enzimas por hernán valle. 2 enzimas definición: catalizadores biológicos; largas cadenas de...

ENZIMASpor hernán valle

2

ENZIMAS

Definición:Catalizadores biológicos;Largas cadenas de pequeñas moléculas llamadas

aminoácidos.

Función:Aumentar la velocidad de una reacción química.

Con excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA con propiedades catalíticas llamadas RIBOZIMAS, todas las enzimas son PROTEÍNAS.

Aminoácidos:

H

R C* COOH

NH2

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CARACTERÍSTICAS GENERALES

Comparación de enzimas con catalizadores químicos.

Característica Enzimas Cataliz. Químicos

Especificidad de sustrato alta baja

Naturaleza de su estructura compleja simple

Sensibilidad a T y pH alta baja

Condiciones de reacción (T, P e pH) suaves drásticas

Natureza del proceso finito contínuo

Consumo de energia Bajo alto

Formación de subproductos Bajo alta

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Característica Enzimas Cataliz. Químicos

Separación catalizador/ productos difícil Simple

Activ. Catalítica (temp. ambiente) alta baja

Presencia de cofactores si No

Estabilidad estructural Baja alta

Energia de Activación Baja alta

Velocidad de reacción alta baja

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Comparación de enzimas con catalizadores químicos.

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CARACTERÍSTICAS GENERALES

H2O2 H2O O2+Catalasa

E E ++ SS EE ++ PP

Presentan alto grado de especificidad.Son altamente eficientes, acelerando la velocidad de

las reacciones (108 a 1011 + rápida).

Reducen la energia de activación.

No son consumidas en la reacción:

6

Aceleran reacciones químicas

Ej: Decomposición de H2O2

H2O2 H2O O2+Catalasa

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Condiciones de Reacción

Energia de ActivaciónKJ/mol

VelocidadRelativa

Sin catalizador 75,2 1

Platino 48,9 2,77 x 104

Enzima Catalasa 23,0 6,51 x 108

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Actúan en pequeñas concentraciones

1 molécula de CatalasaDescompone 5 millones de moléculas de H2O2

en 1 min; a pH = 6,8

Número de renovación = n° de moléculas de sustrato convertidas en producto por una sola molécula de enzima en una unidad dada de tiempo.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

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Diferencia entrela energia libre

de S y P

Avance de reacción

Energia de activación con enzima

En

erg

ia

Energia de activación sin enzima

SSPP

CARACTERÍSTICAS GENERALES

No alteran el Estado de Equilíbrio: La Keq no cambia.

No se presenta un efecto termodinámico global: El G no cambia.

Disminuyen la Energia de Activación.

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RNARNA

Estrutura Estrutura EnzimáticaEnzimática

RibozimasRibozimas

Si es covalente

Apoenzima oApoproteína

Grupo Prostético

Holoenzima

Cofactor

Coenzima

Proteína

Puede ser:• íon inorgánico• molécula orgánica

CARACTERÍSTICAS GENERALES

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NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN

S.S XIX (Século) → pocas enzimas identificadas.

Adición de sufijo ”ASA” al nombre del sustrato. Ej:

Nombres arbitrarios:Tripsina y pepsina:PROTEASAS.

Grasas (lipo - griego) – LIPASAAlmidón (amylon - griego) – AMILASA

1955 - Comisión de Enzimas (EC) de la Unión Internacional de Bioquímica (IUB) numerar y clasificar.

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NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN

Cada enzima código con 4 dígitos que caracteriza el tipo de reacción catalizada:

Clasificación según la comisión de Enzimas

1er dígito: CLASE

Tipo de rxn general→ son 6.

2° dígito: SUBCLASE

Tipo de rxn específica.

3° dígito: SUB-SUBCLASE

Grupo funcional del sustrato implicado en la reacción.

4° dígito: SERIE

Tipo de sustrato y código de registro.

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1. Oxido-redutasas (reacciones de transferencia de electrones: REDOX)

1.1. actuando en CH-OH 1.2. actuando en C=O 1.3. actuando en C=O-

2. Transferasas (transfieren grupos funcionales entre moléculas)

2.1. grupos con un carbono 2.2. grupos aldeído o cetona 2.3. grupos acil

3. Hidrolasas (reacciones de hidrólisis)

3.1. ésteres 3.2. enlaces glicosídicos 3.4. enlaceses peptídicos

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN

1er dígito: Clase → Tipo de rxn general.

