ENZIMASENZIMAS

Esteban Osorio Cadavid, PhD.Esteban Osorio Cadavid, PhD.

Curso Biología Celular y Curso Biología Celular y Bioquímica IBioquímica I

ENZIMASENZIMAS

Proteínas especificas Proteínas especificas que catalizan las que catalizan las

reacciones químicas reacciones químicas en los sistemas en los sistemas

biológicos. biológicos.

• Las enzimas aceleran las reacciones Las enzimas aceleran las reacciones multiplicando su velocidad por un multiplicando su velocidad por un millón de veces, o aún más. millón de veces, o aún más.

COCO22 + H + H22O HO H22COCO33

• Cada molécula enzimática puede Cada molécula enzimática puede hidratar 10hidratar 1055 moléculas de CO moléculas de CO22 en un en un segundo. Esta reacción catalizada es segundo. Esta reacción catalizada es 101077 veces más rápida que la misma veces más rápida que la misma reacción no catalizada. reacción no catalizada.

Anhidrasa carbónica

• Las enzimas son altamente Las enzimas son altamente Específicas Específicas tanto en la reacción que tanto en la reacción que catalizan como en la selección de las catalizan como en la selección de las sustancias reaccionantes, sustancias reaccionantes, denominadas denominadas SUSTRATOSSUSTRATOS. .

• El grado de especificidad del El grado de especificidad del Sustrato es normalmente elevado, a Sustrato es normalmente elevado, a veces prácticamente absoluto. veces prácticamente absoluto.

1.1. Especificidad de la Tripsina:Especificidad de la Tripsina: Rompe Rompe los enlaces peptídicos sólo por el los enlaces peptídicos sólo por el lado carboxílico de los residuos lado carboxílico de los residuos Lisina y de Arginina. Lisina y de Arginina.

2. 2. Especificidad de la TrombinaEspecificidad de la Trombina, un , un factor de coagulación. Rompe el factor de coagulación. Rompe el enlace peptídico, cuando el lado enlace peptídico, cuando el lado carboxilo es la arginina y el lado carboxilo es la arginina y el lado amino es la glicinaamino es la glicina

3. 3. Actividad enzimática de la SubtilisinaActividad enzimática de la Subtilisina: : rompe cualquier enlace peptídico, rompe cualquier enlace peptídico, independiente de la secuencia de independiente de la secuencia de aminoácidos.aminoácidos.

4.4. Enzimas proteolíticas:Enzimas proteolíticas: Catalizan la Catalizan la hidrólisis de un enlace peptídico. hidrólisis de un enlace peptídico.

La mayoría de las enzimas La mayoría de las enzimas proteolíticas también catalizan una proteolíticas también catalizan una reacción diferente, pero relacionada: reacción diferente, pero relacionada: la hidrólisis de un enlace ésterla hidrólisis de un enlace éster. .

Regulación de la Actividad Regulación de la Actividad de Algunas Enzimasde Algunas Enzimas

1.1. Zimógenos:Zimógenos: Son los precursores Son los precursores enzimáticamente inactivos de las enzimas enzimáticamente inactivos de las enzimas proteolíticas. proteolíticas.

– se sintetizan en forma de un precursor inactivo se sintetizan en forma de un precursor inactivo – son activadas a un tiempo y en un lugar son activadas a un tiempo y en un lugar

fisiológicamente apropiado. fisiológicamente apropiado. – El tripsinógeno es activado por la rotura de un El tripsinógeno es activado por la rotura de un

enlace peptídico en el intestino delgado para enlace peptídico en el intestino delgado para formar tripsina. formar tripsina.

• Se sintetiza en el páncreas.Se sintetiza en el páncreas.

• Secreción de Secreción de Zimógenos en el Zimógenos en el páncreaspáncreas

• Activación de zimógenos por clivaje Activación de zimógenos por clivaje proteolítico.proteolítico.

2. Modificación Covalente:2. Modificación Covalente: Este Este mecanismo de control enzimático mecanismo de control enzimático consiste en la inserción de un pequeño consiste en la inserción de un pequeño grupo sobre la enzima. grupo sobre la enzima.

Las enzimas que degradan el glucógeno Las enzimas que degradan el glucógeno están reguladas por la introducción de están reguladas por la introducción de un grupo fosforilo a un residuo un grupo fosforilo a un residuo específico de serina de estas enzimas. específico de serina de estas enzimas.

3. Inhibición por producto final:3. Inhibición por producto final: Mecanismo regulador que afecta a Mecanismo regulador que afecta a muchas secuencias de reacciones que muchas secuencias de reacciones que dan por resultado la síntesis de dan por resultado la síntesis de moléculas pequeñas tales como los moléculas pequeñas tales como los aminoácidos. aminoácidos.

La enzima que cataliza la primera etapa La enzima que cataliza la primera etapa en tal vía biosintética es inhibida por el en tal vía biosintética es inhibida por el producto final. producto final.

