Tema 4 enzimas

Enzimas

CONCEPTO Y CARACTERÍSTICAS

Actividad de los catalizadores

Para que una reacción química se lleve a cabo, las moléculas deben alcanzar un estado energético determinado (energía de activación).

Puede conseguirse esta energía, de dos formas:Con energía externa

Temperatura. Agitando.Con radiaciones.Descargas eléctricas.

Actividad de los catalizadores

Con catalizadores.

Los catalizadores rebajan la energía de activación necesaria para que se lleven a cabo las reacciones.

Facilitan el encuentro de los sustratos y las roturas y formaciones de enlaces para dar los productos

En los seres vivos no se pueden emplear las energías externas y se utilizan catalizadores que hacen que la reacción se lleve a cabo con mucha menos energía.

Tipos de catalizadoresNo biológicos.

Actúan fuera de los seres vivosSuelen ser iones o elementos químicos que catalizan reacciones en laboratorio o en el medio ambiente, fuera de seres vivos.

Biológicos. Son los que actúan en el interior de los seres vivos y son los enzimas.Los enzimas son moléculas proteicas con actividad catalítica.La catálisis es el proceso de aceleración de una reacción química.

Tipos de catalizadores

Las reacciones en los seres vivos

Las transformaciones que se producen en los seres vivos se basan en una serie de reacciones químicas llamadas metabolismo.Se producen de forma ordenada y a muy alta velocidad gracias a la acción de los enzimas.

Enzimas: conceptoSon proteínas que actúan como

biocatalizadores:Rebajan la energía de activación que necesita la reacción que regulan con lo que:

Aumentan la velocidad de la reacción que catalizan.

La velocidad de una reacción se mide por la cantidad de producto que se obtiene por unidad de tiempo.

Enzimas: característicasLas enzimas cumplen las dos características propias de los catalizadores

Aceleran las reacciones con lo que se puede conseguir la misma cantidad de producto en menos tiempo, incluso con poca enzima.No se consumen durante la reacción con lo que al final de la misma, hay idéntica cantidad de enzima que al principio

Enzimas: característicasGráfica de la energía de activación

De igual forma, para acelerar una reacción química se pueden calentar los reactivos o añadir un catalizador, es decir, una sustancia que disminuya la energía de activación necesaria para llegar al estado de transición.

Para lanzar en poco tiempo muchos objetos por la ventana se puede aumentar el número detrabajadores o rebajar el dintel de la ventana.

Enzimas características

Estado inicial

Estado final

Estado de transición

Energía libre de activación de la reacción sin catalizador

Energía libre de activación de la reacción catalizada

Variación global de energía libre en la reacción

Avance de la reacción

Ener

gía

libre

Sin enzimas

Con enzimas

Además, a diferencia de los catalizadores no biológicos, tienen otras características:

Alta especificidad. Generalmente, actúan en una sola reacción.Actúan a la temperatura del ser vivo.Masa molecular muy elevada.

Enzimas: características

Alta actividad. Algunas aumentan la velocidad de reacción en más de un millón de veces.Algunas enzimas no se activan hasta que sobre ellas actúan otras enzimas o iones llamados zimógenos o proenzimas (el pepsinógeno estomacal, se activa por el HCl que lo transforma en pepsina).

Enzimas: características

ENZIMAS: ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN

Enzimas: estructura y composición

Los enzimas son básicamente

proteínas o péptidos, pero en los

años 80 del siglo pasado se

descubrió que también puede ser:

Moléculas de ARN (ribozimas).

Anticuerpos catalíticos.

Ribozimas

Las ribozimas actúan con frecuencia

sobre otros ARN o sobre sí mismos

(ribozimas auto catalíticas).

Catalizan reacciones muy concretas

de pérdida o ganancia de nucleótidos

de ARN mediante la hidrólisis o

creación de un enlace fosfodiéster.

Anticuerpos catalíticosLa mayoría se han sintetizado en laboratorio para poder usarlos en BiotecnologíaAparecen también de manera natural y en humanos son responsables de enfermedades como el Lupus eritematoso en que estos anticuerpos se pueden unir al ADN e hidrolizarlo.


Las enzimas, según su composición, pueden ser:

Holoproteínas: Enzimas estrictamente proteicas. Solo son cadenas polipeptídicas.

Holoenzimas: constituidas por:

Apoenzima. Parte polipeptídica.

Cofactor. Parte no proteica.


Por su parte, el cofactor puede ser:

Inorgánico. Son iones metálicos que se encuentran en pequeñas cantidades (menos del 0,1%) La citocromo oxidasa (que transporta electrones en la cadena respiratoria) tiene un átomo de Cu y otro de Fe como cofactores.

