Este documento trata sobre las enzimas y la cinética enzimática. Explica conceptos como la velocidad de reacción, los factores que determinan esta velocidad, las clasificaciones de enzimas, su función y cómo trabajan. También describe la ecuación de Michaelis-Menten, parámetros como Km y Vmax, y diferentes transformaciones gráficas de esta ecuación. Por último, aborda factores que afectan la actividad enzimática como el pH y la temperatura.

1. FACULTAD DE MEDICINA Y ENFERMERÍA
CARRERA DE MEDICINA
BIOQUÍMICA I
Enzimas
Profesor:
Dra. Estela Pérez

2. Velocidad de una reacción
Velocidad de una reacción es distinto que equilibrio de una reacción
S
P
¿Qué determina la velocidad de una reacción?
1. Los choques efectivos de los sustratos
2. Que se alcance al estado de transición (Ea)

3. Enzimas
•
Enzimas = Biomoléculas que catalizan una reacción química
• Algunas requieren un grupo químico adicional
COFACTOR
COENZIMA
• Holoenzima: enzima unida a su cofactor o
coenzima.
• Apoenzima o apoproteína: sólo la parte
proteica.

4. Clasificación de las enzimas según acción
➢Subclases
1: Oxidoreductasas
• Deshidrogenasas
• Oxigenasas
2: Transferasas
• quinasas
• aminotransferasas
(transaminasas)
• acetil-transferasas

5. ¿Cuál es la función las enzimas?
Sitio activo: bolsillo de la enzima que une al
sustrato
Las enzimas aumentan la velocidad de la
reacción, no el equilibrio
E+S
ES
EP
E+P

6. ¿Cómo trabajan las enzimas?
• La reacción catalizada por la enzima ocurre en el SITIO ACTIVO
• La molécula que se une al sitio activo se denomina SUSTRATO
• Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción
• NO AFECTAN EL EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN
E+S
ES
EP
E+P

7. ¿Cómo funcionan las enzimas?
SITIO ACTIVO
- Región catalítica especializada
- Microentorno único
• Agua excluída (salvo reactiva)
• pKa especiales
- Multiplicidad de enlaces débiles
• Energía de unión alta (15-50 kJ·mol-1)
• Kd baja (10-2-10-9 M)
- Especificidad=complementariedad
• Forma 3D complementaria E-S
• Enlace direccionales
• Llave en cerradura / Ajuste inducido
S
E + S
P
ES
E + P

8. Curvas de progreso de la reacción

9. Velocidad y orden de reacción

10. Diagrama de una reacción química
S
P
ENERGÍA DE
ACTIVACIÓN

11. Diagrama de una reacción química catalizada
E+S
ES
E+P

12. ¿Por qué las enzimas catalizan reacciones bioquímicas?
1. Enlaces covalentes: Vía de reacción alternativa con menor Ea
2. Uniones débiles: Fuente de energía para alcanzar la Ea y
estabilización del estado de transición
Determinan especificidad y catálisis

13. Mecanismos generales de catálisis.
Estabilización del estado de transición
• Desolvatación del sustrato (sustituye por unión ES)
• Distorsión del sustrato (“tensión” similar a TS)
• Alineamiento de grupos catalíticos
• Reducción de entropía de reactivos

14. Perfiles de energía en una reacción química catalizada

17. ¿Por qué las enzimas son buenos catalizadores?
1. Disminuyen la entropía de los sustratos, por lo que aumentan las colisiones
efectivas
2. Las enzimas reemplazan todos (o casi todos) los puentes de H que el sustrato
forma con el agua, por lo que provee de energía para alcanzar más fácilmente
la Ea
3. Cambios conformacionales que sufre la enzima puede aumentar el número de
interacciones débiles con el(los) sustrato(s) (encaje inducido)

18. Mecanismos generales de catálisis.
Estabilización del estado de transición
• Desolvatación del sustrato (sustituye por unión ES)
• Distorsión del sustrato (“tensión” similar a TS)
• Alineamiento de grupos catalíticos
• Reducción de entropía de reactivos

19. Tipos de catálisis enzimática
1. Catálisis ácido – base
2. Catálisis covalente
3. Catálisis de unión a iones metálicos

20. 1. Catálisis ácido – base
Los sitios activos de las enzimas contienen cadenas laterales de aminoácidos que actúan
como aceptores o donores de protones (ácidos y bases).
En estas reacciones ocurre transferencia de protones.

