biologia

1. J.Salgado(UVEG–2005-06)
Enzimas
Tema 4

2. J.Salgado(UVEG–2005-06) Catalizadores Biológicos
Ejemplos de reacciones catalizadas
Anhidrasa
carbónica
Péptido o
proteína
Proteasa
• 1011 veces más rápida que sin enzima
• La especifidad depende del grupo R1
• Convierte 6x105 moléculas por
segundo
• 107 veces más rápida que sin enzima
• Catalizador:
– Aumenta la velocidad de
reacción
– No varía ∆G de la
reacción
– Facilita la reacción en
condiciones no extremas
– No se consume durante la
reacción
• Los catalizadores
biológicos son:
– Casi siempre proteínas
(enzimas)
– Excepcionalmente RNA
catalítico (zibozimas)

3. J.Salgado(UVEG–2005-06) El Centro Activo
Uracilo
(parte del
Sustrato)
Serina
Treonina
Ribonucleasa
Centro activo
Ejemplo de un centro activo• Las enzimas son
específicas por sus
sustratos
– Interacción precisa enzima-
sustrato
– Sitio de interacción: “centro
activo”
• Hendidura tridimensional
• Zona pequeña de la enzima
• Propiedades especiales para
la unión y para la catálisis
del sustrato
– Sustrato y centro activo
tienen formas
complementarias
– Interacción a través de
enlaces débiles

4. J.Salgado(UVEG–2005-06) El Estado de Transición
Explicación termodinámica
S S* P
Sustrato (S)
Producto (P)
Progreso de la reacción
Energíalibre
De
reacción
(No catali-
zada)
Estado de
transición S*
(catalizada)
Energía de
activación
• La reacción transcurre
a través de un estado
de transición (S*)
– Intermedio entre S y P
– Mayor energía que S
• Barrera de energía de
activación
• La enzima facilita la
formación de S*
– Reduce la energía de
activación
• Acelera la reacción
– S* es complementario
con el centro activo

5. J.Salgado(UVEG–2005-06) Modelos del Complejo Enzima-Sustrato
• La llave y la cerradura
(Fisher, 1890)
– Centro activo y sustrato
son perfectamente
complementarios
• Reconocimiento molecular
• Ajuste inducido
(Koshland, 1958)
– La unión del sustrato
induce un cambio en el
centro activo que
aumenta la
complementariedad
• Reconocimiento molecular
dinámico
Sustrato
Enzima
Complejo ES
Enzima
Complejo ES
Sustrato
Estado de
transición

6. J.Salgado(UVEG–2005-06) Tipos de Enzimas
• Oxidoreductasas
– Catalizan reacciones de
oxidoreducción
• Deshidrogenasas, oxidasas,
oxigenasas, reductasas,
peroxidasas
• Transferasas
– Catalizan transferencias de
grupos químicos
• Transcarboxilasas,
transaminasas,
transmetilasas
• Hidrolasas
– Catalizan la rotura de
enlaces por adición de agua
• Esterasas, fosfatasas,
peptidasas
• Liasas
– Catalizan la eliminación de
grupos para formar un doble
enlace
• Descarboxilasas,
deshidratasas, desaminasas
• Isomerasas
– Catalizan reordenamientos
moleculares
• Epimerasas, mutasas
• Ligasas
– Catalizan formaciones de
enlace entre dos sustratos,
con energía aportada por la
hidrólisis de ATP

7. J.Salgado(UVEG–2005-06) Cofactores Enzimáticos
• Componentes no proteicos requeridos
para la actividad de la enzima
– Apoenzima + cofactor = holoenzima
– Dos tipos
• Iones metálicos
– Mg2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, ...
• Coenzimas
– Moléculas orgánicas pequeñas
– Muchas derivan de las vitaminas

8. J.Salgado(UVEG–2005-06) Vitaminas
• Moléculas orgánicas pequeñas necesarias en
la dieta
– Los organismos superiores no pueden
sintetizarlas
• Han de ser ingeridas
• Su carencia provoca enfermedades
• Dos tipos, según su solubilidad:
– Hidrosolubles
• La mayoría son precursoras de coenzimas
– Liposolubles
• Participan directamente en funciones importantes

