Enzimas y actividad enzimática

ENZIMAS Y ACTIVIDAD
ENZIMATICA
Profesores: Mauricio Torres G.
Patricia Mackenney

ENZIMAS
Son catalizadores eficaces y muy específicos
• Aceleran notablemente una reacción.
• Aceptan sustratos (moléculas que sufrirán las
reacciones) altamente específicos, es decir catalizan
una sola reacción o un grupo pequeño de reacciones
muy parecidas.
• Permiten que los equilibrios químicos se establezcan
muy rápido.
• Las enzimas son de naturaleza proteíca, a excepción
de un grupo de RNAs catalíticos (Ribozimas).
• La actividad catalítica de las enzimas, depende de la
integridad de su conformación nativa

Descubrimiento de las ENZIMAS
1897: Eduard Buchner demuestra que el extracto de
levadura puede fermentar azúcar a alcohol
1926: James Sumner aisló y cristalizó la enzima ureasa
encontrando que era una proteína. Postula que todas las
enzimas son proteínas.
1930: J.B.S Haldane sugiere en su tratado “Enzimas”
que interacciones débiles entre la enzima y el sustrato
podrían ser usadas para distorsionar a éste último e
inducir la catálisis.

ENZIMAS
ENZIMA: son proteínas que catalizan reacciones químicas.
SUSTRATO: es la molécula que se une al sitio activo de la enzima generando un
complejo enzima-sustrato. La enzima transforma el sustrato en un producto que es
liberado, dejando el sitio activo libre para recibir otro sustrato.
E + S ⇌⇌⇌⇌ ES → EP ⇌⇌⇌⇌ E + P

ENZIMAS
Aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.
Para que una reacción se lleve a cabo las moléculas deben alcanzar
un estado energético determinado (energía de activación).

ENZIMAS
La temperatura aumenta el estado energético de las moléculas,
superando la energía de activación
Sin embargo, las enzimas se desnaturalizan a esa temperatura y la
energía debe venir de otra reacción, lo que aumenta el gasto
energético.

ENZIMAS

ENZIMAS
En ausencia de la enzima, la reacción tomaría mucho tiempo en ocurrir.

ENZIMAS: Anhidrasa carbónica
Ácido carbónico
La enzima Anhidrasa carbónica cataliza esta
reacción a una velocidad de 10 millones de
veces más rápida que sin enzima

Nomenclatura de enzimas
• Nomenclatura histórica:
– SUSTRATO + SUFIJO(asa)
(Ej. ureasa)
– SUSTRATO + ACTIVIDAD + SUFIJO(asa)
(Ej. glucoquinasa)
– DONADOR + ACEPTOR + ACTIVIDAD +
SUFIJO(asa)
(Ej. oxalacetilaminotransferasa)

Clasificación de enzimas
• Se clasifican de acuerdo al tipo de reacción que catalizan.
Existen seis grandes grupos de enzimas:
• Oxidoreductasas (reacciones de óxido-reducción)
• Transferasas (transfieren un grupo de una molécula a otra)
• Hidrolasas (hidrolizan)
• Liasas (separan o adicionan moléculas)
• Isomerasas (transfieren grupos intramolecularmente)
• Ligasas (unen dos moléculas a expensas de la hidrólisis
del ATP)

Sin transferencia de hidrógenos
• Regulan reacciones REDOX
• Existen dos tipos esenciales:
• Con transferencia de hidrógenos
• Sin transferencia de hidrógenos
1. OXIDORREDUCTASAS
Con transferencia de hidrógenos
Reacciones redox que ocurren en la mitocondria

2. TRANSFERASAS
• Transfieren grupos funcionales

3. HIDROLASAS
•Ruptura de enlaces por medio de agua

4. LIASAS
•Ruptura o formación de moléculas sin intervención de agua.
•Suele producirse adición a dobles enlaces: C=C, C=O, C=N

5. ISOMERASAS
Cambio de posición de grupos dentro de la molécula

6. LIGASAS O SINTETASAS
Formación de enlaces dependiente de ATP

• Enzimas simplesEnzimas simples: Son aquellas que para su funci: Son aquellas que para su funcióónn
catalcatalíítica no necesitantica no necesitan cofactor o coenzimacofactor o coenzima..
•• Enzimas conjugadasEnzimas conjugadas: Enzimas que necesitan para: Enzimas que necesitan para
su catsu catáálisis unalisis una coenzima o cofactor.coenzima o cofactor.
•• Una enzima junto a su coenzima y/o cofactor seUna enzima junto a su coenzima y/o cofactor se
designa comodesigna como holoenzimaholoenzima. La regi. La regióónn proteproteíícaca de talde tal
enzima se denominaenzima se denomina apoenzimaapoenzima oo apoproteapoproteíínana..
Cuando la coenzima o iCuando la coenzima o ióón metn metáálico se unenlico se unen
covalentementecovalentemente a la enzima, constituye una la enzima, constituye un grupogrupo
prostprostéético.tico.
•• Isoenzima:Isoenzima: Distinta estructura, misma funciDistinta estructura, misma funcióónn

