Enzimas

- Son proteínas catalíticas.

- Aceleran la velocidad de las reacciones en un medio con temperatura y pH controlados.

- No modifican la Keq.

¿Cómo modifican la cinética de las reacciones?

En la siguiente animación,podemos ver graficado el efecto de una enzima en la cinética ( velocidad) de la reacción.

Especificidad de las enzimas

• Las enzimas interaccionan con los sustratos a través de las numerosas interacciones débiles, que se establecen por complementariedad estructural.

• Las enzimas son esteroespecíficas• El sitio de unión de la enzima con el

sustrato se llama SITIO ACTIVO (S.A)• El S.A es una pequeña porción de la

enzima.

Ejemplo de estructura de una enzima: la quimotripsina , una enzima digestiva que hidroliza proteínas.

• La estructura primaria de esta enzima consta de 245 aminoácidos.

• La estructura cuaternaria de consta de tres cadenas polipeptídicas: a, b y c.

• Los enlaces disulfuro unen las cadenas a,b y c entre sí.

• Los aminoácidos del Sitio Activo son tres: His, Asp y Ser.

• De 245 aminoácidos totales, solamente los grupos R de tres de ellos conforman el sitio activo de esta enzima.

Modelo espacial de la Quimotripsina• La enzima tiene un

aspecto globular, dado por el plegamiento de las subunidades a,b y c.

• El S.A se muestra en naranja.

• Esta enzima tiene un solo S.A.

• Las enzimas pueden tener un S.A por subunidad.

Modelo del esqueleto polipeptídico en forma de cinta

• Los grupos funcionales que componen el S.A están en rojo, y los puentes disulfuro en amarillo.

• Puede observarse en detalle las superestructuras secundarias en alfa hélice y lámina plegada.

- hélice

Lámina plegada

Un acercamiento al sitio activo• En detalle pueden

verse los grupos funcionales dela enzima que toman contacto con el sustrato de la reacción

• En la siguiente animación se ve un modelo de enzima en acción.

CLASIFICACION INTERNACIONAL DE ENZIMAS

Existen 6 categorías:

1- Oxidoreductasas:

2-Transferasas

3- Hidrolasas

4- Liasas

5- Isomerasas

6- Ligasas

Nomenclatura

La nomenclatura internacional reconoce a las enzimas mediante 4 números. Por ejemplo:

Anhidrasa carbónica es la enzima 4.2.1.1

Cinética de saturación: curva experimental.

• Normalmente hay más sustrato que enzima en los sistemas de reacción,lo que explica el “efecto de saturación” observado en la curva de M.Menten.

• Ni siquiera una alta concentración de sustrato influirá en la Vmax de la reacción.

• Este tipo de curvas se conocen como Cinética Michaeliana.

La tangente de la curva en este punto es la V0

Ecuación de Michaelis Menten

• Este es el algoritmo de la curva experimental.

• La V0 es la velocidad instantánea, o aceleración a tiempo cero según la cantidad de enzima.

• La Km es una constante para cada enzima con un determinado sustrato, en condiciones de pH y tºC fijas.

¿Qué pasa cuando la V0 es 1/2 de la Vmax?

• Veamos qué ocurre con la ecuación de M.Menten en este caso.

• Si V0 es 1/2 de la Vmax, entonces:

• 1/2 Vmax= Vmax. [S] / Km + [S]

• Km + [S] = 2 [S]

• Km = [S] Cuando V0 es 1/2 de la Vmax

• La concentración intracelular de los metabolitos están en el orden de los valores de Km de sus enzimas.

¿Cuándo se alcanza la Vmax?

• La Vmax se alcanza para valores muy altos de sustrato. Veamos en el cálculo.

• Si V0 es el 99% de Vmax, entonces:

• 0,99 Vmax = Vmax. [S] / Km + [S]

• 0,99 Km + 0,99 [S] = [S]

• 0,99 Km = 0,01 [S]

• [S]= 99 Km

• Las reacciones enzimáticas generalmente no operan a su Vmax

La Km es una constante para cada tipo de sustrato

• Gráficamente puede verse que la mitad de la Vmax se alcanza con una determinada concentración de sustrato, cuyo valor es el de la Km.

• La Km no cambia para distintas concentraciones de enzima,lo que evidencia una elevada aceleración del proceso.

V inicial (V0)Moles/tiempo

E1

E2

E3

Km Sustrato (moles)

Variación de la velocidad en función de la concentración de la enzima

• La tangente de cada una de las curvas representa la velocidad inicial para cada concentración de enzima.

• La condición para obtener esta gráfica, es que la enzima esté saturada por el sustrato.

• A mayor cantidad de enzima para un mismo t,la variación de velocidad es mayor.

tiempo

E1

E2

E3

Producto

Valores de Km de algunas enzimas

• El valor deKm depende del sustrato, como puede verse por ejemplo para la enzima hexoquinasa.

