Enzimologia-ppt-bioquimica para veterinaria

Enzimologia.ppt
Bioquímica
Universidad Xochicalco - Ensenada
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Enzimología
 Generalidades.
 Clasificación.
 Modo de acción de las enzimas.
 Cinética de las reacciones simples catalizadas
por enzimas. Ecuación de Michaelis-Menten.
 Actividad enzimática. Unidades. Cuantificación
de la actividad enzimática.
 Coenzimas.
 Factores que afectan la cinética enzimática.
Inhibidores enzimáticos.
 Regulación de la catálisis enzimática.

Las enzimas son:

- 2 ATP
+ 2 NADH + H+
+ 2 ATP
+ 2 NADH + H+
+ 1 ATP
+ 3 NADH + H+
+ 1 FADH2
+ 2 ATP
C6H12O6 + 6 O2 -> 6CO2 + 6 H2O
∆G°´ -2870 kJ/mol

Las enzimas son proteínas altamente especializadas.
Función: catálisis (o regulación de la velocidad) de las
reacciones químicas en los seres vivos.
E + P
E + S [ES]

Las enzimas son proteínas* que catalizan
reacciones químicas
 Muchas reacciones requerirían condiciones extremas de presión,
temperatura o pH sin catalizador, pero ocurren en condiciones
fisiológicas con enzimas.
Ej. Glc ----> CO2 + H2O en un calorímetro = Ø
* En su mayoría son proteínas, hay ARN con capacidad catalítica
(ribozimas)
Las enz. aceleran a 1010 a 1014 veces más rápido que las
reacciones no catalizadas.
Ureasa en orina = 1014 (significa que una reacción que catalizada
toma 1 segundo podría tomar 3 millones de años sin estar catalizada).

Las proteínas enzimáticas están formadas por una gran cantidad de
aminoácidos (AA), que cumplen funciones diferenciadas:
No esenciales, estructurales, de unión y catalíticas.
•Los AA no esenciales pueden ser reemplazados y, en algunos casos,
eliminados sin pérdida significativa en la función o conformación de
una enzima.
•Los AA estructurales = conformación de la enzima, "forman su
esqueleto".
•Los AA de unión = asociación entre la enzima y el sustrato.
•Los AA catalíticos = transformación del sustrato.
Estructura de una enzima

Aspectos generales de las enzimas
 Las enzimas son catalizadores
específicos: cada enzima cataliza un solo
tipo de reacción y casi siempre actúa sobre
– un único sustrato o
– un grupo muy reducido de ellos.
Sustrato: sustancia sobre la que actúa la enzima

Especificidad de función de las enzimas

En toda reacción química se produce la
transformación de una sustancia inicial,
denominada sustrato (S), en una sustancia
final o producto (P), según la siguiente
notación:
Mecanismo de la reacción
enzimática

Enzima y su
sustrato
Unión al centro
activo
Formación de
productos
E + S  ES  E + P
Complejo enzima-sustrato
Reacción catalizada por una enzima:
centro activo región concreta de la enzima donde el sustrato se une

 un sitio de unión formado por los aminoácidos que están
en contacto directo con el sustrato y
 un sitio catalítico, formado por los aminoácidos
directamente implicados en el mecanismo de la reacción
El centro activo comprende
Centro activo: Es el sitio donde están los AA de unión al S
y los AA que median el efecto catalítico de la enzima.
(uniones intermoleculares de la enzima c/el S en una orientación tal que
encajan correctamente, como las piezas en un rompecabezas).

Sitio de unión: es el que le da la especificidad a la enzima
Sitio
catalítico
El sustrato se une a la enzima luego se inicia la catálisis

Nomenclatura
Hay varias formas de nombrar una
enzima:
 nombres particulares
 nombre sistemático
 código de la comisión de enzimas
(EC = Enzyme Comission) de la UIB

Nomenclatura:
nombres particulares
 Antiguamente, los enzimas recibían nombres
particulares, asignados por su descubridor.
 Ejemplos: amilasa (hidrolisa el almidón)
glucoquinasa
Glc + ATP  Glc-6P + ADP
 Al ir aumentando el número de enzimas conocidas, se
hizo necesaria una nomenclatura sistemática que
informara sobre la acción específica de cada enzima y
los sustratos sobre los que actuaba.