Orgánicos o coenzimas. Como el NAD, NADP, FAD, ATP, coenzima A…

En una holoenzima: El apoenzima determina el sustrato sobre el que va a actuar la enzima (glucosa, proteína, etc).El cofactor determina el tipo de reacción que se va a efectuar (reducción, oxidación, etc)Apoenzima y cofactor por separado son inactivos.Un mismo cofactor se puede unir a distintos apoenzimas y se realizará la misma reacción sobre distinto sustrato. (reducción de glucosa o de un ácido graso)



Una enzima puede tener uno o varios iones metálicos, un coenzima o ambos tipos de cofactores a la vez.

La unión del cofactor con la parte proteica puede ser mediante enlaces débiles (puentes de H) o bien, mediante enlaces covalentes.

En este último caso, los cofactores se denominan grupos prostéticos y están unidos de modo firme y permanente al apoenzima..




En la parte peptídica (apoenzima) se distinguen tres tipos de aminoácidos:

Estructurales, sin función enzimática.De fijación, establecen enlaces débiles con el sustrato. Son el centro de fijación.Catalizadores, se unen al sustrato con enlaces covalentes debilitando su estructura y favoreciendo la ruptura. Son el centro catalítico.


Los centros de fijación y catalítico constituyen el centro activo de la enzima.

Éste se forma al quedar unidos todos los aminoácidos de dichos centros por la estructura terciaria de los péptidos.

Como ésta depende de la secuencia de aminoácidos, ésta debe ser la correcta.

Depende de los aminoácidos estructurales.

ENZIMAS: ESPECIFICIDAD

ESPECIFICIDAD. Es la afinidad de la enzima por el sustrato y depende de los enlaces que se establezcan entre sitio activo y el sustrato. Puede ser:

De sustratoAbsoluta.De grupo.De claseEsteroquímica.

De reacción

Enzimas: especificidad

Especificidad de sustrato: Cada enzima actua sobre un sustrato, o reducido número de sustratos. Esta especificidad puede ser:

Absoluta. sobre un único sustrato. Ej. ureasa actúa sobre la urea.De grupo. El enzima actúa sobre un determinado grupo de moléculas. Ej. la b-glucosidasa actúa sobre los b-glucósidos.


De clase. Actúa sobre sustratos que presentan un determinado tipo de enlace o grupo. Ej las descarboxilasas eliminan un grupo CO2

Estereoquímica. La enzima actúa sobre un estereoisómero y no sobre el otro. Ej. la aspartasa actúa sobre el L-aspártico y no sobre la forma D.

Especificidad de reacción: Es decir un enzima solo puede realizar un determinado tipo de reacción: hidrólisis, óxido-reducción, etc.


La afinidad de los enzimas por un sustrato depende de:

El sustrato.Los aminoácidos del sitio activo.Los cofactores.

Cuando entre el sustrato y el sitio activo se dan las interacciones que favorecen la unión, se establecen entre ellos enlaces no covalentes como puentes de H.

Enzimas: especificidad de sustrato

El encaje se hace por una complementariedad geométrica y otra química por enlaces que pueden ser puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas, interacciones hidrófobas, etc.


La unión se hace en el centro activo gracias a los

aminoácidos de fijación que son los que

establecen enlaces con el sustrato.

En el centro activo están también los aminoácidos

catalíticos que llevan a cabo la reacción.

Generalmente, el centro activo es un hueco

tridimensional en el que se sitúa el sustrato.

Existen varios modelos para explicar la

especificidad entre enzima y sustrato


Enzimas: modelos de especificidad: llave cerradura

El primero se debe a Emil Fischer y es del año 1894.Se conoce como el modelo llave-cerradura.

Substrato y enzima se acoplan de la misma manera que una llave se ajusta a su cerradura.

Tanto la enzima como el sustrato permanecen nalterables sin que su estructura varíe

Enzimas: modelos de especificidad: ajuste inducido

El modelo de Fischer se aceptó durante mucho tiempo.

Se desechó porque no explicaba ciertos fenómenos de la inhibición enzimática.

A mediados del siglo XX surge un nuevo modelo debido a Kosland:

Modelo del ajuste inducido.

Enzimas: modelos de especificidad: ajuste inducido

Este modelo dice que la enzima sufre una alteración

en su estructura por el hecho físico de la unión.

La complementariedad solo se da cuando están

unidos.

Está mucho más de acuerdo con todos los datos

experimentales conocidos hasta el momento.

Además, la tendencia de la

enzima a recuperar su forma,

ayudaría a que se lleve a cabo la

reacción.

ENZIMAS: NOMENCLATURA

A lo largo de la Historia han existido diferentes nomenclaturas:

NOMBRES PARTICULARES los enzimas recibían nombres particulares, asignados por su descubridor. por ejemplo, Pepsina

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.

ENZIMAS: Nomenclatura

NOMBRE SISTEMÁTICO El nombre sistemático de un enzima consta actualmente de 3 partes:

el sustrato preferente

el tipo de reacción realizado

terminación "asa"

Un ejemplo sería la glucosa fosfato isomerasa que cataliza la isomerización de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.


