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TEMA 7

ENZIMOLOGÍA

Tema 7.- Enzimología

A.- Concepto de catálisis

B.- Los enzimas como biocatalizadores: características de la actividad enzimática

C.-Mecanismo de la actividad enzimática

-Concepto de centro activo

D.-Cinética de las reacciones catalizadas enzimáticamente: cinética de Michaelis-Menten

E.- Factores que afectan la actividad enzimática

Factores Físico-químicos

Inhibición enzimática

Regulación de la actividad enzimática

F.- Cofactores: Coenzimas y vitaminas

Ene

rgía

lib

re G

Transcurso de la reacción

Estado

inicial Estado

final

Estado de transición

Energía de

activación

Reacción exotérmica o exergónica

Estas reacciones son espontáneas


Los catalizadores reducen la energía de activación

Transcurso de la reacción

Ene

rgía

lib

re G

Estado de transición

Estado

final

Estado

inicial

Sin catalizar

Reacción

catalizada


Muchas enzimas necesitan un cofactor enzimático

HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR


Ap

oen

zim

a

Ap

oe

nzi

ma

Ap

oen

zim

a

Algunos elementos metálicos que actúan como cofactores enzimáticos

COFACTORES METÁLICOS


En otros casos el cofactor es de naturaleza orgánica compleja..

En este caso reciben el nombre de coenzimas

NAD FAD

Coenzima A


Un mismo cofactor puede ser utilizado por diferentes enzimas…


La base de la actividad de los enzimas es la unión específica de la enzima con el sustrato

Esta unión tiene lugar en el Centro activo del enzima.

ENZIMA

COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO

SUSTRATO

COFACTOR

NADP+


Mecanismo de la actividad enzimática

El proceso de la unión enzima sustrato es de tipo llave-cerradura


Hipótesis del encaje inducido




El sustrato entra en el centro

activo del enzima

La enzima abraza el sustrato formando un

encaje inducido


Hexoquinasa

Glucosa


Los aminoácidos del centro activo tienen que conformar un entorno apropiado para la unión del sustrato y para la catálisis

Centro activo de la quimotripsina

Sustrato

Sitio de unión

Sitio catalítico


E + S [E-S] E + P

Cinética de las reacciones catalizadas enzimaticamente: cinética de Michaelis-Menten

Si estudiamos la cinética de una reacción catalizada enzimaticamente…

En la cinética más sencilla consideramos un único sustrato, y la concentración de enzima es constante

Si representamos la velocidad de la reacción frente a la concentración de sustrato…

K1 K3

K2


Concentración de sustrato [S] mM

Ve

loci

dad

de

re

acci

ón

mM

de

pro

du

cto

/min

Con altas [S] la cinética es de orden O

Con bajas [S] la cinética es de orden 1


Concentración de sustrato [S] mM

Ve

loci

dad

de

re

acci

ón

mM

de

pro

du

cto

/min

Enzima saturada


Cinética de Michaelis-Menten

La expresión matemática de la velocidad de reacción y de la Km son:

La Km, o constante de Michaelis-Menten, es un parámetro cinético muy importante para comparar las actividades enzimáticas


Cinética de Michaelis-Menten

La Km nos indica, aproximadamente, la afinidad del enzima por el sustrato.

Puesto que es un valor de [S]…

►↓Km alta afinidad del enzima por el sustrato

►↑Km baja afinidad del enzima por el sustrato


Km para algunas enzimas y sustratos

Enzima Sustrato


Hexoquinasa

Glucosa Glucosa 6 fosfato


La hexoquinasa es una enzima que puede unirse a dos sustratos: la glucosa o la fructosa. Catalizando la reacción de fosforilación

Hexoquinasa

Fructosa Fructosa 6 fosfato

Km para algunas enzimas y sustratos

Enzima Sustrato

La hexoquinasa de cerebro requiere una concentración 30 veces mayor de fructosa que de glucosa para catalizar la reacción


Apéndice: clasificación de las enzimas


Las enzimas se clasifican de acuerdo a la reacción que catalizan …

Nº CLASE TIPO DE REACCIÓN CATALIZADA

1 OXIDOREDUTASAS Reacciones de transferencia de electrones (redox)

2 TRANSFERASAS Reacciones de transferencia de grupos funcionales

3 HIDROLASAS Reacciones de hidrólisis: ruptura de enlaces

4 LIASAS Reacciones de adición de grupos a dobles enlaces o de formación de estos por eliminación de grupos funcionales

5 ISOMERASAS Reacción de conversión de una molécula en un isómero

6 LIGASAS Reacción de formación de enlaces por reacciones de condensación acopladas a ATP

Las enzimas son muy sensibles a ciertos factores que pueden modificar su funcionamiento. Los vamos a agrupar en…

►Factores Físico-químicos

►Inhibición enzimática

►Mecanismos de regulación de la actividad enzimática


Factores que afectan la actividad enzimática

TEMPERATURA. La mayoría de las enzimas trabajan a temperaturas óptimas entre 20 y 37ºC.

