

v0 = k1⋅[A]0

[P]0=0

Constante de velocidad

Ecuación de velocidadCurva exponencial

[A]=[A ]0⋅e−kt

v0

v0

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Velocidad y orden de reacciónVelocidad y orden de reacción➢Reacciones de orden 0

•No depende de [A]

➢Reacciones de 1er orden (orden 1) • Dependencia lineal de [A]

➢Reacciones de 2º orden (orden 2) •Reacciones bimoleculares reales

A Pk v0=d [ P ]dt

= k

v0=−d [A ]

dt=k⋅[A ]

ln [A][A]0

=−kt ; [A]=[A ]0⋅e−kt

[k] = M·s-1

A Pk

[k] = s-1

A + B Pk

2 A Pk

v0=d [P ]dt

= k⋅[A ][B ]

v0=d [P ]dt

= k⋅[A ]2

[k] = M-1·s-1

Pseudo 1er orden• [B] constante (ej. Agua)

• Etapa limitante monomolecular

v0=d [P ]dt

=k [B]⋅[ A ]=k '⋅[ A]

k '=k [B ]

A + A A + A*k

A* Pk'

k>>k'

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Enzimas: mecanismo, cinética y regulaciónEnzimas: mecanismo, cinética y regulación

➢ Concepto y clasificación Propiedades y características Clasificación de enzimas Velocidad y orden de reacción

➢ Mecanismo de acción de las enzimas Energía de activación y velocidad de reacción Sitio activo y energía de unión Mecanismos de catálisis Coenzimas y cofactores

➢ Cinética enzimática Modelo de Michaelis-Menten Cinética mutisustrato Mecanismos de inhibición

➢ Regulación de la actividad enzimática Mecanismos generales de regulación Regulación alostérica y cooperatividad Regulación de rutas metabólicas

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Energía de activación y catálisisEnergía de activación y catálisis

G S P=G0RT ln

[P ][S ]

G 0=−RT⋅ln K eq

k =k BT

h⋅e

G ‡

RT Catalizador reduce ΔG‡

sin afectar a ΔGO

N i

N=

g i

Z⋅e

E i

k BT

Ecuación de Eyring

Distribución de Boltzmann

Keq, ΔGº indican dirección de la reacción

NO indican si ocurre rápidamente

ΔG‡ indica velocidad de la reacción

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Centro activoCentro activo➢Región catalítica especializada

•Hendidura 3D superficial (unión S)•Volumen reducido

➢Microentorno único•Agua excluída (salvo reactiva)•pK

a especiales

➢Multiplicidad de enlaces débiles•Energía de unión alta (15-50 kJ·mol-1) •Kd baja (10-2-10-9 M)

➢Especificidad=complementariedad•Forma 3D complementaria E-S•Enlace direccionales • Llave en cerradura / Ajuste inducido

Centro activo de Lisozima

Proteína = andamiaje para centro activo en

posición

Unión de sustratoa RNasa

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Mecanismos generales de catálisis (1)Mecanismos generales de catálisis (1)

➢Estabilización del estado de transición•Desolvatación del sustrato (sustituye por unión ES)•Distorsión del sustrato (“tensión” similar a TS) •Alineamiento de grupos catalíticos•Reducción de entropía de reactivos Estado de

transición

Energía de unión: ΔH: Múltiples enlaces débiles E-S ΔS: Alineamiento adecuado

La energía de unión ΔGB reduce

la energía de activación ΔG‡

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Catálisis: unión al estado de transiciónCatálisis: unión al estado de transición

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Efectos entrópicos: alienamiento de gruposEfectos entrópicos: alienamiento de grupos

ΔG=ΔH – TΔS

Reducción de ΔSrequiere

inversión en ΔH

ΔH:Red de enlaces débiles E-S

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Mecanismos generales de catálisis (2)Mecanismos generales de catálisis (2)➢Catálisis ácido-base general

•Aporte/secuestro de H+ o pares e-

• Ionización de grupos•Ataques nucleofílicos a >C=O

➢Catálisis redox•Cofactores redox: grupos oxidantes/reductores

Sustrato(péptido)

Estado de transición

➢Catálisis covalente• Intermediario unido al enzima•Ruta alternativa

➢Catálisis por iones metálicos•Reactividad especial de orbitales d

A—B + X: A—X + B:A—B A + BH

2O

A—X A + X:H

2O

lento

rápido

rápido

Enlaces de coordinaciónActividad redox

X: grupo del enzima

Mg:complejo de coordinación octaédrico (6 O)

