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• Los enzimas son proteínas que catalizan reaccionesquímicas en los seres vivos.
• Los enzimas son catalizadores, es decir, sustanciasque, sin consumirse en una reacción, aumentannotablemente su velocidad.
• No hacen factibles las reacciones imposibles, sinoque solamente aceleran las que espontáneamentepodrían producirse.
• Ello hace posible que en condiciones fisiológicastengan lugar reacciones que sin catalizadorrequerirían condiciones extremas de presión,temperatura o pH.
1. Características generales
2. Características de la enzima
• Proteínas altamente especializadas comocatalizadores.
• Macromoléculas.
• Son muy específicas respecto a sus sustratos.
• Funcionan en solución acuosa en condicioneslimitadas de temperatura y pH.
• Su actividad depende de la integridad de suconformación.
• Hay enzimas que requieren de un grupo químicoadicional llamado cofactor o coenzima.
• Son sustancias no proteicas, requeridos a veces poruna enzima para su función, puesto que colaboranen la catálisis.
• Los cofactores pueden ser iones inorgánicos comoel Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un tercio de losenzimas conocidas requieren cofactores.
• Cuando se trata de una molécula orgánica se llamacoenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizana partir de vitaminas.
• Cuando los cofactores y las coenzimas seencuentran unidos covalentemente a la enzima, sellaman grupos prostéticos.
Cofactores y Coenzimas
PROTEÍNA
cofactor
coenzima
apoenzima o apoproteína grupo prostético
HOLOENZIMA
O
PROTEINA CONJUGADA
Molécula de hemoglobina (proteína que transporta
oxígeno) y su coenzima (el grupo hemo).
3. Nomenclatura de las enzimas
Hay varias formas mediante las cuales se asigna un
nombre a un enzima:
• nombres particulares
Estos eran asignados por su descubridor. Al ir
aumentando el número de enzimas conocidos, se
hizo necesaria una nomenclatura sistemática que
informara sobre la acción específica de cada enzima
y los sustratos sobre los que actuaba.
• nombre sistemático
El nombre sistemático de un enzima constaactualmente de 3 partes:
1.- el sustrato preferente
2.- el tipo de reacción realizado
3.- terminación "asa"
Un ejemplo sería la glucosa fosfatoisomerasa que cataliza la isomerización de la
glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.
• código de la comisión enzimática (enzyme
comission)
El nombre de cada enzima puede ser identificado
por un código numérico, encabezado por las letras
EC (enzyme commission), seguidas de cuatro
números separados por puntos. El primer número
indica a cual de las seis clases pertenece la enzima,
el segundo se refiere a distintas subclases dentro de
cada grupo, el tercero y el cuarto se refieren a los
grupos químicos específicos que intervienen en la
reacción.
4. Clasificación de las enzimas
CLASIFICACION INTERNACIONAL DE LAS ENZIMAS
OXIDORREDUCTASAS TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ( iones hidruro o átomos de hidrogeno
TRANSFERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS HIDROLASAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS
LIASAS ADICION DE GRUPOS A DOBLES ENLACES FORMACION DE DOBLES ENLACES
ISOMERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS DENTRO DE UNA MOLECULA
LIGASAS FORMACION DE ENLACES ( C-C // C-S // C-O// C-N) MEDIANTE REACCIONES ACOPLADAS DE ATP
5. Sitio Activo
• La reacción catalizada enzimáticamente tiene lugaren una zona de la enzima denominada sitio activo yla molécula que es fijada en el sitio activo y sobre lacual actúa la enzima se denomina sustrato
• El sitio activo comprende
(1) un sitio de unión formado por los aminoácidosque están en contacto directo con el sustrato
(2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidosdirectamente implicados en el mecanismo de lareacción
Para que una reacción química tenga lugar, lasmoléculas de los reactantes deben chocar con unaenergía y una orientación adecuada.
La actuación de la enzima permite:
• que los reactantes (sustratos) se unan a su sitioactivo con una orientación óptima para que lareacción se produzca y
• modifica las propiedades químicas del sustratounido a su sitio activo, debilitando los enlacesexistentes y facilitando la formación de otrosnuevos.
6. Mecanismo de acción enzimática
Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato
se une al sitio activo de la enzima:
• el modelo llave-cerradura
Este supone que la estructura del sustrato y la del
sitio activo son complementarias, de la misma forma
que una llave encaja en una cerradura. Este modelo
es válido en muchos casos, pero no es siempre
correcto.
• el modelo del ajuste inducido
En algunos casos, el sitio activo adopta la
conformación idónea sólo en presencia del sustrato.
La unión del sustrato al sitio activo de la enzima
desencadena un cambio conformacional que da
lugar a la formación del producto.