• Mecanismo de Mecanismo de control denominado control denominado también “Inhibicion también “Inhibicion Feedback” o Feedback” o “retroalimentación“retroalimentación””..

• La treonina se La treonina se convierte en convierte en isoleucina en isoleucina en 55 etapas, la primera es etapas, la primera es catalizada por catalizada por treonina desaminasa. treonina desaminasa. Cuando la isoleucina Cuando la isoleucina ha alcanzado un nivel ha alcanzado un nivel alto, esta se une a la alto, esta se une a la enzima en un lugar enzima en un lugar diferente al catalítico diferente al catalítico inactivándola. inactivándola.

4. Control Fisiológico4. Control Fisiológico:: La síntesis de lactosa La síntesis de lactosa por la glándula mamaria. por la glándula mamaria. La lactosa sintetasa, cataliza la síntesis de La lactosa sintetasa, cataliza la síntesis de lactosa y consta de una lactosa y consta de una subunidad subunidad catalíticacatalítica y una y una subunidad subunidad modificadoramodificadora..

La subunidad modificadora altera la La subunidad modificadora altera la especificidad de la subunidad catalítica de tal especificidad de la subunidad catalítica de tal manera que así une galactosa a glucosa para manera que así une galactosa a glucosa para formar lactosa. formar lactosa.

• Durante el embarazoDurante el embarazo,, la subunidad la subunidad catalizadora se forma en la glándula catalizadora se forma en la glándula mamaría, pero se forma poco subunidad mamaría, pero se forma poco subunidad modificadora.modificadora.

• En el momento del nacimientoEn el momento del nacimiento, , se sintetiza se sintetiza la subunidad modificadora en grandes la subunidad modificadora en grandes cantidades. La subunidad modificadora se cantidades. La subunidad modificadora se une entonces a la subunidad catalitica para une entonces a la subunidad catalitica para formar el complejo de formar el complejo de Lactosa sintetasa Lactosa sintetasa activaactiva..

• La subunidad catalítica La subunidad catalítica solasola no puede no puede sintetizar Lactosa, tiene un papel sintetizar Lactosa, tiene un papel diferente: cataliza la unión de diferente: cataliza la unión de galactosa a las proteínas que galactosa a las proteínas que contienen una cadena contienen una cadena carbohidratada unida carbohidratada unida covalentemente. covalentemente.

Las Enzimas y su Papel en Las Enzimas y su Papel en la Transformación de la Transformación de

EnergíaEnergía

• En muchas reacciones bioquímicas, En muchas reacciones bioquímicas, la energía de las sustancias reactivas la energía de las sustancias reactivas se convierten en una forma de se convierten en una forma de energía diferente con una eficiencia energía diferente con una eficiencia muy elevada. muy elevada.

1.1. En la fotosíntesis, En la fotosíntesis, la energía la energía lumínicalumínica

2.2. En la respiración, En la respiración, la energía libre la energía libre contenida en los contenida en los alimentosalimentos

energía química de energía química de enlace. enlace.

adenosina trifosfato adenosina trifosfato (ATP). (ATP).

3. En la 3. En la contracción contracción muscular, la muscular, la energía energía química del química del enlace ATPenlace ATP

energía energía mecánica mecánica

Estas transformaciones de energía son llevadas a cabo por moléculas enzimáticas

que son parte integrante de conjuntos altamente especializados.

• ATPasa ATPasa catalizando catalizando el el transporte transporte de Cade Ca2+2+ a a través de la través de la membrana membrana célular.célular.

Las enzimas no alteran los Las enzimas no alteran los equilibrios de reacción:equilibrios de reacción:

• Una enzima es un catalizador y como Una enzima es un catalizador y como consecuencia no puede alterar el consecuencia no puede alterar el equilibrio de una reacción química. equilibrio de una reacción química.

• Una enzima acelera la reacción en un Una enzima acelera la reacción en un sentido u otro precisamente con el sentido u otro precisamente con el mimo factor. mimo factor.

• La concentración de equilibrio de B es La concentración de equilibrio de B es 100 veces la de A, haya o no enzima 100 veces la de A, haya o no enzima presente. presente.

• Cuando la enzima está presente el Cuando la enzima está presente el equilibrio se obtendría en un segundo. equilibrio se obtendría en un segundo. Las enzimas Las enzimas aceleranaceleran la consecución la consecución del equilibrio, pero no varían su posición. del equilibrio, pero no varían su posición.

• Las enzimas disminuyen la energía Las enzimas disminuyen la energía de activación de las reacciones de activación de las reacciones catalizadas. catalizadas.

• Una reacción química AUna reacción química A B B transcurre a través de un Estado de transcurre a través de un Estado de Transición que tiene un energía Transición que tiene un energía mayor que la de A o la de B. mayor que la de A o la de B.

