ENZIMAS

PROPIEDADES GENERALES

FACTORES QUE INFLUENCIAN SU ACTIVIDAD

TEORÍA DE LA FORMACIÓN DEL COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO

MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA

REGULACIÓN DE SU ACTIVIDAD

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA

ENZIMAS

LAS ENZIMAS SON COMPONENTES CELULARES MUY IMPORTANTES

SON LOS CATALIZADORES DE TODAS LAS REACCIONES METABÓLICAS

AUMENTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES A CONDICIONES

MODERADAS DE TEMPERATURA Y pH

LA GRAN MAYORÍA SON PROTEÍNAS

TAMBIÉN HAY ÁCIDOS RIBONUCLEICOS CATALÍTICOS (RIBOZIMAS)

INICIOS DE LA

ENZIMOLOGÍA

¿CÓMO SE NOMBRAN LAS ENZIMAS?

glucosa + ATP glucosa-6-fosfato + ADP

Nomenclatura de las enzimas: cómo

se nombran.

1. Nombre común o “recomendado”

2. Nombre sistemático

3. Código o número de clasificación

Por ejemplo, la reacción de fosforilaciónde la glucosa:

Es catalizada por una enzima que

se identifica así:

1. Hexoquinasa

2. ATP:glucosa fosfotransferasa

3. E.C. 2.7.1.1

2: clase (Transferasas)

7: subclase (transferasa de grupo fosfato

1 : sub-subclase (grupo OH como aceptor

del fosfato)

1 : número serial en este grupo de enzimas

Otras enzimas del grupo:E.C. 2.7.1.2 GlucoquinasaE.C. 2.7.1.3 CetoquinasaE.C. 2.7.1.4 Fructoquinasa

En general, el nombre de las enzimas se hace terminar en asa. Ejemplos: hexoqinasa, ATP:glucosa fosfotransferasa, glucoquinasa, fructoquinasa

Página web sobre la nomenclatura de las enzimas

El grupo de las transferasas

Detalle del grupo de las transferasasIUBMB Enzyme Nomenclature

Transferring phosphorus-containing groupsContentsEC 2.7.1 Phosphotransferases with an alcohol group as acceptorEC 2.7.2 Phosphotransferases with a carboxy group as acceptorEC 2.7.3 Phosphotransferases with a nitrogenous group as acceptorEC 2.7.4 Phosphotransferases with a phosphate group as acceptorEC 2.7.5 Phosphotransferases with regeneration of donors, apparently catalysing

intramolecular transfersEC 2.7.6 DiphosphotransferasesEC 2.7.7 NucleotidyltransferasesEC 2.7.8 Transferases for other substituted phosphate groupsEC 2.7.9 Phosphotransferases with paired acceptorsEC 2.7.10 Protein-tyrosine kinasesEC 2.7.11 Protein-serine/threonine kinasesEC 2.7.12 Dual-specificity kinases (those acting on Ser/Thr and Tyr residues)EC 2.7.13 Protein-histidine kinasesEC 2.7.99 Other protein kinases

IUBMB Enzyme Nomenclature: ejemplo de la información sobre la hexoquinasa

EC 2.7.1.1

Accepted name: hexokinase

Reaction: ATP + D-hexose = ADP + D-hexose 6-phosphate

Other name(s): hexokinase type IV glucokinase; hexokinase D; hexokinase type IV; hexokinase (phosphorylating);

ATP-dependent hexokinase; glucose ATP phosphotransferase

Systematic name: ATP:D-hexose 6-phosphotransferase

Comments: D-Glucose, D-mannose, D-fructose, sorbitol and D-glucosamine can act as acceptors; ITP and dATP can

act as donors. The liver isoenzyme has sometimes been called glucokinase.