Act

ivid

ad e

nzi

mát

ica

Temperatura (Cº)

20-37º C 4º C 60º C

¡Desnaturalización!


Factores físico-químicos

El pH óptimo suele estar en el entorno de la neutralidad. Pero hay enzimas que trabajan a pH ácido, como la pepsina, y otras a pH básico como la tripsina o la fosfatasa alcalina

Act

ivid

ad e

nzi

mát

ica

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH

Amilasa salivar Pepsina

Fosfatasa alcalina


CONCENTRACIÓN SALINA DEL MEDIO

La cantidad de sales presentes en el medio celular puede influir en la actividad de algunas enzimas

K+

Na+

K+ Ca2+

Cl-

HCO3- HCO3

-

HCO3-

Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

Ca2+ Ca2+

Cl-

Cl-

Cl-


Los inhibidores son sustancias químicas que impiden la catálisis.

Hay varios tipos de inhibición enzimática. Los dos más comunes son:

Inhibición irreversible: el inhibidor se une covalentemente al centro activo del enzima bloqueándolo. Es permanente.

Inhibición reversible: la enzima puede volver al estado inicial.

El tipo más común de este tipo es la inhibición competitiva


Inhibición enzimática

INHIBICIÓN COMPETITIVA

Los inhibidores competitivos tienen una semejanza estructural con el sustrato


3

Etilenglicol Etanol

El etilenglicol es un inhibidor competitivo de la enzima alcohol deshidrogenasa

El método más simple y eficaz para contrarrestar la intoxicación es la administración del sustrato natural de la alcoholdeshidrogenasa: el etanol


ALOSTERISMO

EFECTOR ALOSTÉRICO POSITIVO

Efector alostérico negativo Efector alostérico positivo


ALOSTERISMO

EFECTOR ALOSTÉRICO POSITIVO

Efector alostérico negativo


Los efectores alostéricos normalmente actúan modificando la Km de los enzimas

Modulación positiva

Modulación negativa

Disminuye la Km: aumenta la afinidad

Aumenta la Km: disminuye la afinidad



Treonina deshidratasa

El producto final puede actuar como un efector alostérico negativo de la primera enzima de la ruta metabólica Cuando disminuya la concentración del producto final esta inhibición cesa y vuelve a activarse esta secuencia de reacciones

COMPARTIMENTACIÓN CELULAR

Muchas de las reacciones celulares ocurren en un orgánulo aisladas del entorno para mantener ciertas condiciones y mejorar el rendimiento.

En el lisosoma el pH es menor de 5

Lisosoma fundiéndose con vesículas cubiertas. (Imagen de M.E. de barrido)


FORMACIÓN DE COMPLEJOS MULTIENZIMÁTICOS

Complejo multienzimático

mitocondrial



La glucógeno sintasa es la enzima que fabrica el glucógeno

Cuando es fosforilada por una PKA pasa a una forma inactiva

REGULACIÓN MEDIANTE MODIFICACIÓN COVALENTE

La glucosa 6 fosfato isomerasa presenta dos formas isoenzimáticas:

▪Glucosa 6 P isomerasa de músculo Km= 700 μM ▪Glucosa 6 P isomerasa de cerebro

Km= 210 μM

La concentración fisiológica de glucosa en el cerebro es 130 μM y en músculo 450 μM


EJEMPLO DE REGULACIÓN MEDIANTE DIFERENTES ISOENZIMAS

Comparación entre las isoenzimas glucosa 6 fosfato isomerasa de cerebro y músculo

Glucosa 6P isomerasa de cerebro

Km= 210 mM

V M

ole

s/m

in

[S] mM Km= 700 mM

Glucosa 6 P isomerasa de músculo

[glucosa] en cerebro 130 mM

[glucosa] en músculo 450 mM


PROENZIMAS

Algunas enzimas son sintetizadas como proenzimas o zimógenos, y requieren un tratamiento de hidrólisis para ser activas.