• La velocidad de reacción hacia La velocidad de reacción hacia adelante depende de la temperatura adelante depende de la temperatura y de la diferencia de energía libre de y de la diferencia de energía libre de activación de Gibbs y se simboliza activación de Gibbs y se simboliza como como

= GEstado de transición - G Sustrato

G

• La Formación de un complejo Enzima –La Formación de un complejo Enzima –Sustrato es el primer paso en la catálisis Sustrato es el primer paso en la catálisis enzimática. La existencia de los enzimática. La existencia de los complejos complejos ESES ha sido demostrada de ha sido demostrada de varias maneras: varias maneras:

1.1. Algunos complejos Algunos complejos ESES se han visualizado se han visualizado directamente por microscopía electrónica directamente por microscopía electrónica y por cristalografía de rayos X. y por cristalografía de rayos X.

2. Las propiedades físicas de un enzima, 2. Las propiedades físicas de un enzima, como solubilidad o estabilidad al calor, como solubilidad o estabilidad al calor, cambian frecuentemente con la cambian frecuentemente con la formación del complejo formación del complejo ES.ES.

3. Las características espectroscópicas de 3. Las características espectroscópicas de muchos enzimas y sustratos cambian muchos enzimas y sustratos cambian con la formación del complejo con la formación del complejo ESES. .

La intensidad de fluorescencia del piridoxal fosfato en el centro activo de la triptófano sintetasa cambia por la adición de serina e indol, los sustratos.

Piridoxal Fosfato: grupo prostético de la enzima triptófano sintetasa.

L – serina + Indol L - triptófano

4. En la formación de complejos 4. En la formación de complejos ESES se se muestra un alto grado de estero muestra un alto grado de estero especificidad. especificidad.

Ejemplo: La D-Serina no es sustrato Ejemplo: La D-Serina no es sustrato de la Triptofano Sintetasa. de la Triptofano Sintetasa.

5. Los complejos 5. Los complejos ESES algunas veces algunas veces pueden se aislados en forma pura. pueden se aislados en forma pura. A+B = CA+B = C

• Puede aislarse el complejo Puede aislarse el complejo EAEA, , si la si la enzima tiene una afinidad alta para enzima tiene una afinidad alta para A, y B está ausente de la mezcla. A, y B está ausente de la mezcla.

• A una concentración de enzima A una concentración de enzima constante, la velocidad de reacción constante, la velocidad de reacción aumenta con la concentración de aumenta con la concentración de sustrato, hasta que alcanza una sustrato, hasta que alcanza una velocidad máxima. velocidad máxima.

• La primera etapa de la catálisis La primera etapa de la catálisis enzimática es la formación de un enzimática es la formación de un complejo enzima-sustrato. complejo enzima-sustrato.

• La formación y rotura de un enlace La formación y rotura de un enlace químico por un enzima viene químico por un enzima viene precedida por la formación de un precedida por la formación de un complejo Enzima-Sustrato (complejo Enzima-Sustrato (ESES). El ). El sustrato queda ligado a una región sustrato queda ligado a una región específica del enzima llamado específica del enzima llamado Centro activoCentro activo..

• A una concentración de enzima constante, A una concentración de enzima constante, la velocidad de reacción aumenta con la la velocidad de reacción aumenta con la concentración del sustrato hasta una concentración del sustrato hasta una velocidad máxima. velocidad máxima.

• En 1913, Leonor Michaelis, interpretó la En 1913, Leonor Michaelis, interpretó la velocidad máxima de una reacción velocidad máxima de una reacción catalizada por un enzima en términos de catalizada por un enzima en términos de la formación de un complejo Enzima-la formación de un complejo Enzima-Sustrato (ES) directo, a concentraciones Sustrato (ES) directo, a concentraciones de sustrato suficientemente elevadas, los de sustrato suficientemente elevadas, los centros catalíticos están ocupados por él, centros catalíticos están ocupados por él, y por lo tanto, la velocidad de reacción y por lo tanto, la velocidad de reacción alcanza un máximo. alcanza un máximo.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CARACTERÍSTICAS DE LOS CENTROS ACTIVOSCENTROS ACTIVOS

• El centro activo de una enzima es la El centro activo de una enzima es la región que une al sustrato y región que une al sustrato y contribuye con los residuos que contribuye con los residuos que participan directamente en la participan directamente en la producción y rotura de enlaces. producción y rotura de enlaces.

1.1. El centro activo supone una porción El centro activo supone una porción relativamente pequeña del volumen relativamente pequeña del volumen total de enzima. Casi todas las total de enzima. Casi todas las enzimas están constituidas por más enzimas están constituidas por más de 100a.a., una masa mayor a de 100a.a., una masa mayor a 10kdal y un diámetro mayor de 25Å 10kdal y un diámetro mayor de 25Å

2. El centro activo es una identidad 2. El centro activo es una identidad tridimensional compleja, compuesta tridimensional compleja, compuesta de grupos que proceden de de grupos que proceden de diferentes partes de la secuencia diferentes partes de la secuencia lineal de a.a. lineal de a.a.