Links to other databases: BRENDA, EXPASY, GTD, KEGG, PDB, CAS registry number: 9001-51-8References:1. Bailey, K. and Webb, E.C. Purification of yeast hexokinase and its reaction with β,β'-dichlorodiethyl sulphide. Biochem. J. 42 (1948) 60-68.2. Berger, L., Slein, M.W., Colowick, S.P. and Cori, C.F. Isolation of hexokinase from baker's yeast. J. Gen. Physiol. 29 (1946) 379-391.3. Kunitz, M. and McDonald, M.R. Crystalline hexokinase (heterophosphatase). Method of isolation and properties. J. Gen. Physiol. 29 (1946) 393-412.4. Pollard-Knight, D. and Cornish-Bowden, A. Mechanism of liver glucokinase. Mol. Cell. Biochem. 44 (1982) 71-80. [PMID: 7048063]5. Ureta, T., Radojkovic, J., Lagos, R., Guixe, V. and Núñez, L. Phylogenetic and ontogenetic studies of glucose phosphorylating isozymes of vertebrates. Arch. Biol. Med. Exp. 12 (1979) 587-604.6. Cárdenas, M.L., Rabajille, E. and Niemeyer, H. Fructose: A good substrate for rat-liver 'glucokinase' (hexokinase D). Biochem. J. 222 (1984) 363-370. [PMID: 6477520][EC 2.7.1.1 created 1961]

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

A + B C + Dsustratos productos

ESPECIFICIDAD

Tipo de reacción

Clase de sustratos

EFICIENCIA

NO AFECTAN EL EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN (Keq IGUAL)

Clasificación de las enzimas

Las hidrolasas son las únicas enzimas que conservan el nombre del sustratoterminado en el sufijo asa. Ejemplo: lipasas, proteasas, ribonucleasa.

Clasificación de las

enzimas

Clasificación de las enzimas

La especificidad de las enzimas puede ser muy grande:Por ejemplo, Tripsina y Quimotripsina son dos hidrolasas con una especificidad muy alta con relación al sustrato sobre el cual actúan

LAS ENZIMAS SON MUY EFICIENTES COMO CATALIZADORES

aumento de la velocidad de reacción por algunas enzimas con respecto ala velocidad de la reacción no catalizada

Nombre de la enzima Aumento velocidad

Ciclofilina (peptidilprolil isomerasa) 105

Anhidrasa carbónica 107

Triosa fosfato isomerasa 109

Carboxipeptidasa A 1011

Fosfoglucomutasa 1012

Succinil-CoA transferasa 1013

Ureasa 1014

Orotidina monofosfato descarboxilasa 1017

Como catalizadores que son, las enzimas disminuyen la energía libre de activación

La energía libre deactivación, ΔG*, se definecomo la energía que hay quesuministrar a un mol delsustrato para que llegue alestado de transición.

En el estado de transiciónde las moléculas, existeuna alta probabilidad deque se rompan o se formenenlaces químicos.

Como consecuencia,aumentará la velocidadde transformación delsustrato.

LAS ENZIMAS DISMINUYEN GRANDEMENTE EL

REQUERIMIENTO DE ENERGÍA LIBRE DE ACTIVACIÓN

Las enzimas aumentan la velocidad de las reaccionesmucho más veces que otros catalizadores