9. J.Salgado(UVEG–2005-06) Vitaminas Hidrosolubles
Vitamina Coenzima Reacción típica
Consecuencias de la
deficiencia
Tiamina (B1)
Pirofosfato de
tiamina
Transferencia de
aldehído
Beriberi (pérdida de
peso, problemas de
corazón)
Riboflavina (B2)
Flavina adenina
dinucleótido (FAD)
Oxidación-reducción
Estomatitis angular,
dermatitis
Piridoxina (B6) Fosfato de piridoxal
Transferencia de grupo
químico en aminoácidos
Depresión,
convulsiones
B12
5’-desoxiadenosil-
cobalamina
Transferencia de grupos
metilo
Anemia perniciosa,
acidosis metilmalónica
Ácido nicotínico
(niacina)
Nicotinamida adenina
dinucleótido (NAD+)
Oxidación-reducción
Pelagra (dermatitis,
diarrea, depresión)
Ácido pantoténico Coenzima A
Transferencia de grupos
acilo
Hipertensión
Ácido fólico Tetrahidrofolato Síntesis de timina
Anemia, defectos en
tubo neural (en niños)
Ácido ascórbico (C) Antioxidante
Escorbuto (inflama-
ción y hemorragia de
encías)

10. J.Salgado(UVEG–2005-06) Vitaminas Liposolubles
Vitamina Función en la que interviene
Consecuencias de la
deficiencia
A
Visión, crecimiento,
reproducción
Precursora del retinal (pigmento de
la visión) y del ácido retinoico
(activador de la transcripción)
Ceguera nocturna, lesión en la
córnea y en aparatos digestivo
y respiratorio
D
Regulación del metabolismo del
calcio y del fosfato
Precursora de la hormona 1,25-
dihidroxicolecalciferol (1,25-DHCC)
Raquitismo (en niños)
Osteomalacia (en adultos)
E
Antioxidante
Neutraliza especies reactivas de
oxígeno (radicales libres)
Inhibición de la producción de
esperma, lesiones musculares
y nerviosas
K
Coagulación sanguínea
Participa en la carboxilación de
residuos de glutamato
Hemorragias subdérmicas

11. J.Salgado(UVEG–2005-06) Nociones de Cinética Química
• En condiciones de
equilibrio
• Velocidad de reacción
Velocidad
Consumo
de A
Formación
de B
Constante de
velocidad
A B
k1
k -1
En el equilibrio v = 0

12. J.Salgado(UVEG–2005-06) Nociones de Cinética Química
A B C
• Reacciones sucesivas
– La velocidad depende del paso más lento
k1 k2
Si k2 << k1, entonces B C es el paso limitante de la reacción,
y la velocidad depende sólo de k2
k2
B = Intermediario
– Cuando la primera reacción es reversible, la
llamamos preequilibrio
A B C
k1
k -1
k2
Si k2 << k-1, entonces A y B pueden llegar virtualmente al equilibrio, y
decimos que se alcanza un estado estacionario

13. J.Salgado(UVEG–2005-06) Cinética de la Catálisis Enzimática
Producto
Complejo
enzima-sustrato
(intermediario)
Preequilibrio
E + S ES E + P
k1
k -1
k2
Fase de catálisis:
transformación de S en P y
recuperación de E
Fase de afinidad: unión
de S al centro activo de E y
formación del complejo ES
Es el paso limitante
Constante de
disociación del
complejo ES Constante
catalítica (kcat)

14. J.Salgado(UVEG–2005-06) Modelo Cinético de Michaelis-Menten
• Relaciona la velocidad de catálisis con la
concentración de sustrato
• Parte de los siguientes supuestos
1. P no se convierte en S
– Es cierto cuando [P] es muy baja (al inicio de la
reacción). Consideramos velocidades iniciales (V0)
2. K2 << k-1
– Se alcanza el estado estacionario
– [ES] se considera constante
3. [E] << [S]
– [S] ≈ [S]inicial

15. J.Salgado(UVEG–2005-06) Estado Estacionario
TiempoEstado
Pre-estacionario
Concentración
Equilibrio
Estado estacionario: d [ES] / d t ≈ 0 [E]