3. Los sustratos se unen a las enzimas 3. Los sustratos se unen a las enzimas por fuerzas relativamente débiles.por fuerzas relativamente débiles.

• Los sitios Los sitios activos activos pueden pueden incluir incluir residuos residuos distantesdistantes

• Puentes de Puentes de Hidrógeno Hidrógeno entre una entre una enzima y un enzima y un sustratosustrato

4. Los centros activos son hoyos o 4. Los centros activos son hoyos o hendiduras que contienen varios hendiduras que contienen varios residuos polares que son esenciales residuos polares que son esenciales para la unión o catálisis. para la unión o catálisis.

5. La especificidad del enlace depende 5. La especificidad del enlace depende de la disposición exactamente definida de la disposición exactamente definida de los átomos del centro activo. de los átomos del centro activo.

Modelo Llave-Modelo Llave-CerraduraCerradura

Modelo del Ajuste Modelo del Ajuste InducidoInducido

• Los centros activos de algunas enzimas Los centros activos de algunas enzimas no son rígidos. La forma del centro activo no son rígidos. La forma del centro activo viene modificada por su unión al sustrato. viene modificada por su unión al sustrato.

• El centro activo tiene una forma El centro activo tiene una forma complementaria a la del sustrato complementaria a la del sustrato solamente después de que el sustrato solamente después de que el sustrato queda ligado.queda ligado.

Valores de la reacción HValores de la reacción H22OO22 H H22O + O + ½ O½ O22 a diferentes condiciones a diferentes condiciones experimentales. experimentales.

Condición Condición Kcal.molKcal.mol-1-1

Sin catalizadores Sin catalizadores 18 18

Con platino Coloidal Con platino Coloidal (Catalizador (Catalizador inorgánico) inorgánico)

13 13

Con la enzima Con la enzima Catalasa (peroxidasa) Catalasa (peroxidasa)

7 7

Clasificación de las enzimas de acuerdo a la Clasificación de las enzimas de acuerdo a la comisión de enzimas de la IUB. comisión de enzimas de la IUB. (Internacional Union of Biochemistry)(Internacional Union of Biochemistry) Grupo Grupo

NºNº Nombre Nombre

GenéricoGenérico Reacción-EjemploReacción-Ejemplo

11 Oxido – reductasas Oxido – reductasas Oxidación y reducción Oxidación y reducción

AHAH22 + B A + + B A + BHBH22

22 TransferasasTransferasas Transferencia de Transferencia de gruposgrupos

A–P + B A + B–A–P + B A + B–PP

33 HidrolasasHidrolasas HidrólisisHidrólisis

A – B + HA – B + H22O O

A –OH +B-H A –OH +B-H

Clasificación de las enzimas de acuerdo a la Clasificación de las enzimas de acuerdo a la comisión de enzimas de la IUB. comisión de enzimas de la IUB. (Internacional Union of Biochemistry)(Internacional Union of Biochemistry) Grupo Grupo

NºNº Nombre Nombre

GenéricoGenérico Reacción-EjemploReacción-Ejemplo

44 Liasas Liasas Adición a dobles Adición a dobles enlaces enlaces

55 IsomerasasIsomerasas IsomerizaciónIsomerización

enantiómero D enantiómero D enantiómero Lenantiómero L

66 Ligasas Ligasas Formación de nuevos Formación de nuevos enlaces con la enlaces con la ruptura de ATPruptura de ATP

A + B + ATP A + B + ATP

A – B + ADP + Pi A – B + ADP + Pi

C C + X2 C CX X

Clasificación internacional de las enzimas Clasificación internacional de las enzimas (denominaciones de las clases, números de (denominaciones de las clases, números de códigos, tipos de reacciones catalizadas.)códigos, tipos de reacciones catalizadas.)

1.1. Oxido – reductasas (Reacciones de Oxido – reductasas (Reacciones de oxido-reducción)oxido-reducción)1.11.1 actúan sobre actúan sobre CH – OHCH – OH

1.21.2 C = O C = O

1.31.3 C = C HC = C H

1.41.4 C H – N HC H – N H22

1.51.5 C H – N H C H – N H

1.61.6 actúan sobre actúan sobre NADH o NADPH NADH o NADPH

Oxido-reductasasOxido-reductasas

Clasificación internacional de las enzimas Clasificación internacional de las enzimas (denominaciones de las clases, números de (denominaciones de las clases, números de códigos, tipos de reacciones catalizadas.)códigos, tipos de reacciones catalizadas.)

2. Transferasas (Transferencia de 2. Transferasas (Transferencia de grupos funcionales) grupos funcionales)

2.1 Grupos de un átomo de carbono 2.1 Grupos de un átomo de carbono

2.2 Grupos aldehídicos o cetónicos 2.2 Grupos aldehídicos o cetónicos

2.3 Grupos acila2.3 Grupos acila

2.4 Grupos glucosilo2.4 Grupos glucosilo

2.5 Grupos fosfato2.5 Grupos fosfato

2.6 Grupos que contienen azufre2.6 Grupos que contienen azufre

TransferasaTransferasa

Clasificación internacional de las enzimas Clasificación internacional de las enzimas (denominaciones de las clases, números de (denominaciones de las clases, números de códigos, tipos de reacciones catalizadas.)códigos, tipos de reacciones catalizadas.)

