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ENZIMAS Catalizadores orgánicos. Se encuentran prácticamente en todos los tejidos. De importancia las enzimas séricas. Se han identificado más de 50. Se pueden diagnosticar determinadas patologías: Enfermedades hepáticas Enfermedades pancreáticas Enfermedades miocárdicas.

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ENZIMAS

• Catalizadores orgánicos.

• Se encuentran prácticamente en todos los tejidos.

• De importancia las enzimas séricas.

– Se han identificado más de 50.

– Se pueden diagnosticar determinadas patologías:

• Enfermedades hepáticas

• Enfermedades pancreáticas

• Enfermedades miocárdicas.

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Enzima (Haloenzima) = apoenzima + cofactor

Apoenzima: proporción proteica -desnaturalizable

Cofactor: parte no proteica- dializable, esencial en la actividad catalítica

Sustancia orgánica: coenzima, generalmente

derivadas de las proteínas. (ej. NAD+ en la

reacción de la lactato deshidrogenasa, FAD, la

coenzima A y la C.

Ion inorgánico: activador (ej. Zn2+ , Fe2+ , etc.)

ESTRUCTURA

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PROPIEDADES

Las enzimas son proteínas que incrementan la

velocidad de una reacción química y no se

consumen durante la misma (algunos tipos de

ARN pueden actuar como enzimas,

usualmente rompen y sintetizan enlaces

fosfodiester; a estas moléculas se les

denomina “ribozimas” y se encuentran en muy

baja proporción en la naturaleza).

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SITIO ACTIVO

Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o

cavidades denominadas sitio activo. El sitio activo está

formado por las cadenas laterales de residuos

específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglo

tridimensional particular, diferente al resto de la proteína.

Este sitio es afín por la estructura tridimensional del

sustrato:

enzima

+

sustrato

sitio activo

sitio activo

vacío

ocupado

representación de la formación del

complejo enzima-sustrato.

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En el sitio activo el enzima (E) se une al substrato (S)formando un complejo enzima-substrato (ES). En elcomplejo ES, E transforma a S en él o los productos,formando el complejo enzima-producto (EP), finalmenteel enzima libera del sitio activo a P, regenerándose.

La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimasson muy eficientes y transcurren desde 106 hasta 1014

veces más rápido que la misma reacción no catalizada.Típicamente, cada molécula de enzima es capaz detransformar cada segundo de 100 a 1000 moléculas desubstrato en producto.

E + S ES E + P

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Enzima Velocidad en

ausencia de

enzima

Velocidad de

reacción

catalizada

Rendimiento

Anhidrasa carbónica

Corismato mutasa

Triosafosfato isomerasa

Carboxipeptidasa A

AMP nucleosidasa

Nucleasa estafilococal

1.3 X 10 –1

2.6 X 10 –5

4.3 X 10 –6

3.0 X 10 –9

1.0 X 10 –11

1.7 X 10 -13

1.0 X 106

50

4300

578

60

95

7.7 X 106

1.9 X 106

1.0 X 109

1.9X 1011

6.0 X 1012

5.6 X 1014

Eficiencia de las reacciones

catalizadas por algunas enzimas.

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ESPECIFICIDAD

Las enzimas son muy específicas por el substrato de

la reacción que catalizan. Interactúan con una o muy

pocas moléculas y catalizan únicamente un tipo de

reacción, por lo que las moléculas con las que

interactúan deben ser muy parecidas, tanto en

composición, como en estructura tridimensional. Por

ejemplo, en la siguiente figura, en el panel A, se

muestra la reacción catalizada por la enzima

triosafosfato isomerasa (enzima que cataliza el paso 5

de la glucólisis), en el panel B se muestran inhibidores

de la catálisis:

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DHAP GAP

O

OHP

H

O

H

H

OOH

P

H

OH

H

Enediol

OO

HP

H

OHH

A

B

Glu 165 Glu 165 Glu 165

His 95 His 95 His 95

Metil glioxal fosfato

O

HP

O

OH

2-fosfoglicolato

(PGA)

H

CH3

OO

Metil glioxal

P

O

CH3

OO

A.- Reacción catalizada por la triosafosfato isomerasa; B.-

Inhibidores de su catálisis.

Nótese el parecido con la estructura de los sustratos y del intermediario

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REGULACIÓN

La actividad enzimática puede ser regulada,

esto quiere decir que dependiendo de los

requerimientos metabólicos, las enzimas son

activadas o inhibidas, para acelerar o disminuir

la velocidad con la que catalizan la reacción,

respondiendo así a las diferentes necesidades

de sus productos en la célula. La regulación

más común es modificando la concentración de

su(s) substrato(s).