Nomenclatura:
nombre sistemático
Consta actualmente de 3 partes:
 el sustrato preferente
 el tipo de reacción catalizada
 terminación "asa"
ejemplo: la glucoquinasa
ATP:glucosa fosfo transferasa

Comisión de Enzimas
Nomenclatura: __.__.__.__.
El nombre es identificado por un código numérico:
 encabezado por las letras EC (enzyme commission)
 seguidas de cuatro números separados por puntos.
– el primer número indica a cual de las seis clases
pertenece la enzima,
– el segundo se refiere a distintas subclases dentro de
cada grupo,
– el tercero y el cuarto se refieren a los grupos químicos
específicos que intervienen en la reacción y el nº de
orden en la lista.

Clases
1. Óxido-reductasas
2. Transferasas
3. Hidrolasas
4. Liasas
5. Isomerasas
6. Ligasas
Clasificación y
Nomenclatura:

EC 2.7.1.2.
2: transferasa
7: fosfotransferasa
1: el aceptor es un grupo OH
2: es un OH de la D-glucosa el que acepta el grupo
fosfato.
Nomenclatura:
Ej.: la ATP:glucosa fosfotransferasa
(glucoquinasa)
Glucoquinasa

Creatin fosfo quinasa
 Dímero: M (músculo) – B (cerebro)
separables por electoforesis (método de
estudio)
 Cerebro = BB (CPK1 - rápida)
 Músculo esquelético= MM (CPK3 - lenta)
 Corazón = MB (CPK2 - intermedia) h. 6%
de la CPK total = 10-50 UI/L a 30ºC.

Clasificación de enzimas
CK o CPK = EC 2.7.3.2: Creatina kinasa
 Clases
 Subclases
 Subsubclases
 Orden
Wiki

CPK o CK
Fosfocreatina
ATP + Creatina (Ác. Alfa-metil guanido-acético)
ADP
HO3P-
CH3

Lactato deshidrogenasa ó LDH
Tetramérica c/2 subunidades distintas: H de
corazón y M de músculo, que se combinan
de 5 formas.
 LDH1 – HHHH – Miocardio y
 LDH2 – HHHM - Miocardio y GR
 LDH3 - HHMM – Cerebro y riñón
 LDH4 – HMMM – Hígado y Músc. Esquel.
 LDH5 – MMMM – Músculo Esquelético

Isoenzimas de Amilasa (AMI)
alfa-Amilasa ó α-amilasa, EC 3.2.1.1 (1,4-α-D-glucan
glucanohidrolasa; glicogenasa) metaloenzima (dependiente de Ca).
Corta enlaces glicosídicos alfa-1,4 al azar o at random.
En animales es la mayor enzima digestiva y su pH óptimo es 6.7-7.0.
En el Hº amilasa salivar y pancreática son alfa-amilasas. Esta forma es
también hallada en plantas, hongos y bacterias (Bacillus).
β-Amilasa (EC 3.2.1.2 ) (1,4-α-D-glucan maltohidrolasa; glicogenasa) es
también sintetizada por bacterias, hongos y plantas. Cataliza la hidrólisis del
segundo enlace α-1,4 glicosídico desde el extremo no reductor, separando 2
unidades de glucosa (maltosa).
Presente en semillas y granos de cereales; en muchos microorganismos que
degradan el almidón extracelular. Los tejidos animales no contienen β-
amilasa, pero puede estar presente en microorganismos del TD. El pH
óptimo es 4.0-5.0.

 γ-Amilasa (EC 3.2.1.3 ) ó Glucan 1,4-alfa-glucosidasa ó
amiloglucosidasa ó Exo-1,4-α-glucosidasa ó glucoamilasa; α-
glucosidasa lisosomal; 1,4-α-D-glucan glucohidrolasa.
 Rompe los enlaces α(1-6) glicosídicos, como también el último
enlace α(1-4)glicosídico del extremo no reductor de amilosa y
amilopectina, produciendo glucosa. Es más activa a pH 3.

MODO DE ACCIÓN DE LAS
ENZIMAS
 La acción de los catalizadores consiste en disminuir la
Energía de activación
 Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que
disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos.
 Por ej, la descomposición del agua oxigenada (H2O2) puede
ocurrir
– sin catalizador Ea= 18 Kcal/mol
– con un catalizador inorgánico (platino) Ea= 12 Kcal/mol
– con una enzima específica (catalasa) Ea= 6 Kcal/mol
 Así, se puede calcular que el platino acelera la reacción 20.000
veces, mientras que la catalasa la acelera 370.000 veces.

Dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une
al centro activo del enzima:
 el modelo llave-cerradura
 el modelo del ajuste inducido
MODO DE ACCIÓN DE LAS
ENZIMAS

MODELO LLAVE-CERRADURA
 La estructura del sustrato y la del centro activo son
complementarias
 Este modelo es válido en muchos casos, pero no es
siempre correcto

MODELO DEL AJUSTE INDUCIDO
 el centro activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del
sustrato.
 La unión del sustrato al centro activo de la enzima desencadena un
cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

Modelos de la interacción E - S

Modelo del Ajuste Inducido

Cofactores - Coenzimas
A veces, una enzima requiere p/su función la
presencia de sustancias no proteicas que
colaboran en la catálisis:
 Los cofactores. Pueden ser iones inorgánicos
como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un
tercio de las enzimas conocidos requieren
cofactores.
 Cuando el cofactor es una molécula orgánica
se llama coenzima.

Cofactores - Coenzimas
 Muchas de estas coenzimas se sintetizan a partir de
vitaminas.
 Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran
unidos covalentemente a la enzima se llaman grupos
prostéticos.
 La forma catalíticamente activa de la enzima =
holoenzima. La parte proteica de una holoenzima se
llama apoenzima (inactiva), de forma que:
apoenzima + grupo prostético= holoenzima

Coenzima: NAD+
Deriva de la Vitamina B5
(ácido nicotínico)

Coenzima: FAD
FAD forma oxidada
FADH2 forma reducida
Deriva de la Vitamina B2 (flavina)
Es grupo prostético

 La cinética enzimática estudia la velocidad de
las reacciones catalizadas por enzimas.
 La velocidad de una reacción catalizada por una
enzima puede medirse con relativa facilidad, ya
que en muchos casos no es necesario
purificar o aislar la enzima.
 Estos estudios proporcionan información directa
acerca del mecanismo de la reacción catalítica y
de la especificidad de la enzima.
CINÉTICA ENZIMÁTICA

 MODELO CINÉTICO DE
MICHAELIS-MENTEN
Finales del siglo XIX: estudios sistemáticos del efecto de la concentración
inicial del sustrato s/la actividad enzimática.
En 1882 se introdujo el concepto del complejo enzima-sustrato como
intermediario del proceso de catálisis enzimática.
En 1913, Leonor Michaelis
y Maud Menten desarrollaron
esta teoría y propusieron una
ecuación de velocidad que explica el
comportamiento cinético de las
enzimas.

MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
v = v3 = k3 [ES] =
V = velocidad de la reacción catalizada por la enzima

La v de una reacción catalizada por una enzima
puede medirse con relativa facilidad (en muchos casos no
es necesario purificar o aislar la enzima).
La medida se realiza siempre en:
 condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia
de cofactores, etc,
 C/concentraciones saturantes de sustrato.
 En estas condiciones, la velocidad de reacción
observada es la velocidad máxima (Vmax).
 Se expresa en aparición de los productos o la
desaparición de los reactivos

MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
CÁLCULO DE LA KM Y DE LA Vmax DE UN ENZIMA
v = v3 = k3 [ES]
V = velocidad de la reacción
catalizada por la enzima
La representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten es una hipérbola . La Vmax
corresponde al valor máximo al que tiende la curva experimental, y la KM corresponde a la
concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la Vmax.

La constante de Michaelis-Menten (KM) es un
parámetro cinético importante por varias razones:
 KM = [S] para la cual la velocidad de reacción es
la mitad de la velocidad máxima.
El valor de KM da idea de la afinidad de la enzima
por el sustrato:
– a menor KM, mayor afinidad del enzima por el
sustrato, y
– a mayor KM, menor afinidad.

 Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-
Menten. Se dice que su cinética no es Michaeliana.
 Esto ocurre con las enzimas alostéricas, cuya gráfica de v
frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide
 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.

Regulación de la actividad enzimática
Como ocurre con toda proteína, la actividad de una enzima
depende de factores tales como:
la temperatura,
el pH,
las disoluciones salinas,
los solventes,
los activadores y los inhibidores,
el tiempo de reacción.