3. Hidrolasas (Reacciones de hidrólisis)3. Hidrolasas (Reacciones de hidrólisis)

3.1 ésteres 3.1 ésteres

3.2 enlaces glucosídicos 3.2 enlaces glucosídicos

3.3 enlaces peptídicos3.3 enlaces peptídicos

3.4 otros enlaces C – N3.4 otros enlaces C – N

3.5 anhídridos de ácido3.5 anhídridos de ácido

HidrolasasHidrolasas

4. Liasas (adición a los dobles enlaces)4. Liasas (adición a los dobles enlaces)4.1 C = C4.1 C = C

4.2 C = O4.2 C = O

4.3 C = N4.3 C = N

5. Isomerasas (reacciones de 5. Isomerasas (reacciones de isomerización)isomerización)

5.1 racemasas5.1 racemasas

6. Ligasas (Formación de enlaces con 6. Ligasas (Formación de enlaces con escisión de ATP)escisión de ATP)

6.1 C – O6.1 C – O

6.2 C – S6.2 C – S

6.3 C – N6.3 C – N

6.4 C – C6.4 C – C

KM de algunas enzimas KM de algunas enzimas

Enzima y sustrato Enzima y sustrato KM (mn) KM (mn)

Catalasa Catalasa

H2O2H2O2 2525

Hexoquinasa Hexoquinasa

GlucosaGlucosa 0.150.15

FructosaFructosa 1.501.50

Quimotripsina Quimotripsina

N – BenzoiltirosinamidaN – Benzoiltirosinamida 2.52.5

N – Formiltirosinamida N – Formiltirosinamida 12.012.0

N - AcetiltirosinamidaN - Acetiltirosinamida 3232

Gliciltirosinamida Gliciltirosinamida 122122

Anhidrasa Carbónica Anhidrasa Carbónica 9.09.0

Glutamato –deshidrogenasaGlutamato –deshidrogenasa

Glutamato Glutamato 0.120.12

L. Cetoglurarato L. Cetoglurarato 2.0 2.0 NH NH44 57.057.0

Ejemplos de algunas enzimas que Ejemplos de algunas enzimas que contienen o requieren iones contienen o requieren iones metálicos como cofactores.metálicos como cofactores.

alcohol deshidrogenasa alcohol deshidrogenasa arginasaarginasa

anhidrasa carbónica anhidrasa carbónica Fosfotransferasas Fosfotransferasas carboxipeptidasa carboxipeptidasa

oo Tirosinasa Tirosinasa piruvato quinasa piruvato quinasa Citocromo oxidasaCitocromo oxidasa

2nZ

2Mn

uC

2uC KK++

Ejemplos de algunas enzimas que Ejemplos de algunas enzimas que contienen o requieren iones contienen o requieren iones metálicos como cofactores.metálicos como cofactores.

Fosfohidrolasas citocromosFosfohidrolasas citocromos Fosfotransferasas peroxidasas Fosfotransferasas peroxidasas ferredoxinaferredoxina

2Mg 2Fe

3Fe

Ejemplos de algunas Ejemplos de algunas coenzimascoenzimas con indicación de con indicación de su procedencia vitamínica y los grupos involucrados su procedencia vitamínica y los grupos involucrados en la reacción.en la reacción.

CoenzimCoenzima a

Vitamina Vitamina precursoraprecursora

Grupos involucrados Grupos involucrados

NAD+ o NAD+ o NADP+ NADP+

niacina o niacina o nicotinamida nicotinamida

átomo de hidrógeno átomo de hidrógeno (e-) (e-)

FAD o FAD o FMN FMN

riboflavina (B2) riboflavina (B2) átomo de hidrógeno átomo de hidrógeno (e-)(e-)

PirofosfatPirofosfato de o de

Tiamina Tiamina

Tiamina (B1) Tiamina (B1) aldehídos aldehídos R C H

O

Ejemplos de algunas Ejemplos de algunas coenzimascoenzimas con indicación de con indicación de su procedencia vitamínica y los grupos involucrados su procedencia vitamínica y los grupos involucrados en la reacción.en la reacción.

Coenzima Coenzima Vitamina Vitamina precursoraprecursora

Grupos involucrados Grupos involucrados

Fosfato de Fosfato de piridoxal piridoxal

piridoxina (B6) piridoxina (B6) amino –NHamino –NH22 o –NH o –NH33

Coenzima Coenzima A A

ácido ácido pantoténico pantoténico

acilo acilo

CobalaminCobalamina o a o

cobalamidcobalamida a

cobalamina (B12) cobalamina (B12) alquilo (grupo que alquilo (grupo que contiene átomos de C contiene átomos de C y H) y H)

R C H

O

Ejemplos de algunas Ejemplos de algunas coenzimascoenzimas con indicación de con indicación de su procedencia vitamínica y los grupos involucrados su procedencia vitamínica y los grupos involucrados en la reacción.en la reacción.