FACTORES QUE INFLUENCIAN LA ACTIVIDAD CATALÍTICA

DE LAS ENZIMAS

TEMPERATURA

pH

COFACTORES

METALES

COENZIMAS

CONCENTRACIÓN DE LA ENZIMA

CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO

ACTIVADORES

INHIBIDORES

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA CATÁLISIS

ENZIMÁTICA

Efecto de la desnaturalización

INFLUENCIA DEL pH SOBRE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS

pH óptimo

Perfil de actividad enzimática con relación al pH de algunas enzimas escogidas

COFACTORES ENZIMÁTICOS: coenzimas

la mayoría de las coenzimas provienen de las vitaminas del complejo B

COENZIMAS ENZIMA

TIAMINA PIROFOSFATO

FLAVÍN ADENIN DINUCLEÓTIDO

NAD

PIRIDOXAL FOSFATO

COENZIMA A

BIOTINA

5’-DESOXIADENOSIL COBALAMINA

TETRAHIDROFOLATO

PIRUVATO DESHIDROGENASA

MONOAMINA OXIDASA

LACTATO DESHIDROGENASA

GLUCÓGENO FOSFORILASA

ACETIL-CoA CARBOXILASA

PIRUVATO CARBOXILASA

METIL MALONIL MUTASA

TIMIDILATO SINTASA

Algunos ejemplos de coenzimas y las enzimas con las cuales trabajan

Ejemplo de la función de las coenzimas: la vitamina biotina

interviene activamente en la transferencia del grupo carboxilo en la

reacción catalizada por la enzima piruvato carboxilasa

biotina

COFACTORES ENZIMÁTICOS: iones metálicos

METAL ENZIMA

Zn2+

Zn2+

Mg2+

Mg2+

Ni2+

Mo

Se

Mn2+

K+

ANHIDRASA CARBÓNICA

CARBOXIPEPTIDASA A

EcoRV

HEXOQUINASA

UREASA

NITRATO REDUCTASA

GLUTATIÓN PEROXIDASA

SUPERÓXIDO DISMUTASA

PROPIONIL CoA CARBOXILASA

CINÉTICA DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS: INFLUENCIA

DE LA CONCENTRACIÓN DE LA ENZIMA

Velocidad = k [enzima]

CINÉTICA DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS: INFLUENCIA

DE LA CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO (a [enzima] constante)

TEORÍA DE LA FORMACIÓN DEL COMPLEJO ENZIMA - SUSTRATO

Convenciones:

E: enzima

S: sustrato

ES: complejo enzima-sustrato

P: producto

k1, k-1, k2: constantes de velocidad

Formación del complejo enzima-sustrato

COMPLEJO ENZIMA – SUSTRATO: sitio activo o catalítico

El sitio activo o catalítico está formado por los átomos o grupos deátomos de la enzima que interactúan con los átomos o grupos deátomos del sustrato

COMPLEJO ENZIMA - SUSTRATO

SITIO ACTIVO O CATALÍTICO DE LA ENZIMA

SITIO CATALÍTICO DE LA LISOZIMA

EL PLEGAMIENTO DE LA ESTRUCTURA TERCIARIA PERMITE CONFORMAR EL SITIO CATALÍTICO DE LAS ENZIMAS

estructura primaria

estructura terciaria

región del sitio catalítico

INTERACCIONES EN EL SITIO ACTIVO DE LA

CARBOXIPEPTIDASA A

REGIÓN DEL SITIO CATALÍTICO

CINÉTICA DE MICHAELIS - MENTEN

ECUACIÓN DE MICHAELIS - MENTEN

][].[max

SKmSVvo

vo : velocidad inicial de la reacciónVmax : velocidad máxima[S] : concentración del sustratoKm : constante de Michaelis-Menten

Descripción del estado estacionario

Derivación de la ecuación de Michaelis-Menten

k1 k2E + S ⇌ ES E + P

k-1

Presunciones: vo = k2 [ES] y es irreversible

[E] = [Et] - [ES]

[S] libre es >>> [S] como [ES]

Rata de formación de ES = k1 ([Et] - [ES]) [S]

Rata de descomposición de ES = k-1 [ES] + k2 [ES]

En el llamado estado estable del metabolismo se supone que:

k1 ([Et] - [ES]) [S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

rearreglando:

k1 ([Et] - [ES]) [S] = (k-1 + k2) [ES]

Derivación de la ecuación de Michaelis-Menten

y por tanto:

y Km + [S] =

Despejando [ES]:

y reemplazando [ES] = : y

k2 [Et] = Vmax suponiendo que [ES] = [Et] en esas condiciones:

Ecuación de Michaelis - Menten

Estimación gráfica de Km y Vmáx

SISTEMAS GRÁFICOS LINEALES QUE PERMITEN UN CÁLCULO MÁS

PRECISO DE Vmáx Y Km

Todas corresponden amodificaciones de laecuación de Michaelis-Menten

Valores de KM de algunas enzimas

ENZIMA SUSTRATO KM (mΜ)Quimotripsina Acetil-L-Triptofanamida 5000

Lisozima Hexa-N-acetilglucosamina 6

Β-Galactosidasa Lactosa 4000

Treonina desaminasa Treonina 5000

Anhidrasa carbónica CO2 8000

Penicinilasa Bencilpenicilina 50

Piruvato carboxilasa PiruvatoHCO3

-

ATP

400100060

VALORES DE KM DE HEXOQUINASA CON DIVERSOS MONOSACÁRIDOS

¿Con cuál de los sustratos la hexoquinasa tendría un mejor desempeño?