1.4. actuando en CH-NH2

1.5. actuando en CH-NH- 1.6. actuando en NADH, NADPH

2.4. grupos glicosil2.7. grupos fosfatos 2.8. grupos conteniendo azufre

3.5.otros enlaces C-N3.6.anidridos ácidos

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4. Liasas (catalizan la ruptura de enlaces covalentes y la remoción de moléculas de agua, amoniaco y gas carbónico)

4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N-

5. Isomerasas (transferencia de grupos en una misma molécula para formar isómeros)

5.1. Racemasas

6. Ligasas (catalizan reacciones de formación de nuevas moléculas a partir de la unión entre dos pre-existentes, consumiendo energia)

6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN

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NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN

2° dígito: Subclase → Tipo de rxn específica.

Ejemplos de Subclases

Tipo de reacción catalizada Clase

Hidratasas Adicionan H2O a insaturaciones Liasas

Quinasas Transfieren -PO3-2 del ATP Transferasas

Mutasas Cambian posición -PO3-2 Isomerasas

Sintasas Síntesis sin ATP Transferasas

Sintetasas Síntesis dependiente de ATP Ligasas

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ADP + D-Glucosa-6-fosfatoATP + D-Glucosa

Nombre IUB: ATP-glucosa fosfotransferasaATP-glucosa fosfotransferasa (2.7.1.1)(2.7.1.1)

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓNEjemplo de Clasificación:

Clasificación según la comisión de Enzimas

1er dígito: 2 CLASE

Tipo de rxn general: Transferasa

2° dígito: 7 SUBCLASE

Tipo de rxn específica: Fosfotransferasa

3° dígito: 1SUB-SUBCLASE

Grupo funcional del sustrato: Hidroxilo

4° dígito: 1 SERIE

Tipo de sustrato: D-glucosa

Nombre común:Nombre común: HexoquinasaHexoquinasa

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MECANISMO DE ACCIÓN

EE ++ SS EE SS P P + + EE

Sustrato se liga al SÍTIO ACTIVOde la enzima

• MECANISMO GENERALMECANISMO GENERAL

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MECANISMO DE ACCIÓN

SITIO ACTIVO: Región de la enzima en la que se da iila transformación del sustrato en producto.

Puede poseer componentes no protéicos:cofactores.Posee aminoácidos auxiliares o de contacto.

COFACTOR

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EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL

Emil Fischer (1894): Propuso la hipótesis La cerradura y la llave, que considera que la enzima posee un sitio activo que facilita la unión del sustrato (Modelo Rígido).

• FIJACIÓN DE FIJACIÓN DE SS A A EE

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Koshland (1958): hipótesis: Ajuste Inducido,, La enzima no acepta simplemente al sustrato, sino que también exige que el sustrato se distorcione a algo cercano al estado de transición (Modelo Flexible).

EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL

• FIJACIÓN DE FIJACIÓN DE SS A A EE

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EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL

• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis covalente

Modificaciones covalentes transitorias originadas por un fuerte nucleófilo.

Catalisis Acido-base

Grupos R del sitio activo participan como donadores o aceptores de protones (ácidos y bases).

Catalisis metálica

Catalizadores electrofílicos que actúan mediante estabilización de cargas.

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Catalisis covalente

OP

O

OO

P

O

OO

H2C

OH OH

OO

P

O

OO

N

N N

N

H2N

NH2

H2C

OH OH

OO

P

NH

O

O

N

N N

N

H2N

LysLys

P

O

OO

P

O

O O

+ATP

Ligase ﾐ Adenylate

• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

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• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis ácido-base

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RNase A:

His 12 Base General Abstrae protón del 2’ hidroxilo.

His 119 Ácido general Dona protón al hidroxilo 5´.

• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis ácido-base

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• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis acido-base

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• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis ácido-base

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• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

Catalisis ácido-base

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Catalisis Metálica

• TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE SS POR POR EE

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Cinética ENZIMÁTICA

Definición:CINÉTICA: Estudia las velocidades de reacción y

los p/pios que permiten comprender cómo suceden las reacciones.

¿Cuántos pasos se necesitan?¿Qué p/pios químicos operan en cada paso?¿Cuál es el paso más lento y, por tanto el que

limita la velocidad de la reacción total?.