Coenzima Coenzima Vitamina Vitamina precursoraprecursora

Grupos involucrados Grupos involucrados

Biotina o Biotina o biocitina biocitina

biotina biotina carboxilo carboxilo

TetrahidrofolaTetrahidrofolato to

ácido fólico ácido fólico meril, mutilen, formil, meril, mutilen, formil, Formimino, etc.Formimino, etc.

C OH

O

R = Grupo alquilo que contiene átomos de Carbono e Hidrógeno

X = grupo diferente a un alquilo ó Hidrogeno

CINÉTICA DE LA CATÁLISIS CINÉTICA DE LA CATÁLISIS ENZIMÁTICAENZIMÁTICA

•Las enzimas aceleran las Las enzimas aceleran las reacciones por la disminución reacciones por la disminución de la energía libre de de la energía libre de activación. activación.

• Transcurso de la formación de un Transcurso de la formación de un complejo enzima-sustrato en función complejo enzima-sustrato en función del tiempo e iniciación del estado del tiempo e iniciación del estado estacionario, tal como se deduce de estacionario, tal como se deduce de la resolución por computador de los la resolución por computador de los datos obtenidos en un experimento datos obtenidos en un experimento real con una enzima típica. real con una enzima típica.

Números máximos de Números máximos de recambio de algunas enzimas recambio de algunas enzimas

Enzima Enzima Número de Número de recambio (por recambio (por segundo) segundo)

Anhidrasa Carbónica Anhidrasa Carbónica 600.000 600.000

Acetilcolinesterasa Acetilcolinesterasa 25.000 25.000

Penicilinasa Penicilinasa 2.000 2.000

Quimotripsina Quimotripsina 100 100

DNA polimerasa I DNA polimerasa I 1515

LisozimaLisozima 0.50.5

Diagrama de energía Diagrama de energía para una reacción para una reacción

químicaquímica

• Para muchas enzimas, la velocidad de Para muchas enzimas, la velocidad de catálisis (V), varía con la concentración de catálisis (V), varía con la concentración de sustrato [S], en la forma como muestra la sustrato [S], en la forma como muestra la figura. figura.

• A una determinada concentración de enzima, A una determinada concentración de enzima, la V es casi proporcional a [S] cuando la [S] la V es casi proporcional a [S] cuando la [S] es pequeña. Cuando la [S] es elevada, la V es es pequeña. Cuando la [S] es elevada, la V es prácticamente independiente de [S]. prácticamente independiente de [S].

• En 1913, Leonor Michaelis y Maud En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten hicieron la propuesta de Menten hicieron la propuesta de un modelo sencillo. un modelo sencillo.

E + S ES E + PE + S ES E + P

K1

K2

K3

• Una enzima se combina con S para formar Una enzima se combina con S para formar un complejo ES con una constante de un complejo ES con una constante de velocidad K1. velocidad K1.

• El complejo ES tiene dos destinos posibles:El complejo ES tiene dos destinos posibles:– Puede disociarse hasta E y S, con una Puede disociarse hasta E y S, con una

constante de velocidad Kconstante de velocidad K2;2; o o

– puede continuar hasta formar un producto P, puede continuar hasta formar un producto P, con una constante de velocidad Kcon una constante de velocidad K33..

• La velocidad catalítica La velocidad catalítica es igual al es igual al producto de la concentración del producto de la concentración del complejo ES por Kcomplejo ES por K3.3.

ESkV 3

• Las velocidades de formación y de Las velocidades de formación y de destrucción de ES vienen dadas por:destrucción de ES vienen dadas por:

Velocidad de formación de ES = Velocidad de formación de ES = (3)(3)

Velocidad de destrucción de ES = Velocidad de destrucción de ES = (4)(4)

SEk1

ESkk 32

• En el estado estacionario las En el estado estacionario las concentraciones de los concentraciones de los intermediarios permanecen intermediarios permanecen invariables y las concentraciones de invariables y las concentraciones de los materiales de partida y de los los materiales de partida y de los productos van cambiando.productos van cambiando.

• El Estado estacionario ocurre cuando El Estado estacionario ocurre cuando la velocidad de formación y de la velocidad de formación y de destrucción del complejo ES son destrucción del complejo ES son iguales.iguales.