Factores que afectan la
cinética enzimática
La actividad puede estar afectada por:
pH - Temperatura - Fuerza iónica - Inhibidores

Efecto el pH
La mayoría de las enzimas son muy sensibles a los cambios de pH.
Desviaciones de pocas décimas del pH óptimo pueden afectar drásticamente
su actividad. Por ello, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos
complejos para mantener estable el pH intracelular
Variaciones del pH del medio
producen cambios en el estado de
ionización de algunos grupos de una
enzima, afectando su estructura
tridimensional y su actividad.
El cambio en la ionización de grupos
químicos del sitio activo puede alterar
el reconocimiento del sustrato o la
reactividad de los AA del sitio activo.
Todas las enzimas tienen dos valores
límites de pH entre los cuales son
efectivas, más allá se desnaturaliza y
deja de actuar.

Efecto de la Temperatura
Factor temperatura
Si aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas y su
movilidad produciéndose un aumento en el número de colisiones y la velocidad
de la transformación. Si la temperatura continúa aumentando, se comienzan a
romper uniones intermoleculares (responsables de la conformación) y, así,
comienza a disminuir su actividad. Si la TºC es excesiva, la enzima se
desnaturaliza perdiendo totalmente sus propiedades catalíticas.

 Irreversibles
E + I  EI
se unen fuertemente a la E y el complejo no se disocia
 Reversibles
E + I ⇄ EI
Factores que afectan la cinética
enzimática: INHIBIDORES
Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de una
enzima: son los inhibidores.

Inhibidores Reversibles
Pueden actuar de 3 modos:
 ocupan temporalmente el centro activo por
semejanza estructural con el S original:
inhibidor competitivo
 Se unen a otro sitio en la Enz y alteran su
conformación espacial, impidiendo su unión al S:
inhibidor no competitivo
 Se unen al complejo E-S impidiendo la catálisis
del sustrato: inhibidor acompetitivo

inhibidor competitivo

inhibidor no competitivo

inhibidor acompetitivo
S
P

Regulación de la catálisis
enzimática
 las concentraciones del sustrato y de
los productos finales
 presencia de inhibidores
 modulación alostérica
 modificación covalente
 activación por proteolisis (zimógenos)
 isoenzimas

MODULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA
ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Hay enzimas que pueden adoptar 2 conformaciones
interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa).
R es la forma más activa porque se une al sustrato con
más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio
R <==> T

Enzima alostérica

ACTIVADORES ALOSTÉRICOS
 Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R
actuando s/una región de la Enz distinta del centro
activo.
 Son los llamados moduladores positivos ó
activadores alostéricos.
 El propio S es a menudo un modulador positivo.

INHIBIDORES ALOSTÉRICOS
 Las sustancias que favorecen la forma T y actúan
en lugares distintos del centro activo de la enzima
y disminuyen la actividad enzimática: son los
moduladores alostéricos negativos.

Regulación de la actividad enzimática por
MODIFICACIÓN COVALENTE
 Hay enzimas que pasan de la forma inactiva a la activa por unión
covalente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o
el AMP.
 También se da el caso inverso (E activa -> E inactiva)
El enzima no fosforilado es
inactivo
El enzima fosforilado
es activo

ACTIVACIÓN PROTEOLÍTICA
 Algunos enzimas no se sintetizan como E activa, sino como
proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas
se llaman proenzimas o zimógenos.
 Para activarse, los zimógenos sufren hidrólisis que origina la
liberación de uno o varios péptidos.
 El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las
propiedades de la enzima activa.
 Ej.: enzimas digestivas se secretan en forma de zimógenos y
en el tubo digestivo se convierten en la forma activa. Es el caso
de la quimotripsina, que se sintetiza en forma de
quimotripsinógeno

ACTIVACIÓN PROTEOLÍTICA

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
POR MEDIO DE ISOENZIMAS
 Algunos enzimas tienen distinta estructura molecular aunque su
función biológica es similar. Se llaman isozimas o isoenzimas.
 Estas diferencias de estructura se traducen en ligeros cambios en sus
propiedades, de forma que cada isozima se adapta perfectamente a la
función que debe realizar.
Así, podemos observar la existencia de isoenzimas en función de:
– el tipo de tejido: Por ejemplo, la lactato deshidrogenasa presenta
isoezimas distintas en músculo y corazón.
– el compartimento celular donde actúa: Por ejemplo, la malato
deshidrogenasa del citoplasma es distinta de la de la mitocondria.
– el momento concreto del desarrollo del individuo. Ej: algunos enzimas
de la glicolisis del feto son diferentes de los mismos enzimas en el adulto.

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