Ayuda a elucidar los mecanismos de reacción.

Y a determinar la función de una determinada enzima en una ruta metabólica.

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CINÉTICA ENZIMÁTICA

Victor Henri (1903): E E ++ S S ES ES

1913 1913 Leonor Michaelis -EnzimólogoLeonor Michaelis -EnzimólogoMaud Menten - PediatraMaud Menten - Pediatra

E + SK1

K-1

ESK2

E + P

Etapa rápida Etapa lenta

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Mecanismo general y ecuación de m-m

La ecuación mínima para la reacción más simple catalizada por una enzima es:

La velocidad de formación de productos depende de [ES] y de k2:

La [ES] no se puede medir, pero si la [S] y la concentración total de Enzima:

Entonces: [E] = [Et] – [ES] (Ec. 1)

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Además, la velocidad de descomposición y formación de [ES] son iguales (se supone “Estado Estacionario”):

Luego:

Reordenando:

1/KM

Puesto que:

Mecanismo general y ecuación de m-m

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Reescribiendo: ; Reemplazando por [E] = [Et] – [ES]

Tenemos:

Factorizamos [ES], así:

Reordenando: ; Reemplazando [ES] en:

Obtenemos: ;cuando la [S]>>KM : (saturación de la enzima = velocidad máxima de la enzima) entonces:

Ecuación de Michaelis - Menten

Mecanismo general y ecuación de m-m

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KM: Es la cantidad de sustrato necesario para alcanzar la ½ de la velocidad máxima.

Cuando KM → 0, es mejor la afinidad de la enzima por el sustrato.

0

;V = Vmax

Vmáx: Indica que todas las moléculas de la enzima están ocupadas con el sustrato y están realizando el paso catalítico.

Significado de km y Vmax

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v =Vmax [S]

Km + [S]Km + [S]

[S]

v

Vmax

2

v = Vmax

v = Vmax [S]Km

Km

11

22

33

1- [S] Km>>[S]

2- [S] [S]>>Km

3- v = Vmax

2

Gráfico de MIchaelis-menten (M-m)

35

MÉTODOS GRÁFICOS para calcular km

maxV

1

[S]maxVmK

v

1

Gráfico de doble inverso de Lineweaver-Burk

1[S]

1 v

-1Km

11VVmaxmax

Km

VmaxInclinación =

Después de reordenar la ecuación de M-M en la forma de una ecuación de línea recta (y=mx+b),obtenemos:

Pendiente

Intercepto con el eje 1/v (y)

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Gráfico de Eadie-Hofstee

[S]

vm

Kmax

Vv

Vmax

Km

v -KmInclinación =

v[S]

Vmax

MÉTODOS GRÁFICOS para calcular km

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Cinética de la inhibición ENZIMÁTICA

Cualquier sustancia que reduzca la velocidad de una reacción enzimática.

REVERSIBLES IRREVERSIBLES

COMPETITIVOS NO COMPETITIVOS ACOMPETITIVOS

INHIBIDORESUnidos por interacciones no-covalentes

Unidos por interacciones covalentes

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Inhibición COMPETITIVA

[sustrato] necesaria para obtener la misma [ES]

afinidad de la enzima por el sustrato

I compuestos con estrutura molecular similar al S

Km aparente (K’M) de la enzima. K’M>KM

Inhibidor competitivo compite con el S por el sitio activo de la E libre.

I análogo no metabolizable, derivado de un S verdadero, S sustituto de la E o un P de la reacción.

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Inhibición COMPETITIVA

][

1)][

1(11

][)][

1(

][

][

]][[

maxmax

max

SK

I

V

K

Vv

SKI

K

SVv

EI

IEK

I

m

Im

I

Lineweaver-Burk

K’M

Michaelis-Menten

EE + + SS EESS EE + + PP

EEII

I I

+

+

K1

KI

K2

40

Inhibición COMPETITIVA

V’máx= Vmáx K’M>KM

1- sin inhibidor

2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentración [I2] > [I1]

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Ejemplos:Intoxicación por metanol → antídoto: Etanol. Así:

3

Metanol Formaldehído Produce ceguera

La enzima Alcohol deshidrogenasa, cataliza la rxn:

No produce ceguera

Un exceso de Etanol (sustrato) desplaza al Metanol, evitando la ceguera:

Inhibición COMPETITIVA

42

Ejemplos: Inhibición por medicamentos antihipertensores:

Inhibición COMPETITIVA

43

Se une a un sitio específico alterando la forma del sitio activo y por tanto disminuye la unión del sustrato.