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Unión ES: especificidad y estereoselectividadUnión ES: especificidad y estereoselectividad

➢Ajuste inducido•Complementario al unirse (Koshland)•Energía de unión : cambio conformacional

➢Complementariedad enzima-sustrato• Llave en cerradura (Fischer)•Estereoselectividad: unión a 3 sitios

lisozima Hexasacárido substrato

Encaje inducido en la hexoquinasa

Inactivaaa catalíticos descolocados

Activaaa catalíticos en posición

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Mecanismos catalíticos: Anhidrasa carbónicaMecanismos catalíticos: Anhidrasa carbónica

CO2 + HO— HCO

32—

pKa(H2O) = 14

A pH 7 [HO—]= 10-7 M[HO—]/[H2O] = 10-7/55.5 ≈ 2·10-9

pKa = 7

Estabilización por par iónico

Dramático aumentode acidez de H2O

B:

BH+

Transfiere H+

a superficie de proteína(y al medio)

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Mecanismos catalíticos: serín­proteasasMecanismos catalíticos: serín­proteasas

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Mecanismos catalíticos: serín­proteasasMecanismos catalíticos: serín­proteasas

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Coenzimas de nicotinamidaCoenzimas de nicotinamida

Nic

otin

amid

a ad

enin

a din

ucle

ótid

o, N

AD

+

AM

P

adenina

2'P en NADP

Nicotinamidaoxidada

Nicotinamidareducida

Pliege de Rossmannen la ADH de hígado

NAD+ NADH

H+

Lactato + NAD+ Piruvato + NADH + H+

• Coenzimas difusibles• Unión transitoria al enzima• Co-sustratos

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Vitaminas B3Vitaminas B3

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Coenzimas de flavinaCoenzimas de flavina

Riboflavina vit. B2

• Coenzimas no difusibles• Unión firme al enzima• Grupo prostético (covalente)

Ac. Succínico

Ac. Fumárico

FAD

FADH2

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Actividad enzimática: Dependencia de T y pHActividad enzimática: Dependencia de T y pH➢Dependencia de T

•Energía cinética molecular•Q10

•Estabilidad de la proteína

➢Dependencia del pH•Titulación de grupos ionizables esenciales(Henderson-Hasselbalch)

•pKa aa catalíticos•Estabilidad de la proteína

20 40 60 80 100 T, ºC

Ecuación de Arrhenius

Q10 =V T10

V T

Curva bifásica asimétrica

Desnaturalizacióntérmica

Curva acampanadasimétrica

Grupodesprotonadocatalítico

Grupoprotonadocatalítico

k = A⋅eE a

RT

2011 Enrique Castro 22

Enzimas: mecanismo, cinética y regulaciónEnzimas: mecanismo, cinética y regulación

➢ Concepto y clasificación Propiedades y características Clasificación de enzimas Velocidad y orden de reacción

➢ Mecanismo de acción de las enzimas Energía de activación y velocidad de reacción Sitio activo y energía de unión Mecanismos de catálisis Coenzimas y cofactores

➢ Cinética enzimática Modelo de Michaelis-Menten Cinética mutisustrato Mecanismos de inhibición

➢ Regulación de la actividad enzimática Mecanismos generales de regulación Regulación alostérica y cooperatividad Regulación de rutas metabólicas

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2011 Enrique Castro 23

Cinética enzimática: curva hiperbólica y saturaciónCinética enzimática: curva hiperbólica y saturación

Saturación implica unión enzima-sustrato

v ≠ k⋅[A]n

v =k⋅[S ]k '[S ]

Curva de velocidadno canónica

Saturación: Vmaxv no aumenta al [S]

E + S E·S P + E

Etapa rápidacuasi-equilibrio

Etapa lentalimitante, acúmulo ES

2011 Enrique Castro 24

Cinética de Michaelis­MentenCinética de Michaelis­Menten

[S] << KM

Orden 1

[S] >> KM

Orden 0

E + S ES P + Ek1 k2

k-1 1ª simplificación: v0

A t=0, [P]=0 y k-2 no afectad [P ]dt

= v0 = k 2⋅[ES ]