16. J.Salgado(UVEG–2005-06) Ecuación de Michaelis-Menten
E + S ES E + P
k1
k -1
k2
1 Velocidad Inicial:
2 En el estado estacionario:
Constante
de Michaelis
V0 alcanza el valor máximo
cuando [ES]=[E]total
Ecuación de Michaelis
(curva hiperbólica):

17. J.Salgado(UVEG–2005-06)Representación de la Ecuación de Michaelis
• Se representan valores de velocidad inicial , V0 , para distintos valores de
concentración inicial de sustrato [S]1, [S]2, etc
• V0 aumenta al aumentar [S], hasta llegar a la saturación ([ES] ≈ [E]total, se
alcanza Vmax)
• KM representa la [S] para la cual se alcanza la mitad de la Vmax
• Vmax es un valor asintótico (se alcanza para [S] = ∞ ). No se puede obtener de
la representación hiperbólica
Equilibrio
Tiempo
Producto
[S]1
[S]2
[S]3
[S]4
Velocidaddereacción Concentración de sustrato [S]

18. J.Salgado(UVEG–2005-06) Linealización de la Ecuación de Michaelis
• Para determinar Vmax y KM con precisión la ecuación de Michaelis se
transforma en una función lineal
• Representación de Lineweaber-Burk (o de dobles inversos)
Inverso
1/ V0
1/ [S]
1/ Vmax
-1/ KM
Pendiente:
KM / Vmax
Pendiente
Ordenada en
el origen
Recta

19. J.Salgado(UVEG–2005-06) Significado de la KM
• Dos significados
– KM
es la [S] para cual V0
= ½Vmax
• Nos dice cuál es la [S] necesaria para que ocurra una catálisis
significativa
– Cuando k2
<< k-1
, KM
≈ KS
(constante de disociación del
complejo ES)
• Nos informa de la afinidad de la enzima por el sustrato (si KM
es grande, KS es grande y la afinidad es pequeña, y viceversa)
• KM Tiene unidades de concentración (M)
• Para una enzima determinada
– KM
varía según el sustrato y las condiciones (pH,
temperatura, fuerza iónica, ...)
≈

20. J.Salgado(UVEG–2005-06) Significado de Vmax
y de k2
(kcat
)
• La Vmax revela el número de recambio de la
enzima
– Número de recambio = kcat
• número de moléculas de sustrato convertidas en producto
por unidad de tiempo y por cada molécula de enzima, en
condiciones de saturación
E + S ES E + P
k1
k -1
k2
1 / kcat
es el tiempo
necesario para la
conversión de una molécula
de sustrato en producto (un
ciclo catalítico)
Unidades:
M s-1
Unidades:
s-1
Unidades:
M

21. J.Salgado(UVEG–2005-06) Eficacia Catalítica (kcat
/ KM
)
• En condiciones fisiológicas las enzimas
no se encuentran saturadas ([S] < KM
)
– En estas condiciones
• Constante de velocidad para la interacción entre
E y S
• Representa la eficacia catatalítica de la
enzima
• Sirve para comparar la preferencia de una
enzima por diferentes sustratos
• Unidades: M-1s-1

22. J.Salgado(UVEG–2005-06) Inhibición Enzimática
• Inhibición: Disminución de la actividad de
una enzima por acción de un inhibidor
– Irreversible
• El inhibidor se une fuertementa a la enzima
– Ejemplos:
» La ampicilina: Modifica covalentemente una
transpeptidasa responsable de la síntesis de la pared
celular bacteriana
» La aspirina: Modifica covalentemente una
ciclooxigenasa que produce señales inflamatorias
– Reversible
• El inhibidor se une a la enzima por enlaces débiles, y el
complejo EI se encuentra en equilibrio con las formas
libres (E e I)

23. J.Salgado(UVEG–2005-06) Inhibición Reversible Competitiva
Sin inhibidor
[S]
Velocidaddereacción
Sustrato
Inhibidor
competitivo
• El inhibidor se une a
la enzima libre
– Compite con el
sustrato
• Puede ser superada a
[S] elevada. No afecta
a la Vmax
(ni a la kcat
)
• Afecta a la KM
– Aumenta la KM, que
llamamos aparente
(KM
aparente
> KM
)
– Suelen ser moléculas
similares al sustrato
o análogos del
estado de transición