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FACTORES QUE AFECTAN

LA VELOCIDAD DE

REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DEL

SUSTRATO

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Velocidad máxima: la velocidad de una reacción (v) esel número de moléculas de substrato convertidas enproducto por unidad de tiempo y usualmente se expresaen µmoles de producto formadas por minuto. Lavelocidad de una reacción catalizada por una enzima,aumenta conforme se incrementa la concentración desubstrato hasta que se llega a una velocidad máxima(Vmax), a partir de la cual la velocidad de la reacción, esindependiente de la cantidad de substrato. El que lavelocidad no pueda seguirse incrementando, refleja lasaturación del sitio activo con el substrato.

0 Substrato

V MAX.Figura: representación de

una cinética típicamente

michaeliana.

Vmax = velocidad de

saturación o máxima.

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La mayoría de las enzimas muestran cinéticasdel tipo hipérbola rectangular comodescribieron en 1913 por primera vez LeonorMichaelis y Maud Menten. Este trazo seobtiene al graficar la velocidad de la reacciónenzimática vs. La concentración de Substrato;este comportamiento se describe por ejemplopara la disociación del Oxígeno de lamioglobina. Existen algunas enzimas que sedenominan “alostéricas”, que frecuentementeposeen una curva tipo sigmoide (en forma deS), que es similar a la mostrada para ladisociación del Oxígeno de la hemoglobina.

Hiperbólica (comportamiento cinético michaeliano)

Sigmoide (comportamiento cinético alostérico)

0 Substrato

FORMA HIPERBÓLICA DE LA CURVA DE VELOCIDAD V/S SUSTRATO

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Michaelis y Menten propusieron un modelo simple para

explicar la mayoría de las reacciones catalizadas por

enzimas. En este modelo la enzima se combina

reversiblemente con su substrato para formar el

complejo enzima-sustrato (ES) que subsecuentemente

se rompe para formar el producto, hecho que regenera a

la enzima. El modelo para una molécula de sustrato se

muestra a continuación:

PEk

ESk

kSE

2

1

1

S: es el substrato

E: es la enzima

ES: es el complejo enzima substrato o

complejo de Michaelis y Menten

k1,k1 y k2 son las constantes de velocidad de

la reacción.

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La ecuación de Michaelis y Menten describe

como varía la velocidad de reacción con la

concentración de sustrato:

SKm

SVmaxv0

V0: es la velocidad inicial de la reacción

Vmax: es la velocidad máxima

Km:es la constante de Michaelis y Menten=

S:es la concentración de sustrato

1k

2k1k

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CONCLUSIONES IMPORTANTES SOBRE LA

CINÉTICA MICHAELIS-MENTEN

• Características de Km: la constante de Michaelis-Menten es

característica de una enzima y particular para un substrato. Refleja la

afinidad de la enzima por ese substrato. Km es numéricamente igual

a la concentración de substrato a la cual la velocidad de reacción es

la mitad de la Vmax (Km= Vmax/2). Este parámetro, Km no varía con

la concentración de enzima.

• Significado de una Km pequeña: un valor numérico pequeño de Km

refleja una alta afinidad de la enzima por su substrato porque a una

baja concentración del mismo, la enzima a desarrollado ya la mitad de

la velocidad máxima.

• Significado de una Km grande: el valor numérico grande de Km

refleja una baja afinidad de la enzima por su substrato porque a una

concentración elevada del mismo, la enzima desarrolla la mitad de la

velocidad máxima.

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• Relación de la velocidad con la concentración de enzima: la

velocidad de la reacción es directamente proporcional a la

concentración de la enzima a cualquier concentración de

substrato. Por ejemplo, si la concentración de enzima es

disminuida a la mitad, la velocidad inicial de la reacción (v0) es

reducida también a la mitad de la original.

• Orden de la reacción:

– cuando S es mas pequeña que la Km, la velocidad de lareacción es aproximadamente igual a la concentración desubstrato. La velocidad de reacción se dice en estascondiciones es de primer orden con respecto al substrato.

– Cuando S es mas grande que la Km, la velocidad esconstante e igual a la Vmax. La velocidad de la reacción esindependiente de la concentración de substrato y se dice quees de orden cero con respecto a la concentración desubstrato.