2ª simplificación: Estado estacionario[ES] no varía (k

1>>k

2) Permite calcular [ES]

d [ES ]dt

=k 1 [E ]T−[ES ][S ] − k−1⋅[ES ] − k 2⋅[ES ]=0

[ES ]=k 1[E ]T [S ]

k 1 [S ]k 2k−1; [ES ]=

[E ]T [S ]

[S ]k 2k−1

k 1v0=k 2⋅[ES ]=

k 2[ E ]T [S ]

[S ]k 2k−1

k 1

v0=V max⋅[S ]

K M[S ]

K M=k 2k−1

k 1V max=k 2⋅[E ]T

Ecuación de Michaelis-Menten

KM: [S] a la que V=½Vmax

VMax

: V cuando [S]∞

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2011 Enrique Castro 25

Parámetros cinéticos: KM, Vmax y kcatParámetros cinéticos: KM, Vmax y kcat

➢Constante de Michaelis, KM

•Afinidad E-S•Kd de ES

➢Velocidad máxima, Vmax

• Saturación.•Actividad enzimática: [E]

T

➢Constante catalítica, kcat

• k de paso limitante P•1er orden: Nº de recambio

V max=k 2⋅[E ]T

KM=k 2k−1

k1≃k−1

k1=K dSi k2<< k-1

Alta KM, baja afinidad

Baja KM, alta afinidad

Vmax

mide actividad

enzimática, [E]T

Kcat

: nº de molécula S

convertidas por segundo

k cat=V max

[E ]T

unidades• Usuales: μmol/min = UI• SI: catal = mol/s

2011 Enrique Castro 26

Límite de velocidad: Eficiencia catalíticaLímite de velocidad: Eficiencia catalítica

E + S ES P + Ek

1 k2

k-1

v0=k cat⋅[E ]T [S ]K M[S ]

v0=k cat

KM

⋅[E ]T [S ]Si [S] << KM

Velocidad máxima bimolecular:Límite de difusión (nº choques)

vdifusion

=108-109 M-1·s-1.

Constante bimolecularde 2º orden

k cat

K M

vdiffusion

kcat elevada• KM no puede ser bajo• Afinidad ES limitada

KM alta• Baja afinidad, disociación rápida• kcat

rápida

kcat baja• KM debe ser bajo• Alta afinidad ES

KM baja• alta afinidad, disociación lenta• kcat

lenta

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Gráfico de Lineweaver­BurkeGráfico de Lineweaver­Burke

v0=V max⋅[S ]

KM[S ];

1v 0=

K M[S ]

V max⋅[S ]

1v 0=

K M

V max⋅[S ]

[S ]V max⋅[S ]

1v0=

KM

V max

⋅1[S ]

1

V max

Y=K M

V max

⋅X1

V max

1/[S], mM-1

1/Vmax

1/v

0,

(μm

ol/m

in)-1

-1/KM

p=KM/V

max

2011 Enrique Castro 28

Gráfico de Eadie­HofsteeGráfico de Eadie­Hofstee

v0=V max⋅[S ]

KM[S ]

v0⋅KMv0⋅[S ]=V max⋅[S ]

v0⋅KM

[S ]v 0=V max

v0=−KM⋅v0[S ]

V max

v0=−KM⋅v0[S ]

V max

Y=−K M⋅X V max

v0/[S],

(μmol/min)/mM

Vmax

v 0,

(μm

ol/m

in)

Vmax/KM

p= -KM

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2011 Enrique Castro 29

Mecanismo de reacciones bisustratoMecanismo de reacciones bisustrato➢Mecanismo secuencial ordenado

➢Mecanismo secuencial al azar•

➢Mecanismo ping-pong•

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Cinética de reacciones bisustratoCinética de reacciones bisustrato➢Reacciones secuenciales

•Ordenadas / al azar•Complejo ternario EAB

➢Reacciones ping-pong•Ordenadas • Sin complejo ternario EAB• Intermediario enzima modificada

1/[A]

1/v

0

1/[A]

1/v

0

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2011 Enrique Castro 31

Mecanismos de inhibiciónMecanismos de inhibición➢ Inhibición reversible

•Competitivos•Acompetitivos•No-competitivos: puros/mixtos

Eliminación del inhibidorrestaura actividad enzimática

➢ Inhibición irreversible•Agentes desnaturalizantes•Reactivos de centro activo• Inhibidores suicidas