24. J.Salgado(UVEG–2005-06) Inhibición Reversible No Competitiva
Sustrato
Inhibidor
no competitivo
• El inhibidor se une tanto
al E y como al complejo
ES
– Se une en un sitio distinto
del sitio activo
• No se supera con [S]
elevada
• Vmax
disminuye
– Vmax
aparente
< Vmax
• No afecta a La KM
Velocidaddereacción
Sin inhibidor
[S]

25. J.Salgado(UVEG–2005-06) Análisis Gráfico de la Inhibición
Inhibición competitiva
+ Inhibidor
competitivo
Sin
inhibidor
+ Inhibidor
no competitivo
Sin
inhibidor
Inhibición no competitiva
-1/KM
-1/KM
ap
1/Vmax
-1/KM
-1/Vmax
ap
1/Vmax

26. J.Salgado(UVEG–2005-06) Mecanismos Moleculares de Regulación Enzimática
• Permiten la adaptación de la actividad a
necesidades fisiológicas, estados del
desarrollo o condiciones ambientales
– Regulación temporal/espacial
• Utilización de isoenzimas
– Regulación lenta
• Control de la disponibilidad y de la vida media de la
enzima
– Regulación rápida
• Control alostérico
• Modificación covalente
– Reversible
– Irreversible

27. J.Salgado(UVEG–2005-06) Isoenzimas
• Son distintas formas de una misma
enzima
– Enzimas homólogas presentes en un
mismo organismo
• Cada isoenzima en un tejido diferente o en un
momento distinto del desarrollo
• Catalizan la misma reacción, pero con
pequeñas diferencias
– Pequeñas diferencias en su secuencia
» Diferencias en su estructura
» Distintos valores de KM y/o Vmax
» Distintas propiedades reguladoras

28. J.Salgado(UVEG–2005-06) Vida Media y Disponibilidad de las Enzimas
• Muchas enzimas presentan una vida
media corta
– En las células existe un recambio proteico
constante
– La concentración de las enzimas se
encuentra regulada
• A través de la regulación de su síntesis
– Regulación de la transcripción y de la traducción
• A través de la regulación de su degradación
– Mediada por la ubiquitina y ejecutada por el
proteasoma

29. J.Salgado(UVEG–2005-06) Enzimas Alostéricas
• Contienen varios centros de
unión y varias subunidades
– Centros activos
– Centro reguladores
• Efecto alostérico
– A través de cambios
conformacionales
• Alosterismo homotrópico
– Entre centros equivalentes
• Cooperatividad
– Curvas sigmoides
– No siguen la cinética de
Michaelis-Menten
• Alosterismo heterotrópico
– Efecto de centros reguladores
sobre centros activos
sustrato
[sustrato]
V
V
Estado R
Estado T

30. J.Salgado(UVEG–2005-06) Regulación de rutas Metabólicas
• Control a nivel de sustrato
– La acumulación de producto inhibe la acción de
la enzima que lo genera
• Control por retroinhibición
– El producto final de una ruta inhibe el primer
paso de la ruta
Glucosa + ATP Glucosa-6-P + ADPHexoquinasa
Inhibición
A B C D N
Retroinhibición

31. J.Salgado(UVEG–2005-06) Modificación Covalente
• Irreversible
– Activación por rotura
proteolítica de
precursores inactivos
(zimógenos)
• Enzimas de la
digestión
• Cascada de
coagulación
• Activación de caspasas
en la apoptosis
• Reversible
– Unión covalente de
un grupo químico
que altera las
propiedades
catalíticas de la
enzima
• Fosforilación-
desfosforilación
• Oxidación-reducción
• Acetilación-
desacetilación

32. J.Salgado(UVEG–2005-06) Cascada de la Coagulación

33. J.Salgado(UVEG–2005-06) Regulación por Fosforilación Reversible
• Fosforilación
– Transferencia de grupo fosforilo desde el ATP a
grupos –OH de Ser Thr o Tyr
– Es cataliza por proteínas quinasa
– A menudo desencadena efectos amplificados
• Una sola quinasa activa centenares de otras enzimas
que. A su vez cada una de ellas activará centenares de
otras enzimas, ...etc.
• Desfosforilación
– Eliminación de grupo fosforilo de proteína
fosforilada
– Catalizada por proteína fosfatasa