Se conocen miles de enzimas y el número crece en paralelo con los avances en la investigación.

Por ello ha sido necesario caracterizar los enzimas con un nombre y un número.

Esto lo ha llevado a cabo la Comisión enzimática que ha elaborado una clasificación en la que caben todas enzimas presentes y las que se vayan descubriendo.


Curiosidad

NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA: 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. Así, la ATP: glucosa fosfotransferasa (glucoquinasa)

se define como EC 2.7.1.2. El número 2 indica que es una transferasa, el 7 que es una fosfotransferasa, el 1 indica que el aceptor es un grupo OH, y el último 2 indica que es un OH de la D-glucosa el que acepta el grupo fosfato.


Curiosidad


Curiosidad

La nomenclatura de la Comisión enzimática determina seis clases que dependen del tipo de reacción catalizada.

Oxidorreductasas.Transferasas.Hidrolasas.

Liasas.Isomerasas.Ligasas.


OXIDORREDUCTASAS.Catalizan reacciones redox sin transferencia de hidrógenos Suelen tener un cofactor metálico al que se unen los electrones.

• Regulan reacciones REDOX en las que solo se transfieren electrones sin protones.


OXIDORREDUCTASASCatalizan reacciones redox con transferencia de hidrógenos Suelen llevar una coenzima transportadora de H tipo NAD, NADP, FAD, FMN.

• Regulan reacciones REDOX en las que los electrones se transfieren unidos a protones en forma de hidrógeno.


TRANSFERASASComo las transaminasas que transfieren grupos amina o la CoA que transfiere ácidos.

• Transfieren grupos funcionales: amina, ácido, etc.


HIDROLASAS: llevan a cabo reacciones de hidrólisis.


• Rotura de enlaces por medio de agua en forma iónica (hidrólisis).

Liasas


- • Rotura y/o formación de moléculas sin intervención de agua.

Isomerasas


•Cambio de posición de grupos dentro de la molécula sin variar el número de átomos.

Ligasas o sintetasas: reacciones de síntesis que requieren energía.


•Formación de enlaces con rotura de ATP para aprovechar la energía

ENZIMAS: MECANISMO DE ACCIÓN

El mecanismo de acción de una enzima es el conjunto de procesos mediante los cuales las enzimas catalizan las reacciones.

Depende de:

Composición de aminoácidos de la enzima

Estructura de la enzima (depende de la anterior)

Afinidad de la enzima por el sustrato.

Enzimas: mecanismo de acción.

Se distinguen tres etapas en el mecanismo de acción:

Formación del Complejo enzima-sustrato (E-S).

Modificación del sustrato que se transforma en producto (complejo enzima-producto)

E-S E-P.

Disociación del complejo

E-P P + E



El encuentro de enzima y sustrato se facilita por la

orientación adecuada.

Se establecen enlaces débiles entre la enzima y el

sustrato para dar el complejo E-S.

La finalidad de algunos

enlaces es situar al sustrato

en la mejor posición para

que se produzca la reacción. E+S E-S E-P

Una vez formado el complejo E-S se produce una catálisis del sustrato que se ve favorecida por:

La tensión a la que está sometido el sustrato por su unión al sitio activo del enzima, favorece la rotura de enlaces.En el sitio activo existen aminoácidos catalíticos capaces de ceder o captar protones, electrones o átomos.

El sustrato se transforma en producto y se forma el complejo Enzima-Producto E-P

E-P



En el complejo E-P la enzima se une al producto mediante enlaces débilesEl complejo se disocia y se obtienen el producto y la enzima quequeda libre

para catalizar una nueva reacción si se une a otro sustrato.

E+P


•Transformación del complejo E-S en E-P (enzima-productos)

•Formación del complejo enzima-sustrato

•Liberación de los productos y de la enzima

Enzimas: mecanismo de acción: centro activo

ENZIMAS: CINÉTICA

Es el estudio de la velocidad de las reacciones catalizadas por los enzimas.

Dicha velocidad se mide por la velocidad a la que desaparece el sustrato o la velocidad a la que aparece el producto.

La unidad es el mM.min-1 (micromol por minuto)

La velocidad máxima depende de la concentración de enzima y de sustrato.

Cinética enzimática.

A lo largo de la reacción se supone que:la concentración de enzima se mantiene constante. la concentración de sustrato, disminuye a medida que se transforma en producto a no ser que se añada más cantidad.

Por lo tanto, la concentración de sustrato es uno de los factores que intervienen.Los otros son: temperatura, pH, inhibidores.

Cinética enzimática.

CINÉTICA ENZIMÁTICA:La concentración de

sustrato [S]

Sin añadir sustrato Si no se añade sustrato a la reacción, éste irá disminuyendo con el tiempo a medida que se transforma en producto por lo que el sustrato disminuye a la par que el producto va aumentando.

También irá variando la cantidad de Enzima y de complejo E-S, pero estos terminarán como empezaron.