Inactivación enzimática permanenteRecuperación requiere biosíntesis

Fármacos inhibidores irreversibles• Penicilina / transpeptidasa bacteriana• Aspirina / COX• Disulfiram / AlDH (alcohol)

Venenos inhibidores irreversibles• Inhibidores AchE (organofosforados)• Amanitina / RNApol Inhibidores suicidas

• Alopurinol / Xantina oxidasa• 5-Fluorouracilo / Timidilato sintasa• Deprenil / MAO

H2O +O

2

H2O2

Efectos cinéticos• V

max (k

cat o [E]

T)

• KM

K I=[E ]⋅[ I ][EI ]

=1[ I ]K I

Análogos del estado de transición• Muy baja K

M (K

I)

• Competitivos

E+I EIK

I

Inhibidor en equilbrio con E

KI: constante de

disociación de EI

2011 Enrique Castro 32

Inhibición irreversible: bloqueo aa activoInhibición irreversible: bloqueo aa activo➢Cisteín-enzimas

•Agentes S-alquilantes (iodoacetato, pCl-Hg-benzoato)

➢Serín-enzimas•Organofosfatos

Reactivación por pralidoxima

I2 antiséptico

Intoxicación por pesticidas

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2011 Enrique Castro 33

Inhibición irreversible dirigidaInhibición irreversible dirigida

2011 Enrique Castro 34

Inhibición competitivaInhibición competitiva

1/[S], mM-1

1/Vmax

constante

1/v

0,

(μm

ol/m

in)-1

-1/KM

p=KM/V

max

I=0

+I

v0/[S],

(μmol/min)/mM

Vmax

constante

v 0, (

μmol

/min

)

Vmax/KM

p= -KM

I=0

+I

I se une a E: EIExcluye unión S

E+S ES P+E+I

EI

KI

v0=V max⋅[S ]

⋅K M[S ]

1v 0=⋅K M

V max

⋅1[S ]

1

V maxv0=−⋅KM⋅

v 0[S ]

V max

KMap

Vmaxap =

KMap=K M⋅1

[ I ]K I

V maxap

=V max

K I=[E ]⋅[ I ][EI ]

=1[ I ]K I

Fármacos inhibidores competitivos• Metotrexato / DHF reductasa• Ibuprofeno / COX• Sildenafilo / PDE V• Estatinas /β-HMGCoA reductasa

Inhibición superable por aumento de S

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Inhibidores enzimáticos análogos de sustratoInhibidores enzimáticos análogos de sustrato

Análogo del sustrato de la DHF reductasa humana

Análogo del sustrato de la DHPS bacteriana

2011 Enrique Castro 36

Inhibición acompetitivaInhibición acompetitiva

1/[S], mM-1

/Vmax

1/v

0,

(μm

ol/m

in)-1

-/KM

p=KM/Vmax

I=0

+I

v0/[S],

(μmol/min)/mM

Vmax

/

v 0, (

μmol

/min

)

Vmax

/KM

p= -KM/

I=0+I

I se une sólo a ES: ESI

E+S ES P+E+I

ESI

KI v0=

V max

⋅[S ]

K M

[S ]

1v 0=

KM

V max

⋅1[S ]

V maxv0=−

K M

⋅v0[S ]

V max

K I=[E ]⋅[ I ]EI

=1[ I ]K I

K Map=

K M

1[ I ]K I

V maxap =

V max

1[ I ]K I

KMap

Vmaxap

Fármacos inhibidores acompetitivos• Camptotecina / Topo I; etopósido / Topo II• Análogos 2º sustrato secuencial/ping-pong

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2011 Enrique Castro 37

Inhibición no competitiva puraInhibición no competitiva pura

1/[S], mM-1

/Vmax

1/v

0,

(μm

ol/m

in)-1

-1/KM constante

p=KM/V

max

I=0

+I

v0/[S],

(μmol/min)/mM

Vmax

/

v 0,

(μm

ol/m

in)

Vmax/KM

p= -KM

constante

I=0

+I

I se une a E y ESE+S ES P+E+I

EI

KI

+I

ESI

KI

+S

v0=

V max

⋅[S ]

K M[S ]

1v 0=⋅K M

V max

⋅1[S ]

V maxv0=−K M⋅

v0[S ]