Metal

Cofactores enzimáticos
• Pueden ser moléculas orgánicas pequeñas no
peptídicas o iones inorgánicos
Apoenzima + cofactor = holoenzima
• Iones metálicos que son cofactores: Zn+2 (anhidrasa
carbónica), Se (glutatión peroxidasa), Mg+2
(hexoquinasa), Fe+2 (citocromos)
• Los cofactores que son moléculas orgánicas
pequeñas se llaman coenzimas. Si la coenzima está
unida fuertemente a la proteína se llama grupo
prostético

A menudo las vitaminas son precursores de los cofactores:
COFACTOR FLAVÍNICO FAD

A menudo las vitaminas son precursores de los cofactores:
COFACTOR NICOTINAMÍDICO (NAD+)

El sitio activo de una enzima
Sitio ActivoSitio Activo
Existen reacciones quExisten reacciones quíímicasmicas
intracelulares que seintracelulares que se
presentan en condicionespresentan en condiciones
desfavorables. Sin embargodesfavorables. Sin embargo
las enzimas solucionan ellas enzimas solucionan el
problema al proporcionar unproblema al proporcionar un
ambiente, donde una reacciambiente, donde una reaccióónn
determinada esdeterminada es
energenergééticamente mticamente mááss
favorable.favorable.Binding of a substrate to anBinding of a substrate to an
enzyme at the active site.enzyme at the active site.

El sitio activo de una enzima
Es un ambiente favorable para que la reacciEs un ambiente favorable para que la reaccióón se produzca.n se produzca.

Especificidad del sitio activo

Especificidad del sitio activo
El sitio activo reconoce isómeros ópticos de las moléculas

Especificidad de enzimas
Ej: Enzimas proteolíticas: rompen
enlaces peptídicos

Especificidad de enzimas
(A) Tripsina:
enzima digestiva
(B) Trombina:
enzima que participa
en la coagulación
sanguínea
(C) Subtilisina: rompe
todos los enlaces
peptídicos,
independientemente
de su naturaleza
Algunas enzimas
proteolíticas:

ENZIMAS y MEDICINA
EnzimaEnzima AlteraciAlteracióónn PatologPatologííaa
LactasaLactasa InhibiciInhibicióón de su sn de su sííntesisntesis Intolerancia a la lactosaIntolerancia a la lactosa
Glucosa 6PGlucosa 6P--
DeshidrogenasaDeshidrogenasa
Diversas mutacionesDiversas mutaciones FavismoFavismo (Destrucci(Destruccióónn
eritrocitariaeritrocitaria))
ALT, GPTALT, GPT
(transaminasas)(transaminasas)
Aumento en los nivelesAumento en los niveles
plasmplasmááticosticos
Indicio de ataque cardIndicio de ataque cardííacoaco
o falla hepo falla hepááticatica
TirosinasaTirosinasa Deficiencia en laDeficiencia en la
ssííntesis de Melanina antesis de Melanina a
partir de tirosinapartir de tirosina
AlbinismoAlbinismo
FenilalaninaFenilalanina
hidroxilasahidroxilasa
ConversiConversióón den de
fenilalanina a tirosinafenilalanina a tirosina
FenilcetonuriaFenilcetonuria

Velocidad y equilibrio de una reacciVelocidad y equilibrio de una reaccióón enzimn enzimááticatica
• E + S ES EP E + P
• La función de un catalizador es aumentar la velocidad
de reacción.
• Los catalizadores NO modifican los balances
energéticos ni los equilibrios de reacción (energía inicial
y energía final).
• Cualquier reacción tal como S P, se puede
describir por un diagrama de reacción coordinada.