• Igualando las ecuaciones (3) y (4) Igualando las ecuaciones (3) y (4) tenemos, tenemos,

ESkkSEk 321 (5)

• reagrupando la ecuación (5) reagrupando la ecuación (5)

132 / kkk

SEES

(6)

• KM KM denominada la denominada la constante de Michaelisconstante de Michaelis se define como : se define como :

1

32

KKK

KM (7)

• Sustituyendo en la ecuación (6), resulta Sustituyendo en la ecuación (6), resulta

MKSE

ES

• La concentración de sustrato no La concentración de sustrato no combinado [S] es casi igual a la combinado [S] es casi igual a la concentración total de sustrato, bajo concentración total de sustrato, bajo el el supuestosupuesto que la concentración de que la concentración de enzima es mucho más baja que la enzima es mucho más baja que la concentración de sustrato. concentración de sustrato.

• La concentración de La concentración de enzima no enzima no combinada [E], es combinada [E], es igual a la igual a la concentración total concentración total del enzima Edel enzima ETT ,menos ,menos la concentración de la concentración de la enzima formando la enzima formando parte del complejo parte del complejo ES. ES.

ESEE T (9)

• sustituyendo [E] en la ecuación (8) sustituyendo [E] en la ecuación (8) por esta expresión:por esta expresión:

M

T

K

SESEES

* (10)

• Reagrupando la ecuación (10) Reagrupando la ecuación (10)

M

MT KS

KSEES

/1

/

(11)

• O bien, O bien,

M

T KS

SEES

(12)

• Sustituyendo en la ecuación (2) por Sustituyendo en la ecuación (2) por esta expresión, obtenemos: esta expresión, obtenemos:

M

T KSS

EKV

3

• La velocidad máxima La velocidad máxima (V(Vmaxmax) se ) se

obtiene cuando los centros del obtiene cuando los centros del

enzima están saturados con sustrato. enzima están saturados con sustrato.

(cuando [S] es mucho mayor que K(cuando [S] es mucho mayor que KMM, ,

se aproxima a 1). se aproxima a 1).

MKS

S

• Entonces: Entonces:

TEKV 3 (14)

• Sustituyendo la ecuación (14) en la Sustituyendo la ecuación (14) en la ecuación (13) se obtiene la ecuación ecuación (13) se obtiene la ecuación de Michaelis–Menten. de Michaelis–Menten.

MKSS

VV

max(15)

• A concentraciones bajas de sustrato, A concentraciones bajas de sustrato,

cuando [S] es mucho menor que KM, cuando [S] es mucho menor que KM,

la velocidad de la reacción es la velocidad de la reacción es

directamente proporcional a la directamente proporcional a la

concentración del sustrato.concentración del sustrato.

MKVSV /max

• A concentraciones elevadas de A concentraciones elevadas de

sustrato, cuando la [S] es mucho sustrato, cuando la [S] es mucho

mayor que Kmayor que KMM, V=V, V=Vmaxmax. La velocidad . La velocidad

es independiente de la concentración es independiente de la concentración

del sustrato. del sustrato.

Dependencia de Velocidad vs. Dependencia de Velocidad vs. [S][S]

• El significado de KEl significado de KMM, es evidente en la , es evidente en la ecuación (15) cuando [S]= Kecuación (15) cuando [S]= KMM, entonces , entonces V=VV=Vmaxmax/2. /2.

• KKMM es aquella concentración de es aquella concentración de sustrato a la cual la velocidad de sustrato a la cual la velocidad de reacción se hace la mitad de su valor reacción se hace la mitad de su valor máximo.máximo.

KM de algunas enzimas KM de algunas enzimas

Enzima y sustrato Enzima y sustrato KM (mn) KM (mn)

Catalasa Catalasa

H2O2H2O2 2525

Hexoquinasa Hexoquinasa

GlucosaGlucosa 0.150.15

FructosaFructosa 1.501.50

Quimotripsina Quimotripsina

N – BenzoiltirosinamidaN – Benzoiltirosinamida 2.52.5

N – Formiltirosinamida N – Formiltirosinamida 12.012.0

N - AcetiltirosinamidaN - Acetiltirosinamida 3232

Gliciltirosinamida Gliciltirosinamida 122122

Anhidrasa Carbónica Anhidrasa Carbónica 9.09.0

Glutamato –deshidrogenasaGlutamato –deshidrogenasa

Glutamato Glutamato 0.120.12

L. Cetoglurarato L. Cetoglurarato 2.0 2.0 NH NH44 57.057.0

Números máximos de Números máximos de recambio de algunas enzimas recambio de algunas enzimas

Enzima Enzima Número de Número de recambio (por recambio (por segundo) segundo)

Anhidrasa Carbónica Anhidrasa Carbónica 600.000 600.000

Acetilcolinesterasa Acetilcolinesterasa 25.000 25.000

Penicilinasa Penicilinasa 2.000 2.000

Quimotripsina Quimotripsina 100 100

DNA polimerasa I DNA polimerasa I 1515

LisozimaLisozima 0.50.5

• Es conveniente transformar la Es conveniente transformar la ecuación de Michaelis –Menten en ecuación de Michaelis –Menten en otra que, representada gráficamente, otra que, representada gráficamente, resulte una línea recta. resulte una línea recta.

