inst jose marti biocatalizadores bcm

TEMA 5: Otras biomoléculas de importancia biológica.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULARUNIDAD NO. 1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y

MOLECULAR. BASES MOLECULARES DE LA VIDA.

Biocatalizadores.

• Introducción al estudio de los

biocatalizadores.

• Teoría del centro activo.

• Enzimas y Cinética enzimática.

ENERGÍA EN LOS SERES VIVOS

NUTRIENTES

CO2 + H2O

OXIDACIÓN

ENERGÍA

Trabajo

químico

Trabajo mecánico

Trabajo osmótico

Trabajo químico

CONDICIONES NECESARIAS PARA QUE SE

PRODUZCA UNA REACCIÓN QUÍMICA

Que los reactivos se pongan encontacto.

Que por su naturaleza química

sean capaces de reaccionar.

Que choquen sus moléculas con la

fuerza suficiente y en la dirección

adecuada.

E1

V

A

L

O

R

E

S

E

N

E

R

G

Í

A

Curso de la reacción

CE3

A+B

DIAGRAMA ENERGÉTICO DE LA REACCIÓN

Complejo activado

Para que los reactivos

alcancen la etapa de

transición y la reacción

se produzca, es

necesario

suministrarles una

cierta cantidad de

energía. A esta energía

se la denomina

ENERGÍA DE

ACTIVACIÓN.

Mientras mayor sea la

energía de activación,

menor será la velocidad

de reacción.

E2

p/reacción

directa

p/reacción

inversa

E3 = E2 - E1

Energía

de

reacción

CATALIZADORES

Son sustancias que tienen en

común la propiedad de aumentar

la velocidad de las reacciones

químicas, sin que su estructura o

concentración se modifique como

resultado de la reacción.

¿CÓMO ACTÚAN LOS CATALIZADORES?

Fijan y concentran sobre su superficie las

sustancias reaccionantes y las orientan en el

espacio.

Interactúan con las sustancias

reaccionantes, creando tensiones en su

interior, que debilitan sus enlaces de modo

que es más fácil romperlos.

CATALIZADORES

Abióticos (Ej: H2SO4, Pt, NAOH).

Bióticos o biocatalizadores (Ej: enzimas).

• Naturaleza proteica.

• Específicas.

• Versátiles.

• Gran eficiencia catalítica.

• Actividad susceptible de

regulación.

ENZIMASProducida por bacterias

para defenderse de

antibióticos betalactámicos

(penicilina, cefalosporina)

COMPARACIÓN ENTRE

CATALIZADORES

ASPECTOS ABIÓTICOS BIÓTICOS

Complejidad Estructural

Menor complejidad estructural

Mayor complejidad estructural

Especificidad Menor especificidad

Mayor especificidad

Eficiencia catalítica

Menor eficiencia catalítica

Mayor eficiencia catalítica

FUNCIÓN Ambos aceleran la velocidad de reacción.

DIAGRAMA ENERGÉTICO DE LA

REACCIÓN NORMAL Y

CATALIZADA

E1

V

A

L

O

R

E

S

E

N

E

R

G

Í

A Curso de la

reacción

CE3

A+B

E2

Reacción no catalizada

Reacción catalizada

Los catalizadores facilitan y aceleran las reacciones químicas, porque disminuyen la cantidad de

energía de activación que se necesita para que estas ocurran.

¿QUÉ SON LAS ENZIMAS?Catalizadores bióticos con naturaleza proteica que presentan

especificidad de reacción tanto para la reacción en sí como

para el reactante (sustrato).

MECANISMO BÁSICO DE ACCIÓN

DE LAS ENZIMAS

E

S

ES

Etapa de

unión

Etapa de

transformaciónP

E

La unión enzima sustrato se logra mediante:

Acoplamiento espacial (las superficies moleculares de ambos tienen

formas complementarias).