21. 1. Catálisis combinadas: ácido – base y covalente

22. 2. Catálisis covalente
Implica la formación de un enlace covalente transitorio entre la enzima y el sustrato. Por
ejemplo, si se considerara la hidrólisis de un enlace entre los grupos A y B:
Si estamos en presencia de un catalizador covalente, la reacción será:
Esto altera la ruta de la reacción y sólo produce catálisis si la nueva ruta tiene una
energía de activación inferior que la ruta no catalizada. Los dos nuevos pasos han de ser
más rápidos que la reacción no catalizada.
Los complejos covalentes siempre experimentan una reacción adicional para regenerar
la enzima libre.
Ej.

23. 3. Catálisis de unión a iones metálicos
Los metales, tanto si están fuertemente unidos a la enzima como si son captados de la
solución junto con el sustrato, pueden participar de diferentes maneras en la catálisis.
Los metales:
a) Funcionan como ácidos de Lewis.
b) Tienen la capacidad de unir moléculas de agua, aún a pH ácidos.
(
)
M n + + H 2O ⇔ M n + OH − + H +
Ej. Anhidrasa carbónica
E-Zn2+—OH- + CO2
E-Zn2+ + HCO3-
Hidroxilo unido al metal agente nucleofílico
c) Protegen las cargas negativas de sustratos.

24. Cinética enzimática: Efecto de la concentración de S
VR
E+S
E+P
V -R
V1
E+S
V2
ES
V -1
E+P
V -2
V2 << V1 por lo que VR (de la reacción global) depende de V2
Si VR depende de V2, entonces depende de la [ES]
• Si hay poco S, hay poco ES por lo que la reacción será más lenta
• Si hay mucho S, hay mucho ES por lo que la reacción será más rápida
• Si hay exceso de S, toda la E disponible está como ES, por lo que se
alcanza la velocidad máxima de reacción
http://www.biorom.uma.es/contenido/UPV_EHU/enzimas/enz1.htm#p

25. Ecuación de Michaelis - Menten

26. Ecuación de Michaelis - Menten

27. Ecuación de Michaelis - Menten

28. Ecuación de Michaelis – Menten. Significado de Km
• Km es una constante que se deriva
a partir de constantes de
velocidad:
(k-1 + k2)/k1
• Es una estimación de la constante
de disociación del complejo ES
para dar E + S, a partir de (k-1/k1).
• Una Km pequeña significa ES en
unión fuerte.
• Una Km alta significa ES en unión
débil

29. Ecuación de Michaelis – Menten. Significado de Vmáx
• es una constante.
• Es la velocidad máxima teórica de la
reacción – pero, en realidad, nunca se
alcanza.
• Para alcanzar la velocidad máxima se
requiere que [S] >> [E] y que todas las
moléculas de enzima estén unidas al
sustrato.
• Vmax se alcanza asintóticamente a
medida que la concentración de
sustrato aumenta

30. Ecuación de Michaelis – Menten: Parámetros
VMAX = Velocidad máxima de
la reacción.
Km = constante de Michaelis
Concentración de sustrato
a la cual la velocidad de la
reacción es ½ de Vmax.

31. Ecuación de Michaelis – Menten: Parámetros
La Vmáx se alcanza cuando todos los sitios activos están saturados con
sustrato.

32. Ecuación de Michaelis – Menten: Factores a considerar.
Para utilizar la ecuación de Michaelis-Menten debe asumirse que:
-
Las concentraciones relativas de E y S: La concentración de
sustrato ([S]) es mucho mayor que la concentración de enzima ([E]),
de manera que la proporción de sustrato fijo a la enzima es siempre
relativamente pequeña.
-
La reacción esta en equilibrio: [ES] no cambia durante el tiempo
(la reacción se asume en equilibrio de flujos).
-
Velocidad Inicial: Deben usarse velocidades iniciales (Vo). Esto
significa que la velocidad de la reacción debe determinarse tan
pronto como el sustrato y la enzima son mezclados. En dicho
tiempo, la concentración de productos es despreciable y, por lo
tanto, la reacción inversa de productos a sustratos puede ser
ignorada.