CinCinéética Enzimtica Enzimááticatica
Estudio de velocidad y equilibrio de reacciones

TeorTeoríía dea de MichaelisMichaelis--MentenMenten
• Desarrollada en 1913 explica la acción y cinética de las enzimas.
Supone que E se combina con S para formar el complejo E-S, el cual
se escinde para formar E + P.
• El complejo E-S es una estructura intermedia entre el sustrato y el
(los) producto(s). Esta estructura se denomina estado de transición.
•Cuando se alcanza el estado de transición se dice que el sustrato
está activado, y el complejo pasa a ser E-S*.
•Luego la reacción puede ocurrir muy fácilmente para dar los
productos, que normalmente “desencajan” con la enzima y son
liberados al medio

Poder catalPoder catalíítico y la especificidadtico y la especificidad
•• Durante una reacciDurante una reaccióón catalizada ocurren muchasn catalizada ocurren muchas
reacciones qureacciones quíímicasmicas entre grupos funcionales de S y E.entre grupos funcionales de S y E.
Los grupos funcionales catalLos grupos funcionales catalííticos podrticos podríían formar enlacesan formar enlaces
covalentes transientes o se podrcovalentes transientes o se podríían transferir algunosan transferir algunos
grupos desde el S hasta E. Estas reaccionesgrupos desde el S hasta E. Estas reacciones disminuirdisminuirííanan
la energla energíía de activacia de activacióónn de la reaccide la reaccióón.n.
•• Gran parte delGran parte del poder catalpoder catalííticotico de las enzimas deriva dede las enzimas deriva de
lala energenergíía libre liberadaa libre liberada en la formacien la formacióón de mn de múúltiplesltiples
enlaces denlaces déébiles e interacciones no covalentes entre labiles e interacciones no covalentes entre la
enzima y su sustrato.enzima y su sustrato.
•• La interacciLa interaccióón entre E y S (n entre E y S (Complejo EComplejo E--SS) es mediada) es mediada
por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura depor las mismas fuerzas que estabilizan la estructura de
la protela proteíína.na.

Definiciones termodinDefiniciones termodináámicasmicas
•• LaLa velocidad de una reaccivelocidad de una reaccióónn es determinada pores determinada por
lala concentraciconcentracióón de los reactantesn de los reactantes, y por una, y por una
constante de velocidad (constante de velocidad (kk).).
•• V =V = kk[S[S]] ReacciReaccióón de 1n de 1ºº óórdenrden
•• V =V = kk[S[S11][S][S22]] ReacciReaccióón de 2n de 2ºº óórdenrden
•• La concentraciLa concentracióón de la enzima [E] esn de la enzima [E] es
despreciable en una reaccidespreciable en una reaccióón catalizada.n catalizada.

CinCinéética Enzimtica Enzimááticatica
La velocidad de reacción de una enzima
depende de la concentración del sustrato
A concentraciones
bajas del sustrato, la
velocidad de la reacción
aumenta si aumenta el
sustrato
A concentraciones altas
del sustrato, la
velocidad de la reacción
es constante

•La ecuación de Michaelis-Menten es la ecuación de
velocidad para las reacciones catalizadas por enzimas
frente a un sustrato. Cuando la velocidad inicial es
exactamente igual a la mitad de la velocidad máxima, se
deduce que la concentración de sustrato es igual a la
constante Km.
Km es la constante de Michaelis y Menten

RegulaciRegulacióón de la actividad enzimn de la actividad enzimááticatica
• Es necesario regular la actividad enzimática para que haya un
equilibrio de sustratos y productos. La regulación puede ser por
inhibición o activación de la actividad enzimática.
•Por ej. ¿qué pasaría si el proceso de coagulación no se regulara?
• Existen varias formas de regular la actividad enzimática:
•pH, temperatura, disponibilidad cofactores, retro-inhibición.
•La regulación alostérica.
•Unión de una molécula específica (Fosforilación).
•Regulación proteína-proteína.
•Síntesis de Pro-enzimas.

• Regulación por pH:
Cada enzima tiene su pH óptimo de trabajo

• Regulación por temperatura:
La velocidad enzimática aumenta con la T hasta un
valor crítico en el que la proteína se inactiva por
desnaturalización

• Regulación alostérica: inhibición o activación.
La unión no covalente de una molécula a la enzima, en un sitio diferente
del centro activo (sitio alostérico) provoca un cambio conformacional
que modifica la afinidad de la enzima por el sustrato.
El regulador alostérico puede ser activador o inhibidor

• Regulación alostérica por efecto cooperativo:
Hemoglobina: al unirse las primeras moléculas de oxígeno se
producen cambios conformacionales que promueven la incorporación
de otras moléculas de oxígeno
Mayor afinidadMenor afinidad

•La máxima velocidad de reacción se da cuando varios sustratos se han
unido. La unión del primer sustrato “facilita” la unión del segundo y se
facilita más la unión del tercer sustrato, etc. Este fenómeno se denomina
efecto cooperativo.
Proteína poco
activa
Proteína muy
activa

Las enzimas alostéricas son grandes, oligoméricas y su cinética no se
ajusta a la curva de Michaelis-Menten.
Pueden tener un efecto cooperativo positivo o negativo:

• Regulación alostérica por retro-inhibición:
El producto final de una ruta metabólica puede inhibir el primer
paso de la síntesis.