Acoplamiento químico (grupos funcionales complementarios del enzima y

el (los) sustrato(s) establecen diferentes tipos de interacciones débiles

entre sí).

CENTRO ACTIVO

Es una concavidad o hendidura en la superficie

de las proteínas enzimáticas donde el sustrato

se une por fuerzas no covalentes de forma

específica a la enzima.

Centro

activo

ESTRUCTURA DEL CENTRO ACTIVO

Bioquímica Médica. Cap. 15: Págs. 267-270 y 272

-

CH3-

+-OH

Función

enlazante

y

catalítica

E S; por tanto sólo entra en

contacto con el sustrato en una

pequeña zona específica de su

estructura.

Las proteínas enzimáticas

presentan 2 regiones o sitios

importantes:

• Ligando (sitio de reconocimiento)

• Catalítico (cataliza la reacción

cuando el sustrato se ha unido).

Estos 2 sitios están adyacentes

uno al otro y en conjunto reciben

el nombre de centro activo.

Son cadenas laterales de a.a. de

naturaleza apolar. Contribuyen a

que éste no permita la entrada del

agua, permitiendo que se

refuercen las interacciones

débiles entre la enzima y el

sustrato.

COMPONENTES DEL CENTRO ACTIVO

EJE PEPTÍDICO

GRUPOS DE AMBIENTACIÓN

GRUPOS DE FIJACIÓN

Formado por la parte monótona

de la estructura polipeptídica; sus

pliegues y repliegues contribuyen

de manera importante a dar la

forma tridiniensional del centro

activo.

Cadenas laterales de a.a. con grupos

funcionales capaces de establecer

interacciones específicas con el

sustrato (ptes de H, uniones salinas

y fuerzas de Van der Waals).

Cadenas laterales de a.a. que

están implicadas de forma

directa en la transformación

del sustrato.

GRUPOS DE CATÁLISIS

UNIÓN ENZIMA-SUSTRATO

En la actualidad se habla de la teoría “mano-guante”.

FACTORES QUE MODIFICAN LA

ESTRUCTURA DEL CENTRO ACTIVO

Modificadores de la distribución eléctrica del centro

activo, como el pH del medio.

Análogos estructurales a los sustratos no

susceptibles de ser transformados ocasionan la

pérdida de la actividad enzimática al “entretener” al

centro activo.

Sustancias capaces de reaccionar específicamente

con grupos del centro activo y modificarlo (en los

casos en que esta sustancia anula la actividad

catalítica de la enzima se denomina “sustrato

suicida”).

Modificaciones drásticas, como por ejemplo la desnaturalización,

conllevan a alteraciones que afectan las uniones enzima-sustrato

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS

Oxidorreductasas.

Transferasas.

Hidrolasas.

Liasas.

Isomerasas.

Ligasas.

Bioquímica Médica. Cap. 15: Págs. 276-281

CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Clase I. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de

oxido-reducción o redox.

La oxidación-reducción se puede producir de 3 formas:

Oxidación Reducción

1- Ganancia de oxígeno 1- Pérdida de oxígeno.

2- Pérdida de hidrógeno 2- Ganancia de hidrógenos

3- Pérdida de electrones 3- Ganancia de electrones

Ej: enzimas deshidrogenasas y

oxidasas como la succínico

deshidrogenasa.

CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Clase II. Transferasas: Catalizan reacciones en las

que se transfieren grupos funcionales de un compuesto

a otro.

Clase III. Hidrolasas: Catalizan reacciones de

hidrólisis, es decir de ruptura de enlaces con la

intervención del agua. A este grupo pertenecen las

enzimas digestivas.

Ej: quinasas: catalizan reacciones

de transferencia de grupos

fosfatos donde intervienen

nucleósidos di o trifosfatados.

Ej: Arginasa

CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Clase IV. Liasas: Catalizan la adición y

separación de grupos químicos funcionales a

dobles enlaces (Ej: fumárico hidratasa)

Clase V. Isomerasas: Catalizan reacciones de

isomerización, que producen reordenaciones

de los átomos dentro de la molécula.

