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INST JOSE MARTI BIOCATALIZADORES BCMTRANSCRIPT
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
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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.