PEPSINÓGENO (inactivo)

PEPSINA (activa)

Peptidasas intestinales

7 aminoácidos


CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA


►VITAMINAS HIDROSOLUBLES

VITAMINA C (ÁCIDO ASCÓRBICO) Interviene en el metabolismo del colágeno.

Las necesidades medias oscilan entre 40 y 60 mg al día. La avitaminosis produce el escorbuto


VITAMINA B1 (TIAMINA): interviene en el metabolismo de la glucosa y de los ácidos nucleicos.

Los adultos requieren 1-1.5 mg día, su carencia produce el Beri-Beri . Ciertos alimentos como algunos pescados y cereales aportan tiaminasa que impide su absorción


VITAMINA B2 (RIBOFLAVINA): Relacionada con el coenzima FAD una coenzima de oxidación-reducción muy común (flavoproteínas)

Los adultos requieren 1.3-1.8 mg día, su carencia provoca múltiples síntomas.

FAD:


VITAMINA B3 (NIACINA O FACTOR PP) Relacionada con el coenzima NAD. Tiene muchos efectos y su carencia afecta a órganos con gran actividad metabólica. Los adultos necesitan 15 a 20 mg diarios

La avitaminosis produce la Pelagra, con tres síntomas característicos: Dermatitis, Diarrea, Demencia.

NAD:

Niacina/ ácido nicotínico


VITAMINA B5 (ÁCIDO PANTOTÉNICO) relacionada con el Coenzima A, un transportador de grupos acilo. Es una vitamina ampliamente distribuida cuya carencia es rara pero muy grave (3- 7mg/día).

Coenzima A


VITAMINA B6. Son cuatro sustancias activas las que se agrupan bajo este nombre. El fosfato de piridoxal es un coenzima que interviene en el metabolismo de los aminoácidos.

Los adultos necesitamos de 1,6 a 2 mg/día. Su carencia no es común y produce síntomas poco definidos de tipo neurológico, debilidad, anemia…


Vitamina B8 (Biotina) Relacionada con la Biocitina Tiene efectos muy importantes en el metabolismo de los ácidos grasos.

Su deficiencia es rara, está ampliamente distribuida y además puede que la produzca nuestra flora intestinal. Un adulto requiere entre 30 y 200 μg/día.

La Avidina de la clara de huevo impide su absorción intestinal

Biotina


Vitamina B9 (Ácido fólico)

Forma parte del tetrahidrofolato que interviene en el metabolismo de las bases nitrogenadas.

Son necesarios de 180 a 200 μg/día. La carencia de esta sustancia afecta a muchos órganos produciendo anemias, debilidad…

Ácido fólico


VITAMINA B12

(CIANOCOBALAMINA)

Relacionada con el enzima adenosil cobalamina. Su carencia produce anemia y síntomas neurológicos.

Las necesidades diarias son de 1 a 2 μg

Esta vitamina no se encuentra en productos vegetales.


►VITAMINAS LIPOSOLUBLES VITAMINA A. Son un grupo de sustancias (retinol, retinal, ácido retinoico…) que derivan de las provitaminas A: los α y β Carotenos. Requerimos 0.1 a 1 mg/día

β Caroteno


VITAMINA D

Las sustancias que conocemos como tal son dos: Ergocalciferol (Vit D2) y Colecalciferol (Vit D3)

Proceden de dos sustancias el Ergosterol (vegetal) y el Deshidrocolesterol (animal) que por acción de la luz ultravioleta se convierten en la sustancia activa

Ergocalciferol Colecalciferol


La vitamina D Intervienen en el metabolismo del Calcio y es por tanto una de las vitaminas más importantes

Un adulto requiere 2.5 μg/día y un niño cuatro veces más (10 μg/día ). Su carencia produce el raquitismo y la osteomalacia

Niño con raquitismo y 14 meses después del tratamiento con Vitamina D


VITAMINA E

Hay varias sustancias con este efecto vitamínico. Es una vitamina con efecto antioxidante.

De origen exclusivamente vegetal.

Rara vez se produce la avitaminosis. Un adulto requiere entre 8 y 10 mg/día de αTocoferol


Vitamina K

Hay tres grupos de sustancias con actividad vitamina K.

Tiene efecto antihemorrágico.

Esta vitamina se absorbe en el intestino grueso donde es producida por la flora intestinal.


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