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GRÁFICA DE LINEWEAR-BURKE

Se grafica una doble recíproca, es decir, el inverso de la velocidad

(1/v0) contra el inverso de la concentración de substrato (1/S), se

obtiene una línea recta. El regráfico de Lineweaver-Burke, también se

denomina de “dobles recíprocas” y se utiliza para calcular la Km y la

Vmax así como para determinar el mecanismo de acción de los

diversos tipos de inhibidores.

Vmax

1

SVmax

Km

v

1

0

La ecuación describe una recta en donde el intercepto con el

eje de las abscisas es igual a –1/Km y el intercepto con el eje

de las ordenadas es igual a 1/Vmax.

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• Incremento de la velocidad con la temperatura:

En general, la velocidad de la reacción se incrementa con la

temperatura hasta que un punto máximo es alcanzado. Este

incremento se debe a que aumenta el número de moléculas ricas en

energía que pueden pasar la barrera energética de estado de

transición, para formar a los productos.

zona de reactivación

máximo de actividad

Zona de

inactivación

0 Temperatura

Decremento de la velocidad con la

temperatura:

La elevación excesiva de la

temperatura del medio que

contiene a las enzimas, resulta en

un decremento de la velocidad

como resultado de la

desnaturalización, es decir, la

pérdida de la estructura

tridimensional de las enzimas.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

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Efecto del pH en la ionización del

sitio activo

La concentración de H+ afecta la velocidad de la

reacción en muchas formas. Primero el proceso

catalítico usualmente requiere de que la enzima y el

substrato tengan grupos químicos en una forma iónica

particular para poder interactuar. Por ejemplo la

actividad catalítica puede necesitar a un grupo amino,

por ejemplo de una lisina en estado protonado (-NH3+)

o no (-NH2+), el pH modifica este estado y por tanto a

la velocidad de la reacción.

EFECTO DEL pH

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Efecto del pH: desnaturalización

de la enzima

pH extremos pueden ocasionar la desnaturalización de las

enzimas, debido a que la estructura con estos cambios es posible

modificar las interacciones iónicas que intervienen en la estabilidad

de la enzima en su estado nativo.

El pH óptimo varía para las diferentes enzimas: el pH al cual las

enzimas adquieren su máxima actividad es diferente para cada una

de ellas y depende de la secuencia de aminoácidos que las

conforman, por supuesto, también está relacionado con el

microambiente celular en el cual desarrollan su catálisis. Por

ejemplo la pepsina que es una enzima digestiva que actúa en el

estómago, posee un pH óptimo de alrededor de 2 unidades, por el

contrario otras enzimas que actúan a pH neutro, se desnaturalizan

a pH alcalino o ácido.

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NOMENCLATURA

• La international Union of Biochemistry recomendó en 1964 una

nomenclatura basada en la reacción que catalizan. En 1973

apareció una nueva edición ampliada de esta nomenclatura donde

el nombre científico describe el tipo de reacción, el sustrato, el

coenzima y el producto.

(Ej. LDH: L-lactato:piruvato NAD deshidrogenasa)

• Además a cada enzima se le da un número que deriva de la

nomenclatura, encabezado por las siglas EC (Enzyme Commission).

Así la LDH es la EC 1.1.1.3

• Para una descripción más exacta es necesario indicar la

procedencia del enzima, especie, tejido, localización en el interior o

exterior de la célula dado que existen isoenzimas con el mismo

nombre y N° EC, pero se diferencian en su localización y/o

propiedades físico químicas.

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Nomenclatura enzimática

Clase Reacciones que catalizan Ejemplo

Clase 1

Oxido- Reductasas

Catalizan reacciones de oxidación reducción.

A + B A reducido + B oxidado

Deshidrogenasas

Oxidasas

Reductasas

Clase 2

Transferasas

Catalizan reacciones de transferencia de

grupos funcionales, partes de moléculas, etc.,

de un donador a un aceptor.

A –B + C A + B-C

Transaminasas

Clase 3

Hidrolasas

Catalizan reacciones de hidrólisis de enlaces al

añadir una molécula de agua.

A-B + H2O A-H + B-OH

Lipasas

Amilasas

Peptidasas

Clase 4

Liasas

Catalizan reacciones de eliminación o adición

de alguna molécula, grupo funcional, etc.

A-CO2 A + CO2

Descarboxilasa

Clase 5

Isomerasas

Catalizan reacciones de isomerización.

A A´

Epimerasas

Mutarotasas

Clase 6

Ligasas

Catalizan reacciones de condensación de dos

moléculas por formación de un enlace a costa

de la hidrólisis de un trifosfato.