V max

K Map=K M

V maxap =

V max

1[ I ]K I

KMap =

Vmaxap

K I=[E ]⋅[ I ][EI ]

=1[ I ]K I

Fármacos inhibidores no-competitivos• Digoxina / Na+/K+-ATPasa•Tacrina / AchE• Análogos alostéricos

Inhibición insuperable por aumento de S

2011 Enrique Castro 38

Inhibición no competitiva mixtaInhibición no competitiva mixta

1/[S], mM-1

'/Vmax 1

/v0,

(μm

ol/m

in)-1

- '/KM

p=KM/V

max

I=0

+I

I se une a E y ESE+S ES P+E+I

EI

KI

+I

ESI

K'I

+S P+E

k2

k'2

v0=

V max

'⋅[S ]

K M

'[S ]1

v 0=⋅K M

V max

⋅1[S ]

'V max

K I=[E ]⋅[ I ][EI ]

=1[ I ]K I

KMap=K M⋅

1[ I ]K I

1[ I ]K ' I

V maxap

=V max

1[ I ]K ' I

K ' I=[ES ]⋅[ I ][ESI ]

'=1[ I ]K ' I

KMap

Vmaxap

Inhibición insuperable por aumento de S

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2011 Enrique Castro 39

Enzimas: mecanismo, cinética y regulaciónEnzimas: mecanismo, cinética y regulación

➢ Concepto y clasificación Propiedades y características Clasificación de enzimas Velocidad y orden de reacción

➢ Mecanismo de acción de las enzimas Energía de activación y velocidad de reacción Sitio activo y energía de unión Mecanismos de catálisis Coenzimas y cofactores

➢ Cinética enzimática Modelo de Michaelis-Menten Cinética mutisustrato Mecanismos de inhibición

➢ Regulación de la actividad enzimática Mecanismos generales de regulación Regulación alostérica y cooperatividad Regulación de rutas metabólicas

2011 Enrique Castro 40

Mecanismos genéricos de regulación enzimáticaMecanismos genéricos de regulación enzimática➢Regulación alostérica

•Modulador se une a otro sitio• Regula KM o kcat

➢Regulación de la Expresión• Inducción/represión •Ubiquitinación: degradación • Expresión diferencial de isoenzimas

[Proteína] aagenbiosíntesis degradación

Expresión es unestado estacionario

➢Regulación covalente•Mod. Reversible • Proteolisis (irreversible)

Efectos homotrópicos• Sustrato actuando en otro sitio• Usualmente ⊕

Efectos heterotrópicos• Efector <> Sustrato• Tanto ⊕⊖

Activador heterotrópico:aumenta unión de sustrato

Inhibidor heterotrópico:dificulta unión de sustratoZimógenos pancreáticos

CoagulaciónCaspasas apoptóticas

QuinasasSeñalización

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Regulación alostérica: cooperatividadRegulación alostérica: cooperatividad

2011 Enrique Castro 42

Cooperatividad cinéticaCooperatividad cinética

Cinética no michaeliana(sigmoidal)

Análisis de cooperatividad:representación de Hill

½Vmax

Vmax

K0.5

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Cinética cooperativaCinética cooperativa➢ K enzimas

• Efector modula KM

➢ V enzimas• Efector modula V

max

Cinética sigmoidal:activación/inactivación

como interruptor(switch-like)

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Modelos de cooperatividadModelos de cooperatividad

Equilibrio R-TL = T/R Stryer p. 282 fig. 10,15

➢Modelo concertado•Dos estados conformacionales• Efector cambia equilibrio T-R• Inhibidor T, activador R

➢Modelo secuencial• Subunidades cambian separadamente•Múltiples formas en equilibrio

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Reg. por modificación covalente reversibleReg. por modificación covalente reversible➢Uso regulador

•Reversible•Modula actividad

➢Uso no regulador•Activación constitutiva•Anclaje

AcilaciónFarnesilación-carboxilaciónsulfatación

Funciones específicasno reguladoras

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Fosforilación como mecanismo reguladorFosforilación como mecanismo reguladorFosforilación como mecanismo reguladorFosforilación como mecanismo regulador