Clase VI. Ligasas o sintetasas:

Catalizan la unión de dos moléculas

para sintetizar una mayor. Obtienen la

energía necesaria para crear el enlace

de la hidrólisis del ATP.

EJEMPLOS DE CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Dinucleótido

nicotidamina

adeninaEtanol

Clase de enzima Ejemplo Reacción catalizada

(participa en una de las

reacciones de la glucólisis)

Acetaldehído

(unir moléculas en

presencia de ATP)

(Gluconeogénesis)

IMPORTANCIA DE LAS ENZIMAS

Enzimas digestivas: metabolizan los alimentos. Proteasa (proteínas), amilasa

(almidones) y lipasa (grasas).

Enzimas metabólicas: presentes en cada célula del cuerpo. Ayudan a limpiar el

organismo de deshechos metabólicos y toxinas, proveen energía, reparan las

células y luchan en contra de la infección.

Enzimas de los alimentos: presentes en comidas crudas (mayor concentración en

brotes, granos y legumbres). Ayudan en la digestión y aumentan el funcionamiento

de enzimas metabólicas y digestivas (en su mayoría destruidas cuando los

alimentos son cocinados).

Estudios científicos en tejidos de personas jóvenes y personas de edad avanzada

muestran que los tejidos y células de la gente joven, tienen 10 veces más enzimas

que los tejidos y células de la gente mayor. Si los niveles de enzimas están

disminuidos, los procesos de reparación celular y de defensa (sistema inmune) no

se llevan a cabo eficientemente y el proceso de envejecimiento celular se acelera.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD

DE LAS REACCIONES ENZIMATICA

Concentración de enzimas.

Concentración de sustrato.

Temperatura.

pH del medio.

Presencia de activadores.

Presencia de inhibidores.

Bioquímica Médica. Cap. 16: Págs. 283-284

Velocidad de reacción:

Cantidad de sustrato que se transforma en

producto en la unidad de tiempo.

Velocidad inicial de la reacción:

Es la velocidad de la reacción cuando aún

no se ha consumido el 10 % del sustrato

inicial.

DEFINICIÓN DE PARÁMETROS

CINÉTICOS

CONCENTRACIÓN DE ENZIMA

Concentración de enzima

V

e

l

o

c

i

d

a

d

I

n

i

c

i

a

l

Evidencia la

relación de

proporcionalidad

directa entre la

velocidad de la

reacción y la

concentración de

la enzima, lo cual

es el fundamento

de toda la cinética

Enzimática.

La actividad catalítica de las enzimas se expresa en unidades de enzima, y ésta es igual

a la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 micromol de sustrato por

minuto, bajo condiciones específicas.

CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO

Concentración de sustrato

V

e

l

o

c

i

d

a

d

I

n

i

c

i

a

l

V máxima

Vmáx/2

Km

A mayor c(S) mayor velocidad de

reacción.

Los incrementos en la velocidad no

son uniformes, sino cada vez

menores; cuando se alcanza un

determinado valor de la c(S), la

velocidad se hace prácticamente

constante (Vmáx).

La concentración de sustrato para la

cual la velocidad de la reacción es

igual a la mitad de Vmáx es la

constante de Michaelis-Menten (Km),

que constituye un índice de afinidad

de la enzima por el sustrato (a mayor

Km menor afinidad).

Saturación de la enzima

por el sustrato

PARÁMETROS CINÉTICOS

• VELOCIDAD MÁXIMA (VMAX):

Es la velocidad de la reacción cuando la enzima está saturada de sustrato.

Refleja la capacidad catalítica total de la enzima.

Se relaciona con la etapa de transformación del mecanismo básico de acción de las enzimas.

• CONSTANTE DE MICHAELIS-MENTEN (KM):

Es la concentración de S a la cual se alcanza la mitad de la Vmáx.