7. Comportamiento cinético de las enzimas
• En las reacciones espontáneas, los productos
finales tienen menos energía libre de Gibbs (ΔG) que
los reactantes. Por tanto, en las reacciones
espontáneas se libera energía de Gibbs (ΔG<0).
• Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere un
aporte inicial de energía. Esta energía inicial que hay
que suministrar a los reactantes para que la
reacción transcurra se llama energía de activación
(Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmente
transcurre la reacción.
• La acción de los catalizadores consiste,
precisamente, en disminuir la Ea. Los enzimas son
catalizadores especialmente eficaces, ya que
disminuyen la Ea aún más que los catalizadores
inorgánicos.
• Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada
(H2O2) para dar H2O y O2 puede ocurrir sin
catalizador, con un catalizador inorgánico (platino),
o con un enzima específica (catalasa). Las
respectivas Ea para cada proceso son 18, 12 y 6
Kcal/mol.
La energía requerida para disminuir la
energía de activación proviene
generalmente de las interacciones débiles
no covalentes entre sustrato y enzima
la formación del ES viene
acompañada de una pequeña liberación de
energía libre
ENERGÍA DE FIJACIÓN
Es la principal fuente de energía libre para
disminuir la energía de activación de las
reacciones
LOS GRUPOS CATÁLITICOS DE UNA
ENZIMA( CADENAS LATERALES DE LOS
AMINOACIDOS, IONES, COENZIMAS)
Pueden interactuar de manera
transitoria con un sustrato activándolo
Disminuyen la energía de activación
de una reacción al proporcionar una
ruta alternativa de menor energía
Ejemplo:
8. Actividad enzimática
• La actividad de una enzima se determina midiendo lacantidad producto formado (o de sustratoconsumido) por unidad de tiempo.
• Una molécula de enzima no tiene por qué actuarsiempre a la misma velocidad. Su actividad puedeestar modulada por:a) Concentración de enzima
b) Concentración sustrato
c) Temperatura
d) pH
e) Inhibidores
a) Concentración de enzima
• La actividad enzimática es directamente
proporcional a la concentración de la enzima,
cuando se mantienen los otros factores ambientales
constantes (temperatura y pH).
b) Concentración de sustrato
• Uno de los factores clave que afectan a la velocidad
de una reacción catalizada por una enzima es la
cantidad de sustrato presente, [S].
• La forma hiperbólica de esta curva se puedeexpresar algebraicamente mediante la ecuación deMichaelis- Menten:
• donde
Vmax = Velocidad máxima
Vo = Velocidad inicial
[S] = Concentración del sustrato
Km = Constante de Michaelis-Menten
SKm
S*max
V
oV
• Esta ecuación se puede transformar a una forma
más útil de representar los datos experimentales, la
ecuación denominada ecuación de Lineweaver-Burk
• Para las enzimas que obedecen la relación de
Michaelis-Menten la gráfica de 1/Vo frente a 1/[S] da
una línea recta
max
V
1
S
1*
maxV
Km
oV
1
• Para poder comparar una enzima con otra en cuanto
a su poder catalítico debe estandarizarse al estado
estacionario
• En el estado estacionario la velocidad de formación
y desaparición del complejo ES se igualan.
• Se establece que Km = (k-1+k2)/k1
↔ES
k1
k-1
K2
S + E E+P
Km UN PARÁMETRO CINÉTICO IMPORTANTE
• Km es una relación de constantes de velocidad para
una determinada reacción.
• Km es la concentración de sustrato para la cual la
velocidad de reacción es la mitad de la velocidad
máxima. En efecto, si Km = [S], la ecuación de
Michaelis-Menten se reduce a: v = Vmax/2.
• El valor de Km da idea de la afinidad de la enzima
por el sustrato: A menor Km, mayor afinidad de la
enzima por el sustrato, y a mayor Km, menor
afinidad.
c) Temperatura
• En las reacciones catalizadas por enzimas losaumentos de temperatura aceleran las reacciones.Sin embargo, al ser proteínas, a partir de ciertatemperatura, se empiezan a desnaturalizar por elcalor. La temperatura a la cual la actividad catalíticaes máxima se llama temperatura óptima.
d) pH
• Los enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH;
amino -NH2; tiol -SH, etc.) en las cadenas laterales de sus
aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener
carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de
las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH
en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad
catalítica. Este es el llamado pH óptimo.
d) Inhibidores
1.- Inhibidores Irreversibles
• Unión covalente entre un compuesto y la enzima.
• Este se une de manera irreversible al sitio activo dela enzima.
• Casi todos los inhibidores son sustancias tóxicasnaturales o sintéticas, tales como:
• Cianuro
• Sarín
• Penicilina
2.- Inhibidores reversibles
• Unión no covalente entre un compuesto y la enzima.
• El compuesto inhibidor puede unirse al sitio activode la enzima o en otro sitio dejando libre el sitioactivo.