33. Los dobles recíprocos: Ecuación de Lineweaver-Burk
y=mx+n
y equivale a 1/V0
m equivale a Km/Vmax
x equivale a 1/[S]
n equivale a 1/Vmax

34. Parámetros enzimáticos.

35. Otras transformaciones gráficas de la ecuación de Michaelis-Menten
Gráfico de Eadie-Hofstee
Los valores obtenidos son mas precisos,
porque no incluye el error intrínseco en el
uso de valores recíprocos

36. Otras transformaciones gráficas de la ecuación de Michaelis-Menten
Gráfico de Hanes-Woolf

37. Otras transformaciones gráficas de la ecuación de Michaelis-Menten
Gráfico de Eisenthal/Cornish-Bowden

38. Km varía entre enzimas, incluso entre sustratos de una enzima
http://www.biorom.uma.es/contenido/tests/bioq_uh/enz1.htm

39. Constante catalítica
k1
E+S
E+S
k1
k-1
k2
ES
k-1
ES
k2
k-2
E+P
EP
k3
kcat = Vmax / [ET]
Vmax = k2·[ET]
k2 = Vmax/[ET]
Vmax = k3·[ET]
k3 = Vmax/[ET]
E+P

40. Número de recambio
kcat = Vmax / [ET]
NÚMERO DE RECAMBIO
Número de moléculas de sustrato convertidas en
producto en una unidad de tiempo, por una molécula
de enzima cuando la enzima está saturada de
sustrato.

41. Números de recambio kcat de algunas enzimas

42. Eficiencia catalítica
La velocidad de un sustrato está controlada por el límite dado por Difusión, está en
el rango de 108 a 109 M-1s-1.
kcat/Km es una medida de la eficiencia catalítica

43. Enzimas alostéricas.
Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten.
• Se dice que su cinética no es Michaeliana.
• Esto ocurre con las llamadas enzimas alostéricas, cuya gráfica v contra [S] no
es una hipérbola, sino una sigmoide (en forma de s).
• En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica
(cercana a la Km) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de
reacción.

44. Enzimas alostéricas.
http://www.biologia.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/energy_enzymes_catalysis/03t.html

45. Efecto del pH.
• Las enzimas, al ser proteínas, poseen propiedades que son muy sensibles al
pH. De hecho, la mayoría de las proteínas sólo son activas en un estrecho
intervalo de pH, típicamente entre 5 y 9.
• Esto es el resultado de los efectos del pH sobre una combinación de factores:
•
la fijación del sustrato a la enzima, frecuentemente utilizando enlaces
electrostáticos que dependen de la ionización de los participantes.
• la actividad catalítica de la enzima, dependiente del estado de ionización
de los aminoácidos importantes localizados en el sitio activo de la
enzima, así como de su estructura terciaría y cuaternaria.
• la ionización del sustrato y
• la variación de la estructura proteica misma (normalmente, sólo
significativa a pH extremos).

46. Efecto del pH.
El pH óptimo es aquel al cual la enzima manifiesta su mayor actividad y
frecuentemente refleja el pH al cual la enzima funciona dentro del
organismo.
El pH de mayor actividad varía para diferentes enzimas.

47. Efecto de la temperatura.
Efecto de la temperatura sobre las enzimas
Puesto que la estructura proteica es la que determina la actividad
enzimática, cualquier causa que perturbe esta estructura puede llevar a una
pérdida de actividad.
Aunque el rango general de temperaturas adecuadas para las reacciones
enzimáticas es muy estrecho, los cambios ligeros suelen tener una considerable
influencia.
Al aumentar la temperatura, la velocidad de reacción aumenta y, para
casi todas las enzimas, un incremento de 10°C duplica e incluso triplica la
velocidad de reacción.
Por otro lado, ese mismo aumento de temperatura acelera también la
inactivación de la enzima por desnaturalización térmica. Para muchas enzimas la
región de inactivación térmica está muy próxima de la temperatura óptima.
La velocidad de inactivación térmica depende también del pH, fuerza
iónica y del estado físico de la enzima

48. Efecto de la temperatura.

49. Inhibición enzimática
IRREVERSIBLES
REVERSIBLES
COMPETITIVA
ACOMPETITIVA
MIXTA o NO COMPETITIVA

50. Inhibición enzimática: Inhibición competitiva

51. Inhibición enzimática: Inhibición competitiva
−
1
Km
Km
aumenta
aumenta
[I]
α = 1+
kI

52. Inhibición enzimática: Inhibición acompetitiva

53. Inhibición enzimática: Inhibición acompetitiva
[I ]
α ' = 1+
k 'I
1
Vmax
Vmax
−
1
Km
Km
disminuye
disminuye
aumenta
disminuye

54. Inhibición enzimática: Inhibición mixta o no competitiva

55. Inhibición enzimática: Inhibición mixta
α = α´
NO COMPETITIVA
• AFECTA VMAX
• NO AFECTA KM

56. Mecanismos de regulación enzimática

57. Efectos alostéricos de moduladores positivos y negativos