Representación de Lineweaver-Representación de Lineweaver-Burk: Burk:

1/v contra 1/(s)1/v contra 1/(s)

Representación de Eadie-Representación de Eadie-Hofstee: Hofstee:

v contra v/(s)v contra v/(s)

Significado de los valores de KSignificado de los valores de KMM y V y Vmaxmax. .

• La constante de Michaelis, KLa constante de Michaelis, KMM, tiene dos , tiene dos significados:significados:

1.1. La KLa KMM es la concentración de sustrato a la es la concentración de sustrato a la cual la mitad de los centros activos están cual la mitad de los centros activos están ocupados. Una vez conocida Kocupados. Una vez conocida KMM , , la la fracción de centros llenos fracción de centros llenos (f(fESES),), a cualquier a cualquier concentración de sustrato puede concentración de sustrato puede calcularse a partir decalcularse a partir de

M

ES KSS

VV

f

max

(17)

2.2. K KMM se relacionan con la constante de se relacionan con la constante de velocidad de las etapas velocidad de las etapas individuales, en el esquema individuales, en el esquema catalítico de la ecuación (1).catalítico de la ecuación (1).

KKMM se define como: K se define como: KMM = (K = (K22 + K + K33)K)K11 . . Considerando KConsiderando K22 > K > K33 . .

1

2

K

KKM (18)

• La constante de disociación del La constante de disociación del complejo ES viene dada por: complejo ES viene dada por:

1

2.

K

K

ES

SEK ES (19)

• KKMM es igual a la constante de es igual a la constante de disociación del complejo ES, si Kdisociación del complejo ES, si K33 es es mucho menor que Kmucho menor que K22..

• KKMM es la medida de la estabilidad del es la medida de la estabilidad del complejo ES. Una Kcomplejo ES. Una KMM alta indica unión alta indica unión débil, una Kdébil, una KMM baja indica unión fuerte. baja indica unión fuerte.

• La velocidad máxima, VLa velocidad máxima, Vmaxmax, revela el , revela el número de recambio de una enzima número de recambio de una enzima “Turnover number”, cuando se conoce “Turnover number”, cuando se conoce la concentración de centros activos , la concentración de centros activos , porque porque

TEKV 3max (20)

• La constante cinética KLa constante cinética K33 se denomina se denomina número de recambio. número de recambio.

• El número de recambio de una enzima El número de recambio de una enzima es el número de moléculas de sustrato es el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de convertidas en producto por unidad de tiempo, cuando la enzima está tiempo, cuando la enzima está completamente saturada de sustrato.completamente saturada de sustrato.

Valores de la KValores de la KMM de algunas de algunas enzimasenzimas

Enzima Enzima SustratoSustrato KM KM

Quimotripsina Quimotripsina Acetil –L-Triptofanamida Acetil –L-Triptofanamida 5 x 105 x 10--

33MM

Lisozima Lisozima Hexa –N- Acetilylucosamina Hexa –N- Acetilylucosamina 6 X 106 X 10-6-6M M

-Galactosidasa Lactosa -Galactosidasa Lactosa 4 x 104 x 10-3-3MM

Treonina desaminasa Treonina Treonina desaminasa Treonina 5 X 105 X 10-3-3MM

Anhidrasa Carbónica COAnhidrasa Carbónica CO22 8 X 108 X 10-3-3MM

Penicilinasa Penicilinasa Bencilpenicinina Bencilpenicinina 5 X 105 X 10-5-5MM

Piruvato Carboxilasa Piruvato Piruvato Carboxilasa Piruvato 4 X 104 X 10-4-4MM

Valores de la KValores de la KMM de algunas de algunas enzimasenzimas

Enzima Enzima SustratoSustrato KM KM

Piruvato Carboxilasa Piruvato Carboxilasa HCOHCO33-- 1x101x10-3-3MM

ATP ATP 6x106x10-5-5MM

Arginina –ERNA-Arginina –ERNA- Arginina Arginina 3x103x10-6-6MM

Sintetasa Sintetasa ERNAERNA

4x104x10-7-7MM

ATP ATP 3x103x10-4-4MM

Números de recambio máximo Números de recambio máximo de algunas enzimas. de algunas enzimas. Enzimas Enzimas Número de recambio (por segundo)Número de recambio (por segundo)

Anhidrasa Carbónica Anhidrasa Carbónica 600.000600.000

3 – Cestosteroide isomerasa 3 – Cestosteroide isomerasa 280.000280.000

Acetilcolinesterasa Acetilcolinesterasa 25.00025.000

Penicilinasa Penicilinasa 2.0002.000

Lactosa deshidrogenasa Lactosa deshidrogenasa 1.0001.000

QuimotripsinaQuimotripsina 100100

DNA polimerasa IDNA polimerasa I 1515

Triptófano sintetasa Triptófano sintetasa 22

Lisozima Lisozima 0.50.5