Indicador de la afinidad de la enzima por el sustrato.

Se relaciona con la etapa de unión del mecanismo básico de acción de las enzimas.

PARÁMETROS CINÉTICOS

EFECTO DE LA TEMPERATURA

V

e

l

o

c

i

d

a

d

I

n

i

c

i

a

l

Temperatura

Cap. 16: Pág. 292

El aumento de la temperatura

refleja un aumento de la

energía cinética de las

moléculas, lo cual favorece la

colisión entre las moléculas de

enzima y sustrato.

Mientras mayor sea la

temperatura, mayor es el

número de choques y mayor la

velocidad de la reacción.

A partir de un valor de

temperatura comienza la

desnaturalización de la proteína

enzimática y con ello la pérdida

de su actividad.

EFECTO DEL pH

V

e

l

o

c

i

d

a

d

I

n

i

c

i

a

l

pHpH óptimo

Cap. 16: Pág. 291

Gráfica en forma de

campana en la que se

puede determinar la

zona de pH óptimo.

Un aumento o disminución

del pH en relación con el

pH óptimo provoca una

disminución de la

velocidad de la reacción.

pH al que la enzima alcanza su

conformación más activa

EFECTO DE INHIBIDORES

ENZIMÁTICOS

• INHIBIDORES:

Son sustancias que disminuyen la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.

Pueden ser:

Competitivos.

No competitivos.

Cap. 16: Págs. 292-295

INHIBICIÓN COMPETITIVA

Enzima

Sustrato

Inhibidor Producto

Ocupa el centro activo de la enzima

haciéndolo inaccesible al sustrato

Estructura del inhibidor

semejante a la del sustrato

[ S [

VM

KM KM’

VM

2

Vel

oci

da

d d

e re

acc

ión

Reacción no inhibida

Reacción inhibida competitivamente

Los inhibidores competitivos no afectan la VMáx,

pero si aumentan el valor de KM (c (S) a la que se alcanza la Vm).

El aumento de la concentración del sustrato hasta valores elevados

puede impedir la entrada del inhibidor.

El aumento de

Km indica que

existe una

disminución de

la afinidad de la

enzima por el

sustrato.

INHIBICIÓN NO COMPETITIVA

Producto

Sustrato

Inhibidor

ComplejoEnzima

SustratoInhibidor

El inhibidor no competitivo no se aloja en el

centro activo y no puede impedir la entrada del

sustrato, pero sí dificulta su transformación,

inhibiendo la capacidad catalítica de la enzima.

No son análogos

estructurales

[ S [

VM

KM

KM’Vel

oci

da

d d

e re

acc

ión

Reacción inhibida no competitivamenteReacción no inhibida

En la inhibición no competitiva la KM no se modifica

y la velocidad máxima ( VM) se hace menor.

ALGUNOS USOS O APLICACIONES DE

INHIBIDORESAlgunos medicamentos utilizados diariamente en la práctica médica

son inhibidores enzimáticos (Ej: las sulfamidas que se emplea en el

tratamiento de infecciones bacterianas al detener el crecimiento de

colonias bacterianas).

En la industria armamentista química se emplean inhibidores

enzimáticos que al bloquear determinadas reacciones pueden

dañar un órgano o tejido específico si la enzima que resulta

inhibida está presente sólo en él, o al organismo en su totalidad

si la enzima inhibida está muy distribuida en el mismo. Ej:

compuestos con estructura organofosforada actúan inhibiendo

enzimas implicadas en las funciones nerviosas

(acetilcolinesterasa) que cataliza la hidrólisis de la acetilcolina

(neurotransmisor). Los síntomas finales corresponden a

bloqueos del sistema nervioso central, con asfixia y pérdida de

visión.

La lucha contra la producción, almacenamiento y utilización de las armas químicas

debe constituir una posición de principio de todo científico, pues es parte del

comportamiento ético impedir el uso de los avances de la ciencia en perjuicio de la

humanidad.