Concentraciones de: Sustrato [S]Enzima [E], Producto [P]Enzima-sustrato [E-S]

tiempo

Empezamos con una determinada cantidad de enzima y de sustrato. A medida que se forma y aumenta la concentración del complejo E-S, tanto la enzima como el sustrato, disminuyen y va aumentando la cantidad de producto. Al final tenemos: mucho producto, casi nada de sustrato y la misma cantidad de enzima que al principio

Concentración de sustrato

En la mayoría de las reacciones la relación entre la [S] variable y la velocidad de reacción describe una curva con tres etapas:

A: La velocidad aumenta linealmente con en aumento de [S].B: El aumento de [S] hace que la velocidad aumente, pero a un ritmo mucho más lento.C: Si aumenta mucho [S], el aumento de velocidad se paraliza alcanzándose la velocidad máxima (Vmax)

[S] variable

v

[s]

A medida que aumenta la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de la reacción hasta que toda la enzima se satura y la velocidad deja de aumentar

A B

C

.Vmax


Concentración de sustratoEstas tres etapas se caracterizan por el predominio de una de las dos formas posibles del enzima.

Libre, es decir, sin combinar con el sustrato.

Combinada con el sustrato o con el producto formando complejos E-S o E-P

En la etapa A predomina la enzima libre y al aumentar el sustrato aumenta mucho la velocidad de reacción porque se forman muchos complejos E-S.En la etapa B hay Muchos complejos E-S y E-P, pero aún queda bastante enzima libre. Al aumentar el sustrato, aumenta la velocidad de reacción aunque poco pues ya queda muy poca enzima libre.En la etapa C toda la enzima está combinada y por mucho que aumentemos el sustrato, la velocidad no aumenta por estar toda la enzima ocupada.


BAJAconcentración de sustrato

ALTA concentración de sustratoSATURACION


El turnover, numero de recambio o constante catalítica es el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por molécula de enzima y unidad de tiempo, en condiciones de saturación de sustrato (Vmax)

Concentración de Sustrato [S]Velo

cida

d de

la r

eacc

ión

(v)

Km

Vmax

Vmax/2

Constante catalítica


A partir de este comportamiento enzimático, Leonor Michaelis y Maud Menten definieron la constante de Michaelis-Menten (Km) que es la concentración de sustrato a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima.


La Km es la concentración de sustrato para la mitad de la Vmax .

Si varias enzimas tienen el mismo sustrato cada una puede

tener distinta Km para dicho sustrato.


cida

d de

la r

eacc

ión

(v)

Km

Vmax

Vmax/2


El valor Km también indica la afinidad de

la enzima por el sustrato:


cida

d de

la r

eacc

ión

(v)

Km

Vmax

Vmax/2


A mayor Km, menor es la afinidad de la enzima por el sustrato, puesto que se necesita más cantidad de sustrato para alcanzar la mitad de la Vmax

A menor Km mayor es la afinidad de la enzima por el sustrato ya que se necesita menos cantidad de sustrato para alcanzar la mitad de la Vmax


La siguiente ecuación permite averiguar la velocidad de reacción para diferentes concentraciones de sustrato, conociendo Km y la Vmax.


Problema 1

Solución

CINÉTICA ENZIMÁTICA:La concentración de

enzima [E]

Siempre que la [S] sea suficiente: A medida que aumente la concentración de la enzima [E], aumentará la velocidad de la reacción.Ello se debe a que cuanta más enzima haya, más probabilidades habrá de que se encuentre con el sustrato.

Concentración de enzima

Al cabo de un tiempo de reacción, esto deja de cumplirse por:

El sustrato se va convirtiendo en producto por lo que la [S] disminuye.

Cada vez hay menos probabilidades de que la enzima se encuentre con el sustrato, por lo que deja de haber reacción.


Siempre que la [S] sea suficiente


CINÉTICA ENZIMÁTICA:Temperatura

TemparaturaEn principio, la velocidad de reacción aumenta lentamente con la temperatura porque se produce un incremento en la energía cinética de las moléculas, lo que favorece:

Los choques entre sustrato y enzima y sus encuentros.La inestabilidad de los enlaces, lo que favorece que cambien y se produzcan las reacciones.

Temperatura

A determinadas temperaturas los enzimas se desnaturalizan y la velocidad disminuye rápidamente.

Se llama temperatura óptima a aquella a la que se consigue la máxima velocidad de reacción. Es distinta para cada enzima, aunque cercana a unos 20-50 ºC

Curva típica asimétrica con aumento lento hasta la Tª óptima y bajada rápida a partir de dicha Tª

Temperatura

CINÉTICA ENZIMÁTICA:

pH

pHEl Ph modifica la actividad de los enzimas.

Para la mayoría de enzimas, la curva pH-

velocidad es similar a la de temperatura.

Hay un pH óptimo por encima o por debajo del

cual, la reacción se ralentiza.