Otra forma de representar la cinéticaenzimática. Ecuación de Linneweaver-Burke

¿Qué factores afectan la actividad de una enzima?

• Los factores que afectan la actividad de las enzimas en general son:

• pH• temperatura• concentración salina ( osmolaridad)• concentración de sustrato y producto• Sustancias inhibidoras • a) reversibles: competitivas y no competitivas. • b) irreversibles como muchos frámacos y

agroquímicos

Efecto del pH en la actividad enzimática

• La gráfica muestra la respuesta de una enzima digestiva en respuesta al pH.

• La Pepsina es una hidrolas de proteínas ( proteasa), y su acción ocurre fuera de las células que la producen ( es una enzima extracelular).

Otro caso de respuesta de la actividad enzimática frente al pH

• Esta enzima es una esterasa ( hidroliza enlaces éster).

• La reacción que cataliza es la siguiente:

• Glucosa-6-P + H2O

• Glucosa + fosfato

Glucosa 6-fosfatasa

Los inhibidores competitivos de las enzimas, son estructuralmente semejantes a los sustratos

Inhibición competitiva

Los inhibidores no competitivos de las enzimas, no se parecen estructuralmente a los sustratos

Inhibición no competitiva

Representación gráfica de la acción de inhibidores reversibles competitivos y no competitivos

Competitiva, cambia la Km No competitiva, cambia la Vmax

La pareja Enzima-Coenzima o Enzima-Cofactor.

• En algunos tipos de Enzimas, no basta el componente proteico para que sean reactivas. Necesitan la ayuda de otras especies que deben actuar junto con la enzima, y que pueden ser:

• Orgánicas: como el NAD, FAD, CoA, ATP.Generalmente contienen vitaminas en su estructura, o son vitaminas.

• Organometálicas: grupo Hemo ( porfirina más Fe)• Iones: Fe, K+, Mg2+, Ca2+, Mo ,Zn, Cu.

• La interacción E-coenzima y E-cofactor es de tipo Reversible y No covalente.

Enzimas reguladorasEstas enzimas pueden ser reguladas por:

• Concentración del producto final de una vía metabólica.

• Concentracíon inicial del sustrato• Concentración de algún intermediario de la vía

metabólica en la que participa.• Por hormonas• Por todos los factores mencionados

• Entre las enzimas reguladoras, el grupo de las Enzimas alostéricas, es el de las que son modificadas por la acción reversible y no covalente de una molécula señal, que actúa en el Sitio Alostérico.

Las enzimas alostéricas responden a la acción de efectores positivos y negativos, respondiendo a modelos cinéticos No-Michaelianos como el del

siguiente gráfico:

• Las curvas tienen forma sigmoidal que indican un efecto cooperativo del sustrato.

• La respuesta al efector positivo, acerca la cinética al modelo Michaeliano.

• El modelo sigmoidal permite que la enzima sea activa en un rango de [S] más acotado que en el modelo Michaeliano.

• Para cada efector, debe existir un sitio alostérico.

Ejemplo de regulación alostérica por la Carga Energética del sistema

• Algunas enzimas alostéricas del metabolismo responden a la Carga Energética (CE) del Sistema.

• Las del Catabolismo se inhiben con CE por encima de 0,8.

• Las del Anabolismo se activan con CE por encima de 0,8.

• En estado de homeostasis las enzimas operan a un 50% de su Vmax

% de Vmax

Carga energética

0 0 ,8 0,9 1,0

Catabólicas

Anabólicas

REGULACION CELULAR DE LAS ENZIMAS

• Modificación covalente de las enzimas reguladoras: la actividad de las enzimas se modifica por cambios covalente reversibles en las cadenas laterales de determinados aminoácidos de la enzima. Por ejemplo: a) fosforilación defosforilación de grupos hidroxilo; b) reducción de grupos disulfuro.

• Activación por ruptura proteolítica: algunas enzimas son sintetizadas inicialmente en forma inactiva y deben ser modificadas para adquirir actividad. Las formas inactivas se denominan Zimógenos.

• Regulación por isoenzimas: son diferentes formas moleculares de enzimas que catalizan la misma reacción, y poseen diferentes patrones cinéticos.

La actividad enzimática no se expresa en todos los tejidos por igual

• El patrón proteico de cada célula, e incluso de cada compartimiento celular, depende de la expresión de los genes.

• Las enzimas son proteínas, y la expresión de los genes que las codifican está regulada a nivel de la transcripción.

• La forma más efectiva de modificar la actividad de una enzima, es provocando su síntesis o inhibiéndola, de modo de hacer que esté presente o no, en el sistema.

• Otra forma de modificar la actividad la actividad es mediante la regulación del proceso de degradación de la enzima ( aumentar la velocidad de recambio).