Inhibición no-COMPETITIVA

I no tiene semejanza estructural con el S

[substrato] no diminuye la

inhibición

Km de la enzima NO se altera

Vmax con la presencia del inhibidor

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Lineweaver-Burk

)][

1(1

][

1)][

1(1

maxmax II

m

K

I

VSK

I

V

K

v

Michaelis-Menten

)][

1]([)][

1

][max

IIm

KI

SKI

K

SVv

][]][[

][]][[

I EISIES

EIIE

K

Inhibición no-COMPETITIVA

EE + + SS EESS EE + + PP

EEII + + SS EEIISS

++II

++II

KS

KI

K2

KIKS

45

1- sin inhibidor

2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentración [I2] > [I1]

Inhibición no-COMPETITIVA

V’máx< Vmáx K’M=KM

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Se une a ES formando un complejo ternario no productivo ESI.

Inhibición aCOMPETITIVA

I no tiene semejanza estructural con el S

Si se aumenta la [S], habría más [ES] disponible para unirse a I.

Entonces, se refuerza el efectoInhibidor de I.

Km y Vmax de la enzima

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EE + + SS EESS EE + + PP

EEIISS

++II

KSK2

KI

)][

1(1

][

11

][][

1

][][

1

][

]][[

maxmax

max

I

m

I

m

i

I

K

I

VSV

K

v

S

KI

K

S

KI

V

v

EIS

IESK

Lineweaver-Burk

Michaelis-Menten

Inhibición aCOMPETITIVA

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1- sin inhibidor.

2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentració [I2] > [I1]

Inhibición aCOMPETITIVA

V’máx< Vmáx K’M<KM

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Mecanismos de regulación enzimática

MECANISMOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA

MODIFICACIÓN COVALENTE

FOSFORILACIÓN ADENILILACIÓNREDOX

REVERSIBLE IRREVERSIBLE ZIMÓGENOS

ALOSTERISMO

La capacidad de adaptación de los organismos ante EIinfluencias externas e internas: BIORREGULACIÓN.

Esto se logra por la interconversión de las formas activas E e inactivas de las proteínas (enzimas).

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• MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLEMODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE

FOSFORILACIÓNFOSFORILACIÓN

Por lo general la fosforilación activa la enzima.

E E

Cinasas: Transfieren un -PO3-2 del ATP a Ser, Tre y Tir (-OH).

Fosfatasas: Eliminan el fosfato por hidrólisis del R fosforilado.

El cambio de –OH por –OPO3-2, ↑ la polaridad ⇒cambia la conformación ⇒ influye en la actividad de la Enzima.

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OXIDO-REDUCCIÓNOXIDO-REDUCCIÓN Formación o eliminación de enlaces disulfuros –S-S- entre los grupos R de las cisteínas.

Esto causa un cambio de conformación que influye en la actividad de la Enzima.

• MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLEMODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE

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ADENILILACIÓNADENILILACIÓN Transferencia de un grupo adenilato desde un ATP

Esto causa un cambio de conformación que influye en la actividad de la Enzima.

• MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLEMODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE

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• MODIFICACIÓN COVALENTE MODIFICACIÓN COVALENTE iiiIRREVERSIBLE iiiIRREVERSIBLE

ZIMÓGENOS:ZIMÓGENOS:

Sufren modificaciones por Proteasas que los iiiitransforman en su formas activas.

Son proteínas precursoras inactivas (carecen de iiiiSitio Activo).

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ENZIMAS alostéricas

Funcionan a través de la unión no covalente iiireversible de un metabolito regulador llamado iiimodulador.

Moduladores pueden ser inhibidores o activadores.

Son mayores y más complejas, poseen dos o más iiicadenas polipeptídicas.

No siguen la cinética de Michaelis-Menten.

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ENZIMAS alostéricas

Subunidad Catalítica

Subunidad Reguladora

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1- Comportamiento tipo Michaelis-Menten.

2- Comportamiento Alostérico.

ENZIMAS alostéricas

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isoZIMAS

Las distintas formas moleculares de una enzima que iiicatalizan la misma reacción se denominan isoenzimas.

Ejemplo: Lactato deshidrogenasa (7 tipos celulares)