• Este tipo de inhibidores pueden ser:
• Competitivo
• No competitivo
INHIBICION REVERSIBLE
Competitiva No competitiva
El inhibidor compite con el
sustrato por el sitio activo de la
enzima
El inhibidor se fija a un sitio distinto
al sitio activo
Impide la formación del complejo
enzima- sustrato
No se bloquea la formación del
complejo enzima-sustrato
Competitiva No competitiva
El inhibidor se parece al sustrato y
puede formar el complejo
enzima-inhibidor
El inhibidor no se parece al
sustrato
Impide la formación del complejo
enzima- sustrato
No se bloquea la formación del
complejo enzima-sustrato
La enzima no puede unirse al
sustrato
La enzima se inactiva al unirse al
inhibidor estando o no unido el
sustrato
Puede anularse el efecto del
inhibidor aumentando la
concentración de enzima
No se puede anular el efecto con
el aumento del sustrato
Si aumenta la concentración de
sustrato, se minimiza la
probabilidad que se forme el
complejo enzima-inhibidor
El inhibidor disminuye la
concentración de enzima
La velocidad máxima de la
reacción es norma
Por lo tanto disminuye la
velocidad máxima
Aumenta Km
No tiene efecto sobre Km
1/V
1/S
inhibidor
Sin inhibidor
1/ Vmax
-1/ Km
1/V
1/S
inhibidor
Sin inhibidor 1/ Vmax
-1/ Km
9. Regulación de la actividad enzimática
• Dentro de las células se llevan a cabo infinidad de
procesos metabólicos, todos ellos relacionados
entre sí, de manera que deben estar controlados en
forma precisa.
• Para lograr esta coordinación metabólica es preciso
disponer de mecanismos de control o regulación
adecuados (enzimas reguladoras).
• Existen distintos tipos de mecanismos
regulatorios de la actividad enzimática:
a) Control a nivel de sustrato
b) Inhibición por retroalimentación
c) Moduladores alostéricos
d) Regulación por modificación covalente
e) Regulación genética
a) Control a nivel de sustrato
• Parte de la regulación enzimática se produce de una
forma sencilla, mediante la interacción directa de los
sustratos y los productos de cada reacción
catalizada enzimáticamente con la propia enzima.
• Sin embargo, el control a nivel de sustrato no es
suficiente para la regulación de muchas rutas
metabólicas.
b) Inhibición por retroalimentación
• Las enzimas suelen estar dispuestas en “líneas de
ensamblaje” para llevar a cabo los pasos
secuenciales necesarios en una ruta metabólica.
• Generalmente en estos casos el producto de la
última reacción de la vía metabólica, actúa
inhibiendo a las enzimas que intervienen en los
primeros pasos, retroalimentación negativa.
El producto final es un
inhibidor de la enzima
reguladora, la cual
cataliza la primera etapa
comprometida.
c) Moduladores alostéricos
• Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimasalostéricas, que son enzimas que por lo generaltienen estructura cuaternaria y además del sitioactivo poseen otros capaces de reconocer efectoreso moduladores, que se denomina sitios alostéricos.
• Las enzimas alostéricas son proteínas con múltiplessubunidades, con múltiples lugares activos (sitiosactivos y sitios alostéricos)
• Presentan cooperatividad de unión del sustrato(homoaloterismo) y una regulación de su actividadpor otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).
• La principal ventaja del control alostérico seencuentra en los efectores heteroalostéricos, quepueden ser inhibidores o activadores.
• Los moduladores alostéricos se fijan de forma nocovalente a las enzimas que regulan.
d) Por modificación covalente
• Algunas enzimas están totalmente inactivas hastaque la altera una modificación covalente.
• La enzima se une covalentemente a algún grupoquímico y de esta forma se activa o se inactiva laenzima.
• El grupo que más frecuentemente interviene en estetipo de regulación es el grupo fosfato (P)(fosforilación y desfosforilación )
• Otro tipo de activación enzimática covalente es laruptura proteolítica.
• Pertenecen a este grupo la tripsina, quimotripsina, laelastasa y la carboxipeptidasa.
• Todas se sintetizan en el páncreas en su formainactiva, moléculas ligeramente más grandes,cataliticamente inactivas, denominadas zimógenos.
• Los zimógenos deben romperse proteolíticamenteen el intestino para producir las enzimas activas.
• Estas enzimas se degradan tras haber cumplido susfines, por lo que no ponen en peligro el tejidointestinal.
e) Regulación genética
• Involucra el control a nivel del ADN.
• El ADN es la molécula que almacena la informaciónpara la síntesis de proteínas de acuerdo al siguienteflujo de información:
• De manera que si podemos impedir el pasaje de ADNa ARNm (transcripción) impedimos la síntesis de laenzima y por ende no se catalizará la reacción en laque dicha enzima interviene.