Se debe a que pH muy bajos o muy altos,

desnaturalizan los enzimas.

El pH óptimo depende de cada enzima y las hay

que trabajan con Ph óptimos extremos.

Los cambios de pH provocan cambios eléctricos en los aminoácidos presentes en el centro activo de la enzima, disminuyendo su eficacia de unión al sustrato.

Curva típica simétrica con aumento y disminución iguales a partir del pH óptimo.

pH

CINÉTICA ENZIMÁTICA:Activadores e

inhibidores

Los activadores son sustancias que activan a las enzimas.

La unión del activador hace que se modifique la estructura del sitio activo favoreciendo el acoplamiento del sustrato.

Los activadores son variados.

Pueden ser los coenzimas o cofactores

Incluso, el propio sustrato de la reacción que cataliza la enzima.

Activadores

InhibidoresLos inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de las enzimas.

Las moléculas inhibidoras son variadas y puede ser incluso el producto final de una reacción o ruta metabólica.

En este caso se denomina retroinhibición o feedback.

También pueden ser sustancias similares al sustrato que ocupan la enzima y no dejan que se una al sustrato.

InhibidoresSus efectos pueden resultar perjudiciales o beneficiosos.

Algunos inhibidores de la actividad de virus y bacterias nos sirven para combatir infecciones:

Penicilina: inhibe la síntesis de la pared bacteriana.

AZT en virus del SIDA, inhibe la transcriptasa inversa.

Los inhibidores pueden ser de dos tipos:

Inhibidores irreversibles o venenos metabólicos

Inhibidores reversibles

Inhibidores irreversibles

Los inhibidores irreversibles son aquellos que se unen covalentemente al centro activo del enzima, anulando su capacidad catalítica.

Al ser una unión fuerte, no se deshace y la inhibición es permanente.

Se denominan también venenos

metabólicos

IRREVERSIBLE

Inhibidor

Centro activo

Se produce cuando el inhibidor se une a la enzima por medio de enlaces débiles.La unión al enzima es temporal y la actividad enzimática se puede recuperar.La inhibición reversible puede ser de tres tipos:

Inhibición competitivaInhibición no competitiva

Inhibidores rreversibles

Inhibidores reversibles

REVERSIBLE COMPETITIVA

REVERSIBLE NO COMPETITIVAInhibidor

El inhibidor es una molécula con una conformación espacial muy similar al sustrato.

El inhibidor compite con el sustrato por la unión en el centro activo del enzima, con esto impide que se una el sustrato y por tanto que éste se transforme en producto.

A los inhibidores competitivos se les denomina análogos metabólicos.

Inhibición competitiva

El grado de inhibición depende de la

concentración relativa de inhibidor con

respecto a la de sustrato.

Por lo que se revierte su efecto aumentando

laconcentración de sustrato que en la competencia, sale ganando.

REVERSIBLE COMPETITIVA


Aumentando [S]

Con menos [S]



El inhibidor no compite con el sustrato por el centro activo de la enzima.

Se une a un sitio diferente del centro activo y lo puede hacer:

sobre la enzima sola.

sobre el complejo enzima-sustrato.

En ambos casos disminuye la actividad del enzima porque se impide que se efectúe la reacción.

Inhibición no competitiva

El inhibidor se une tanto

a la enzima sola como al

complejo E-S

El inhibidor se sitúa en un lugar distinto al

sustrato

Esta inhibición se caracteriza por que no se

puede revertir el efecto aumentando la

concentración del sustrato. REVERSIBLE NO

COMPETITIVA


El inhibidor se une tanto a la enzima sola como al complejo E-S


Tipo Vmax Km

Competitiva =

No competitiva =

Km

Vmax

½ Vmax

Inhibición y velocidad de reacción

Inhibidores

Los inhibidores competitivos no afectan a la Vm y sí a la Km. Los no competitivos actúan al revés. Por qué?

Los inhibidores competitivos no afectan a la Vm y sí a la Km, porque se unen al centro activo de la enzima y dicha unión es reversible, de modo que para concentraciones elevadas de sustrato, éste puede desplazar al inhibidor y así alcanzarse la Vm.

No obstante, al haber enzimas unidos al inhibidor, disminuye la afinidad por el sustrato y aumenta Km

Problema

Los inhibidores no competitivos se unen a la

enzima en una zona diferente del centro activo y

no compiten con el sustrato por dicho centro

activo. Sin embargo, sí modifican la Vmax de

transformación puesto que un cierto número de

moléculas de enzima están bloqueadas por el

inhibidor.

No obstante, al estar libre el sitio para el sustrato,

la afinidad de enzima por él, no varía es decir, se

mantiene Km.

Problema

REGULACIÓN ENZIMÁTICA

Las enzimas a las cuales nos hemos referido hasta

este momento, enzimas michaelianas, corresponden

a lo que se ha dado en llamar enzimas clásicas.