Formadesfosforilada

Formafosforilada

Proteína quinasa

Proteína fosfatasaterminación de la señal

• Actividad enzimática• Capacidad de unión

•Reclutamiento•Translocación

➢Enzimas modificadoras de proteínas•Quinasas / fosfatasas•Actividad / unión

➢Dianas fosforilables•Múltiples sitios de fosforilación•Cambio estado conformacional•Actividad / unión

➢Organización en cascada•Activación secuencial•Amplificación

Fosforilación ≠ activación

A

A*

⊕B

B*

⊕C

C*

⊕10

100

1000

x10señalamplificación

MKKK

MKK

MAPK

ΔG≈-25 kJ/molΔratio P/D x104

Pi:• 2 cargas, 3 pdh, tetraédrico (capacidad enlazante, reorganización)• Reacción rápida• ATP ubicuo

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2011 Enrique Castro 47

Secuencias diana de fosforilaciónSecuencias diana de fosforilación

Cada quinasa fosforila -OH en secuencias específicas

Cada proteína puede contener múltiples dianas

para varias quinasas

• S/T: quinasas efectoras• Y: transducción• H: quinasas efectoras

➢ Múltiples efectos•P constitutiva• Localización secuestro•Activación/inactivación •Magnitud variable

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PKA: ejemplo de enzima reguladoraPKA: ejemplo de enzima reguladora PKA• Heterotetrámero R

2C

2

• 4 sitios cAMP, cooperativos• S/T-quinasa• Diana RRpS/T

[cAMP]i

100%-

50%-

Act

ivid

ad q

uin

asa

≈10 µM

Activación cooperativa

sigmoidal

Umbral de activación -RRpS/T-

OH

proteína

-RRpS/T-

O-

proteína

PiATP ADPFosforilación de proteínas diana

(secuencia específica)

Subunidades CFosforilan dianas

Subunidades Rligan 4 cAMP (cooperativo)

Subunidades RInhiben a sub. C

AKAP localiza R

Centro catalítico libre, activo

Secuencia —RRGAI—pseudosustrato

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Reg. por proteolisis: zimógenos pancreáticosReg. por proteolisis: zimógenos pancreáticos

Zimógenos inactivos(Gránulos de almacenamiento)

Activación proteolítica(extracelular)

Proteolisis re-posiciona el centro activo

Activación por proteolisis

en cascadaFeedback ⊕explosivo

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Activación por proteolisis: coagulaciónActivación por proteolisis: coagulación

FibrinopéptidosA y B

Polimerización fibrina• Unión - GHR• Unión - GPR

Monómero de fibrina

Fibrinógeno

GHR

GPR

Dom.

Dom.

Proteolisis por trombinaActivación

por proteolisis en cascada

Proteasainactiva

Proteasaactiva

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Isoenzimas como mecanismo reguladorIsoenzimas como mecanismo regulador

➢Isoenzimas• Igual reacción•Diferente cinética•Diferente localización•Diferente expresión

Ajuste fino del metabolismoen cada tejido o compartimento

LDH H4• KM

Lac baja (alta afinidad)

• Inhibición alostérica Pyr

LDH M4• KM

Lac alta (baja afinidad)

• No efecto alostérico Pyr

Lac Pyr

NAD+ NADH

Pyr Lac

NADH NAD+

Adaptadoproducción aerobia Pyr

Adaptadoproducción anaerobia Lac

Recambio de isoenzimas LDHen corazón

(adaptación a aerobio)

Hexoquinasas I-III• KM

Gluc baja (0.1 mM, alta afinidad)

• Inhibición por producto

Hexoquinas IV (glucoquinasa)• KM

Gluc alta (10 mM, alta afinidad)

• SIN inhibición por producto

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Regulación de rutas metabólicasRegulación de rutas metabólicas

➢Enzimas reguladas/reguladoras•Reacciones más lentas (paso limitante)• Inicio/ramificación/fin de rutas (etapa de compromiso)

➢Retroalimentación (feedback)•Usualmente negativo •Precursores ⊕ / Productos finales ⊖

Pasolimitante

g

g' Etapa de

compromiso

retroalimentación

retroalimentación

➢Compartimentación• Separar tras membranas •Regulación independiente en zonas•Transporte regulado

•Regular actividad•Regular expresión

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Enzimas como marcadoresEnzimas como marcadores

CPK3

CPK2

➢Ensayos enzimáticos•Medida V

max (conocer K

M)

• Identificació de isoenzimas (selectividad tisular)