INFORMACIÓN DE UNA ENZIMA EN EL CATÁLOGO DE MERCK

CONSTANTE CATALÍTICA (KCAT) O NÚMEROS DE RECAMBIO DE

ALGUNAS ENZIMAS

ENZIMA SUSTRATO KCAT (s-1)

Catalasa H2O2 40.000.000

Anhidrasa carbónica HCO3- 400.000

Acetilcolinesterasa Acetilcolina 140.000

β-lactamasa Benzilpenicilina 2.000

Fumarasa Fumarato 800

Quimotripsina N-benzoiltirosinamida 100

Treonina deshidratasa L-treonina 0.4

Kcat se define como el número de moles de sustrato transformadas porsegundo, por mol de enzima, a la Vmáx y por cada centro catalítico

CONSTANTES DE ESPECIFICIDAD (Kcat / Km)ENZIMAS CERCANAS A LA “PERFECCIÓN CATALÍTICA”

Enzima Sustrato Kcat (s-1) Km (M) Kcat /Km(M-1 s-1)

Acetilcolinesterasa Acetilcolina 1.4 x 104 9.0 x 10-5 1.6 x 108

Anhidrasa carbónica CO2HCO3

-1.0 x 106

4.0 x 1051.2 x 10-2

2.6 x 10-28.3 x 107

1.5 x 107

Catalasa H2O2 4.0 x 107 1.1 4.0 x 107

Crotonasa Crotonil-CoA 5.7 x 103 2.0 x 10-5 2.8 x 108

Fumarasa FumaratoMalato

8.0 x 102

9.0 x 1025.0 x 10-6

2.5 x 10-51.6 x 108

3.6 x 107

β-Lactamasa Benzilpenicilina 2.0 x 103 2.0 x 10-5 1.0 x 108

Triosa fosfatoisomerasa

Gliceraldehído 3-fosfato 4.3 x 103 4.7 x 10-4 2.4 x 108

Enzimas para las cuales Kcat / Km es cercana al límite de difusión controlada (108 a 109 M-1 s-1).

ESPECIFICIDAD DE SUSTRATOS DE LA QUIMOTRIPSINA

¿Con cuál de estos sustratos la quimotripsina tendrá un mejordesempeño catalítico?

TIPOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA

GENERAL ÁCIDO - BASE

NUCLEOFÍLICA (COVALENTE)

POR IONES METÁLICOS

POR TENSIÓN INTRAMOLECULAR

¿MECANISMOS SIMILARES A CATÁLISIS NO ENZIMÁTICA?

Los mecanismos de catálisis enzimática mejor comprendidos son los del sistemageneral de catálisis ácido-base

MUTARROTACIÓN DE LA GLUCOSA

CATÁLISIS GENERAL ÁCIDA

CATÁLISIS GENERAL BÁSICA

CATÁLISIS SINÉRGICA

CATÁLISIS NUCLEOFÍLICA

AMINOÁCIDOS QUE PUEDEN ACTUAR EN CATÁLISIS GENERAL

ÁCIDO-BASE

PERFILES DE CATÁLISIS ÁCIDA Y BÁSICA

CATÁLISIS DE TIPO ÁCIDA CATÁLISIS DE TIPO BÁSICA

El modelo catalítico de la enzima digestiva (proteasa) de la quimotripsina

TIPOS DE CATÁLISIS EN EL SITIO ACTIVO DE

QUIMOTRIPSINA

REACCIONES EN EL SITIO ACTIVO DE LA QUIMOTRIPSINA

El grupo imidazol de la histidina 57

actúa como base con la serina 195 y

como ácido en el ataque al enlace

peptídico. El grupo ionizado de serina

actúa como un nucleófilo en el ataque

simultáneo al enlace peptídico

Otro modelo catalítico ampliamente estudiado es de la enzima proteolítica carboxipeptidasa A

INTERACCIONES EN EL

SITIO ACTIVO DE LA

CARBOXIPEPTIDASA A

El grupo fenólico detirosina 248 actúa comoácido en el ataque alenlace peptídico. Elgrupo carboxilo del ácidoglutámico 270 actúacomo un nucleófilo en elataque al sustrato.Observe el papel del ionzinc y de algunosaminoácidos en elposicionamiento correctodel sustrato