Además existen otras enzimas, con características

regulatorias, que poseen propiedades que las

distinguen de las primera

Estas enzimas regulan reacciones en cadena

llamadas rutas metabólicas.

Cosnstituyen complejos multienzimáticos

Enzimas alostéricos

Estos complejos multienzimáticos:

Realizan funciones complementarias.

Actúan de modo secuencial.

Catalizan reacciones consecutivas

El producto de una reacción es el sustrato de la siguiente.

La eficacia de la reacción aumenta, al favorecer el encuentro del enzima y el sustrato, por estar todas las enzimas juntas.

Sistemas multienzimáticos

Rutas metabólicas

Existen dos niveles de asociación:

Complejos multienzimáticos: existe unión covalente entre las enzimas. Generalmente estas enzimas no funcionan fuera del complejo. Ej: sintetasa de ácidos grasos de levadura (7 enzimas)

Asociación a membranas. Ej: cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna.

Sistemas multienzimáticos

Complejo multienzimático

Sistema multienzimático asociado a la membrana de la matriz mitocondrial para la cadena de transporte electrónico

Sistema multienzimático asociado a la membrana tilacoide de los cloroplastos para la fase luminosa de la fotosíntesis.

Asociación a membranas

Regulación de los complejos En cada complejo, hay al menos una enzima que establece la velocidad de la secuencia de reacción.Suele ser el primero de la secuencia que forma el sustrato del segundo.Si no funciona el primer enzima, la ruta se para.Así regula la célula la síntesis de los productos que necesita en cada momento

La regulación puede ejercerse de dos formas:

Sobre la síntesis de la enzima que solo se fabricará en la cantidad y momento en que se precise.Sobre la actividad en cuyo caso la enzima tendrá dos estados, uno activo y otro inactivo y es ese estado lo que se regulará, haciendo que tenga forma activa solo si se necesita.

Regulación de los complejos

La regulación sobre la actividad puede ser:

Por modificación mediante enlaces covalentes.

Por modificación mediante enlaces no covalentes en cuyo caso hablamos de enzimas alostéricos

Regulación de los complejos

Mediante enlaces covalentes

La regulación o paso de la forma activa a la inactiva se realiza por la unión de una sustancia a la enzima mediante enlace covalente.

Esa sustancia suele ser un fosfato con lo que la sustancia estará fosforilada o desfosforilada.

Cuál sea la forma activa (fosforilada o desfosforilada) dependerá de la enzima.

Enzimas alostéricosSon enzimas que se regulan por la unión con alguna sustancia mediante enlaces no covalentes.La sustancia a la que se unen se llama modulador o efector alostérico.Se une en un sitio distinto del sitio activo llamado sitio alostérico.El sitio alostérico es específico para cada modulador.

Enzimas alostéricosEstos enzimas poseen dos tipos de conformaciones:

Activa: poseen gran afinidad por el sustrato.

Inactiva: la afinidad por el sustrato es baja.

Los moduladores también pueden ser de dos tipos.

Negativos o inhibidores alostéricos: ponen la enzima en su forma inactiva.

Positivos o activadores alostéricos: ponen la enzima en su forma activa.

Modulador alostérico negativo

Al unirse al sitio alostérico del enzima regulador lo hacen pasar de la forma activa a la inactiva (o menos activa)

Si el modulador abandona el sitio alostérico, el enzima recupera su actividad.

Los inhibidores suelen ser los productos de la ruta metabólica de forma que si aumenta su concentración, al no necesitarse más, detienen la ruta.

Modulador alostérico negativo

Al unirse al sitio alostérico del enzima regulador lo hacen

pasar de la forma inactiva a la activa.

Si el modulador abandona el sitio alostérico, el enzima se

vuelve inactiva

Los activadores suelen ser los sustratos de la ruta

metabólica que pueden unirse al sitio activo para ser

transformados y al sitio alostérico para activar a la enzima

que los transforma..

Si aumenta su concentración, para evitar que se acumulen,

ponen en marcha la ruta al activar la enzima que la inicia.

Se acepta que la asociación del efector a la enzima altera su configuración espacial modificando el centro activo .Si se une el activador, el centro activo adquiere una estructura que permite la unión del sustrato.Si se une el inhibidor, el centro activo adquiere una estructura que no permite la unión del sustrato.


Enzimas alostéricosEnzimas alostéricos

Enzimas alostéricosEstas enzimas no responden a la curva clasica de Michaelis Menten y por ello se considera que no son enzimas clásicos.

Ello se debe a que la formación de producto depende de todas las enzimas de la ruta metabólica que está regulada por la primera enzima.

A bajas concentraciones de sustrato, la enzima está

en la forma inactiva y la ruta detenida.

Cuando la concentración de sustrato aumenta, el

sustrato se une a la enzima y esta se activa

comenzando toda la ruta.

Después de la primera unión, las siguientes se

realizan con mayor afinidad.