• Regulación no alostérica:
• El inhibidor o activador actúa sobre el centro activo.
• La enzima muestra una cinética de Michaelis-Menten,
aunque alterada respecto de la gráfica normal.
• Puede ser:
• IRREVERSIBLE: si el enzima queda modificado
covalentemente, alterando su estructura terciaria. Su
reversión requiere la acción enzimática.
• REVERSIBLE: La inactivación no es permanente.

• Ej. Inhibición irreversible:
–Ejemplo: ligandos de coordinación de metales:
• Cianuro: bloquea el Fe hemínico de la citocromoxidasa –enzima de
la cadena respiratoria-, impidiendo toda modificación posterior, por lo
que es muy tóxico
• Agentes quelantes (EDTA): tetracetato de etilendiamina: quelación
del calcio en la aterosclerosis; eliminación de metales pesados (Pb)
de aguas, suelos y sangre; detergente, anticoagulante (captura
calcio) e inactivación de enzimas que afectan al ADN

• INHIBICIÓN REVERSIBLE:
-La inactivación no es permanente.
-Según su modo de actuación puede ser:
-Competitiva
-No competitiva
• INHIBICIÓN COMPETITIVA
– El inhibidor se fija al centro activo de la enzima libre,
impidiendo la fijación del substrato.
– Los inhibidores compiten con el sustrato por el centro
activo, debido a su similar estructura espacial.
– Se revierte su efecto aumentando la concentración de
sustrato.

• EJ. INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA:
COO-
CH2
CH2
COO-
FAD FADH2
COO-
CH
CH
COO-
Succinato Fumarato
SDH
COO-
CH2
COO-
Malonato
COO-
C O
CH2
COO-
Oxalacetato
Inhibición de la succinato deshidrogenasa por malonato u oxalacetato

• EJ. INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA:
Inhibición de la succinato deshidrogenasa por oxalacetato
COO-
CH2
CH2
COO-
Succinato
COO-
C O
CH2
COO-
Oxalacetato

• INHIBICIÓN REVERSIBLE NO COMPETITIVA:
– El inhibidor se fija a la enzima independientemente de que lo haga
o no el substrato; el inhibidor, por tanto, no impide la fijación del
substrato a la enzima, pero sí impide la acción catalítica.
– Esta inhibición se caracteriza por que no se puede revertir el
efecto del inhibidor, aumentando la concentración del substrato.
– Ejemplo : inhibición de la deshidrogenasa del gliceraldehido-3-
fosfato por la yodo-acetamida:
Enzima-SH + I-CH2 - CONH2 Enzima-S-CH2 - CONH2 + IH

• CINÉTICA DE LA INHIBICIÓN REVERSIBLE:
-Un inhibidor competitivo
cambia la Km y no la Vmax.
-Un inhibidor no competitivo
cambia la Vmax y no la Km.

• Pro-enzimas o zimógenos:
Algunas enzimas se biosintetizan inicialmente inactivadas y
se activan cuando eliminan una parte del polipéptido. Estas
enzimas se conocen como zimógenos o proenzimas. La
eliminación del polipéptido es irreversible.

El paso de zimógeno a
enzima activa se produce
cuando se rompe un enlace
peptídico específico por
acción de otra enzima,
como la enteropeptidasa en
el sistema digestivo

Cascada de activación de zimógenos por corte proteolítico

ISOENZIMAS
• Es 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.
• Se diferencian entre sí por su composición de
aminoácidos, al estar codificadas por genes distintos
(con un origen evolutivo común, por duplicación
génica)

Ej. DE ISOENZIMA
• 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.

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

Ej. DE ISOENZIMA
V máx pequeña
Especializado en el uso
aeróbico del pirúvico. Sólo
se emplea la ruta
anaeróbica en
emergencias.
KM piruvato alta (afinidad baja)
H4
V máx alta
Tejido especializado en el
uso anaeróbico de la
glucosa con alta formación
de lactato
KM piruvato baja (afinidad alta)
M4
• Estas isoenzimas presentan características cinéticas
distintas.

Sistemas multi-enzimáticos
• Son asociaciones de enzimas que realizan
funciones complementarias, actuando de modo
secuencial, catalizando 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.
• 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.

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