A + B + NTP A-B + NDP + Pi

Sintetasas

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ENZIMAS

ANALIZADAS EN

DIAGNÓSTICO

CLINICO

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Transaminasa glutámico oxalacética o aspartato

aminotransferasa (GOT o AST). Grupo: Transaminasa

Reacción catalizada Transferencia del grupo amino del ácido aspártico al ácido a-

cetoglutárico, formándose ácido oxalacético y ác. Glutámico.

Presenta como cofactor el piridoxal fosfato (PP). Las

determinaciones suelen hacerse a pH = 7,4

Localización En mitocondrias y citoplasma de tejido cardiaco, hepático

muscular, hematíes, tejido esquelético, renal y uretral, en

concentraciones decrecientes respectivamente.

Patologías Hepatopatías, Miopatías, Procesos cardíacos.

Lactato Deshidrogenasa (LDH). Grupo: oxidorreductasa

Reacción catalizada Transformación reversible de lactato a piruvato (pH=8,3 -8,9) y

de piruvato a lactato (pH = 7,1 – 7,4). No necesita cofactor.

Localización Ampliamente distribuida por los tejidos aunque abunda más en

tejido cardíaco, muscular, renal, hepático, cerebral y los

hematíes.

Patologías Hepatopatías

Procesos cardíacos.

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Creatín fosfoquinasa (CPK). Grupo Tranferasa

Reacción catalizada Transformación de fosfocreatina a creatina. (pH=6,8) y de

creatina a fosfocreatina (pH=9,0). Necesita la presencia de

cofactores metálicos (activadores) como el Mg 2+.

Localización Su concentración es muy elevada en músculos esquelético y

cardíaco, encontrándose en el cerebro en concentraciones

también bastante apreciables.

Patologías Miopatías

Procesos cardíacos.

Transaminasa glutámico pirúvica o alanino

aminotransferasa (GPT o ALT). Grupo Transaminasa

Reacción catalizada Transferencia del grupo amino desde la alanina al

cetoglutarato, formando ác. Pirúvico y ác. Glutámico. Presenta

como cofactor el piridoxal fosfato (PP). Las determinaciones

suelen hacerse a pH = 7,4

Localización Su localización es citoplasmática en el tejido hepático aunque

también en bajas concentraciones en tejido muscular, renal y

cardíaco.

Patologías Hepatopatías, Miopatías

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g-Glutamiltranspeptidasa (g-GT). Grupo: Transferasas

Reacción catalizada Transferencia de grupos g-glutamil desde un péptido a otro

péptido o a aminoácidos. No necesita la presencia de cofactor.

Localización Se encuentra fundamentalmente en el citoplasma de células

hepáticas, riñón, intestino y páncreas.

Patologías Hepatopatías

A-amilasa. Grupo: Hidrolasas

Reacción catalizada Degradación de moléculas hidrocarbonadas por hidrólisis de

enlaces glicosídicos a 1-4 de los polisacáridos transformándolos

en sus azúcares constitutivos. Necesita calcio como cofactor (es

una de las metaloenzimas.).

Localización Se encuentra fundamentalmente en glándulas salivares y

páncreas exocrino.

Patologías Enfermedades del páncreas.

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Lipasa. Grupo: Hidrolasas

Reacción catalizada Junto con los ácidos biliares cataliza la reacción de hidrólisis de

triglicéridos

Localización Su localización es pancreática.

Patologías Enfermedades del páncreas.

Fosfatasa Alcalina (ALP). Grupo Hidrolasas

Reacción catalizada Descomposición de los ésteres monofosfato. Precisa del

cofactor Mg+2. Presenta su actividad óptima a pH alcalinos

cercanos a 9.

Localización Fundamentalmente el huesos pero también en hígado, riñón,

pared intestinal, glándula mamaria y placenta.

Patologías Enfermedades óseas.

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Fosfatasa ácida. Grupo: Hidrolasas

Reacción catalizada Descomposición de los ésteres monofosfato. Precisa del

cofactor Mg2+. Presenta su actividad óptima a pH ácidos

cercanos a 5.

Localización Se localiza fundamentalmente en la próstata y en menor

concentración en hígado, hematíes, plaquetas y hueso.

Patologías Carcinoma próstatico.

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• DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.

• PRINCIPIOS DE ESPECTROSCOPIA

DE ABSORCIÓN MOLECULAR.

PROXIMA SESION