Este fenómeno es lo que se llama "cooperatividad", y

la forma S de la curva indica la unión cooperativa del

sustrato.


Enzimas alostéricosEl resultado del cambio a la forma activa es

un fuerte incremento en todas las reac

ciones de la ruta, la velocidad de reacción

aumenta muy rápidamente.

Cuando todos los centros activos de una

enzima alostérica están ocupados con

sustrato, la velocidad de la ruta es constante

y se alcanza la meseta de la Vmáx.

A baja concentración de sustrato la enzima está inactiva.Al aumentar [S] se une a la enzima y ésta activa la ruta.Esto supone cooperatividad para que más sustratos se unan a la enzima.Aumenta mucho la velocidad.Cuando todas las enzimas están ocupadas, la velocidad se estabiliza en el máximo


Enzimas alostéricasUn ejemplo de regulación alostérica en una vía metabólica es la inhibición por retroalimentación donde la acumulación de producto final actúa como modulador negativo de la primera enzima de la vía como se esquematiza a continuación.

Retroinhibición (feed back)

Aunque no siempre es tan directo. A veces se da en varios pasos, como en el ejemplo siguiente:


Enzimas alostéricosEsto se produce porque al haber dos productos en una ruta ramificada, puede que necesitemos uno y no otro.Por eso, se regulan primero las enzimas que están en la ramificación de la ruta (e4 o e6, según que sobre F o H y haga de inhibidor)Cuando sobran los dos, se inhiben ambas y entonces sobra D que regula la e1, paralizando la ruta.

ISOENZIMAS

IsoenzimasEs un modo de regulación que consiste en la existencia de distintas formas moleculares de una misma enzima que presentan o muestran especificidad por el mismo sustrato y realizan la misma función.

Su distribución varía con los tejidos y la localización subcelular, de forma que unas se encuentran en el citoplasma, otras en las mitocondrias, algunas en cloroplastos, etc.

IsocimasPueden actuar en distintas zonas de la célula como hemos visto, pero también en distintas células, tejidos y órganos.

También pueden actuar en la misma localización, pero en etapas distintas de la vida del ser vivo.

Se diferencian entre sí por algunos aminoácidos, al estar codificadas por genes distintos (con un origen evolutivo común, por duplicación génica).

La lactato deshidrogenasa cataliza la transformación de pirúvico a láctico, que se produce en condiciones de anoxia, dando lugar a una fermentación a partir de la glucosa.

Isoenzimas

Está formada por 5 isoenzimas, con el mismo peso molecular, con una estructura tetramérica: combinaciones de 2 tipos de cadenas polipeptídicas: M y H.

Cada una funciona en distintos lugares:LDH-1 (H4): en corazón, músculos y eritrocitos. LDH-2 (H3M): en sistema retículoendotelial y leucocitos. LDH-3 (H2M2): en pulmones. LDH-4 (HM3): en riñones, placenta y páncreas. LDH-5 (M4): en hígado y músculo esquelético.

Isoenzimas

VITAMINAS

VitaminasSon sustancias orgánicas de composición variada necesarias en cantidades muy pequeñas, pero fundamentales para el funcionamiento del organismo. (micronutrientes)No pueden ser sintetizadas por la mayoría de los animales por lo que tienen que tomarse en la dieta.Algunas se toman en forma de provitaminas que después se transforman en la forma activa.

Vitaminas

Desempeñan funciones importantes en el metabolismo de los macronutrientes (glúcidos, lípidos, prótidos)

Nunca se utilizan ni como combustible ni para formar estructuras.

Son únicamente biocatalizadores.

Vitaminas: clasificaciónSe clasifican en :

Hidrosolubles son polares y se disuelven en agua.

Por ellos son fácilmente excretables y/o metabolizables.

Ejemplos son el complejo B (B1 o Tiamina, B2 o

riboflavina, B3 o ácido nicotínico, B5 o ácido

pantoténico, B6 o piridoxina, B12 o

cianocobalamina), el ácido fólico, la biotina y la vitamina C (ácido Ascórbico)

Liposolubles. Son apolares, de naturaleza lipídica siendo esteroides o isoprenoides.

Insolubles en agua, pero solubles en disolventes apolares.

Al ser insolubles son difícilmente excretables por lo que su exceso es más peligroso que el de las hidrosolubles.

Algunos ejemplos son La vitamina A o retinol, la D o calciferol, la E o Tocoferol y la K o naftoquinona.

Vitaminas: clasificación

Exceso y defecto de vitaminas.

Las vitaminas se necesitan cantidades muy pequeñas y precisas por lo que tanto su defecto como su exceso, producen alteraciones serias.

El defecto produce avitaminosis.

El exceso produce hipervitaminosis.

AvitaminosisSe produce por ausencia extrema de alguna vitamina.Aparecen las enfermedades carenciales, muy graves e incluso mortales.Las deficiencias más extendidas son las de tiamina, niacina, riboflavina, ácido ascórbico y ácido fólico.