Reacciones durante la formación del complejo enzima-sustrato de la carboxipeptidasa A

LAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS O REGULADAS EN SU FUNCIÓN CATALÍTICA,

SON IMPORTANTES EN EL CONTROL DE LAS REACCIONES METABÓLICAS

LAS PROTEÍNAS Y LAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS INTERVIENEN EN

EL CONTROL DE LAS FUNCIONES CELULARES

COMPARACIÓN DE LAS CINÉTICAS DE ENZIMAS

REGULADAS Y NO REGULADAS

Cinética tipo hipérbole rectangular Cinética tipo sigmoide

LOS MODULADORES O EFECTORES ALOSTÉRICOS INDUCEN ESTADOS DE

ALTA O DE BAJA AFINIDAD POR EL SUSTRATO

REGULANDO ASÍ LA FUNCIÓN CATALÍTICA DE LA ENZIMA

EFECTOR ALOSTÉRICO

POSITIVO (ACTIVADOR)

EFECTOR ALOSTÉRICO

NEGATIVO (INHIBIDOR)

Efecto de los moduladores alostéricos sobre la cinética enzimática

INHIBICIÓN POR

RETROALIMENTACIÓN

El producto final de laruta metabólica actúacomo inhibidor de laprimera enzima de la vía

LOS INHIBIDORES DISMINUYEN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

CATALIZADAS POR ENZIMAS

Velocidadinhibidor < Velocidadsin inhibidor

Grado de inhibición = 100 - % velocidad relativa

o

i

vvrelativa velocidad

La disminución de la velocidad es proporcional a la concentración y a la constante del inhibidor

CLASES DE INHIBIDORES ENZIMÁTICOS

Formación de los complejos enzima inhibidor en los inhibidores reversibles

competitivo no competitivo

INHIBIDORES IRREVERSIBLES

Muchos venenos actúan como inhibidores

irreversibles de enzimas claves del metabolismo

Muchos plaguicidas organofosforados son inhibidores de la enzima acetilcolinesterasa

malationparation

ACTIVIDAD DE INHIBIDORES REVERSIBLES

Inhibición competitivaVmáx no varíaKm aumenta

Inhibición no competitivaVmáx disminuye

Km no varía

INHIBICIÓN REVERSIBLE

COMPETITIVA

NO COMPETITIVA Distinción cinética de la inhibicióncompetitiva y de la nocompetitiva mediante el sistemagráfico de Lineweaver -Burk

Representaciones de Linewever-Burk de la cinética enzimática sininhibidor (A), y en presencia de inhibidores: competitivo (B), nocmpetitivo (C) e incompetitivo (o acompetitivo) (D)

Representación de Lineweaver-Burk del tipo de inhibición mixta

Inhibición mixta se refierea la combinación de dostipos reversibles deinhibición enzimática, lainhibición competitiva y lainhibición no competitiva. Eltérmino mixta se usacuando el inhibidor sepuede unir tanto a laenzima libre como alcomplejo enzima-sustrato.En la inhibición mixta elinhibidor se une a un lugardistinto del sitio activo enel que se une el sustrato.

ECUACIONES DE LINEWEAVER-BURK PARA LAS DIVERSAS FORMAS

DE INHIBICIÓN

Vmax1

S1

VmaxKm

v1

o

Vmax

1S1

KiI1

VmaxKm

v1

i

KiI1

Vmax1

S1

KiI1

VmaxKm

v1

i

KiI1

Vmax1

S1

VmaxKm

v1

i

LINEWEAVER-BURK

I. COMPETITIVO

I. NO COMPETITIVO

I. ACOMPETITIVO

Efecto de la concentración y de la Ki del inhibidor en la velocidad máxima y la Km

EJEMPLOS DE INHIBIDORES REVERSIBLES

EL METHOTREXATE ES UN ANTICANCERÍGENO INHIBIDOR COMPETITIVO

DE LA THF REDUCTASA

inhibidor

sustrato

LA FOSFORILACIÓN ALOSTÉRICA ES UNA FORMA DE

INHIBICIÓN NO COMPETITIVA

En el ejemplo, la quinasa inhibe a la piruvato deshidrogenasa mediantefosforilación. La fosfatasa revierte la inhibición removiendo el grupo fosfato.