Hipervitaminosis.El consumo de un exceso de alguna vitamina hace que se acumule en el organismo pudiendo tener efectos tóxicos.Se suele causar por exceso de vitaminas liposolubles que, como hemos dicho no se pueden excretar.Está más extendido en las vitaminas A y D

Cuadro de vitaminas

PAU CANTABRIA

PAU¿Se podría aumentar la velocidad de determinado proceso enzimático (en el que todavía no se alcanzó la Vmax.) sin aumentar la cantidad de enzima presente en la reacción? ¿Tiene un límite este comportamiento enzimático? Razona la respuesta. Considerar pH y Tª de reacción constantes.

¿Qué factores físico-químicos pueden modificar la actividad de una enzima? Razona porqué dichos factores modifican la actividad enzimática.

Determinada enzima cataliza un proceso a un pH óptimo de 8. Si en ese proceso variamos el pH y lo ponemos a 6.4 ¿qué le ocurrirá a la velocidad del proceso? ¿Qué cambios tienen lugar en una enzima al variar el pH?

Texto de no más de 10 líneas en el que se relacionen de manera coherente, dentro de un fenómeno biológico, los siguientes conceptos: enzima, centro activo, velocidad máxima, desnaturalización.

PAU

En un determinado proceso enzimático, una concentración fija de enzima “E” transforma un sustrato “S” en un producto “P” a una velocidad máxima de 35 mMol / min.

Si en esta etapa del proceso añadimos cierta cantidad de sustancia “X” –de estructura similar a la de “S”– reconocida también por el centro activo de “E”- pero no transformable en producto, se observa que la Vmax. del proceso desciende un 50%.

Representa gráficamente el fenómeno (velocidad frente a concentración de sustrato) e indica porqué la adición de “X” ha reducido la velocidad máxima.

¿Cómo harías en este caso para recuperar nuevamente el valor de Vmax sin retirar “X” del medio?

¿Qué le ocurriría a la Km de la enzima en cada uno de estos supuestos? Razona las respuestas.

PAU

Razona por qué la modificación del entorno físico-químico de una proteína en una célula puede modificar su función. Mediante un dibujo o esquema, en el que se represente el centro activo, indica cómo afectarían estas modificaciones a la actividad de una enzima en el reconocimiento y la transformación de su sustrato.

PAU

¿En qué parte de una enzima actúa un inhibidor competitivo? Explica qué efecto tiene este tipo de inhibidores sobre la Vmax y la Km de dicha enzima? Representa el fenómeno mediante un gráfico en el que figuren como variables la concentración de sustrato y la velocidad del proceso.

PAU

Una enzima tiene su funcionamiento óptimo a 37 ºC y 7.2 de pH. Si repetimos el ensayo enzimático a igual temperatura, pero a pH 6.2. ¿cómo variaría la velocidad del proceso? Represente la variación de velocidad de dicho proceso en ambos casos mediante un gráfico en el que figuren los valores de velocidad del proceso en función de la concentración del sustrato presente en la reacción.

PAU

PAU

En la figura se representa la cinética de

determinado enzima. Si en un ensayo aparte se

reproduce el mismo ensayo pero introduciendo

Un inhibidor competitivo

Un inhibidor no competitivoCómo sería en cada caso la

gráfica? Representa la

gráfica indicando en cada

caso la Vmax de cada

ensayo.

¿Cómo sería en cada caso la gráfica? Representa la gráfica indicando en cada caso la Vmax de cada ensayo.

Texto de no más de 10 líneas en que se relacionen de forma coherente los siguientes términos: Inhibición competitiva – centro activo – velocidad máxima – reversible.

PAU

Defina un inhibidor enzimático competitivo,

explique su mecanismo inhibidor e indique

como corregiría su efecto sobre una enzima.

Describa mediante un gráfico – en que se

represente la variación de la velocidad de la

reacción frente a la concentración de sustrato

- el comportamiento de la enzima en presencia

y ausencia del inhibidor respectivamente.

PAU

PAUCofactores enzimáticos: concepto, tipos según su naturaleza molecular, papel en el proceso de catálisis enzimática, cita algunos cofactores y/o proteínas cuya función dependa de un cofactor.

La desnaturalización parcial de una proteína enzimática produce una disminución en la Vmax de la misma en una determinada reacción. ¿Cómo explicas este fenómeno? ¿Qué papel juega el centro activo en este cambio de actividad?

PAUUn determinado gen “G” codifica una proteína enzimática “E” que transforma un sustrato “S” en producto “P” con una Km de valor “N”. Tras una mutación puntual del gen “G” se obtiene un producto “Em” similar a “E”, pero con un valor de Km mayor que “N” sobre el mismo sustrato “S”. ¿Cómo explicarías este fenómeno?

Fin

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Tema 4 enzimas