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+ ENZIMAS DRA. GONZALEZ CELULAR & MOLECULAR Ejercicio en grupo: Conocer y explicar los conceptos de las enzimas 3) estructura de las enzimas + (a) sitio activo (b) grupos prostéticos (c) sitios de regulación c. Mecanismo de acción de las enzimas 1) cinética 2) activación del sustrato (a) sustitución nucleofílica (b) sustitución electrofílica 3) pasos en reacciones catalíticas d. Mecanismos de regulación enzimática 1) inhibición irreversible 2) reversible competitivo 3) reversible no-competitivo 4) alostérica 5) modificación covalente + 3 Enzimas y Ribozimas Una reacción espontánea no es necesariamente una reacción rápida Catalizador - un agente que acelera la velocidad de una reacción química sin ser consumido durante la reacción Enzimas - proteínas catalizadoras en células vivas. Catalizadores orgánicos. ribozimas catalíticas - moléculas de ARN con propiedades + Energia de Activación Entrada inicial de energía para iniciar la reacción Permite que las moléculas se acerquen lo suficiente para causar reordenación de enlaces Ahora se puede alcanzar el estado de transición donde se estiran los enlaces Las formas más comunes para superar la energía de activación grandes cantidades de calor uso de enzimas para reducir la energía de activación 4 + ATP 5 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Reactant molecules Glucose Enzyme Transition state Free energy (G) Activation energy (EA) without enzyme Activation energy (EA) with enzyme Reactants Change in free energy (G) Products Progress of an exergonic reaction + Cómo enzimas reducen energía de activación Tuercen enlaces de reactivos para que sea más fácil de alcanzar el estado de transición Posicionamiento de reactivos juntos para facilitar la unión Cambiar entorno local • participación directa a través de enlaces temporales 6 + 7 Terminología (enzimas) El sitio activo - lugar donde la reacción se lleva a cabo Sustratos - reactivos que se unen al sitio activo Complejo enzima-sustrato - que se forma cuando la enzima y el sustrato se unen + 8 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Glucose ATP Active site Hexokinase 1 Substrates (ATP and glucose) bind to the enzyme (hexokinase). Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. ADP Glucose ATP Active site Glucose-6phosphate Enzyme-substrate complex Hexokinase 1 Substrates (ATP and glucose) bind to the enzyme (hexokinase). 2 Enzyme undergoes conformational change that binds the substrates more tightly. This induced fit strains chemical bonds within the substrates and/or brings them closer together. 3 Substrates are converted to products. 4 Products (ADP and glucose-6-phosphate) are released. Enzyme is ready to be reused. 9 + 10 Enlace substrato Las enzimas tienen una alta especificidad para el sustrato Candado y llave - sustrato y la enzima Fenómeno acomodo Inducido interacción también implica cambios conformacionales Figure 6-5 Figure 6-2 + Cofactores Algunas enzimas contienen cofactores proteicos necesarios para la actividad catalítica, a menudo debido a que funcionan como aceptadores de electrones Estos se llaman grupos prostéticos y son iones metálicos o pequeñas moléculas orgánicas llamadas coenzimas coenzimas = de vitaminas Nomenclatura nombres se han dado a las enzimas a base de sustrato (proteasa, ribonucleasa, amilasa), o función (tripsina, catalasa) enzimas se dividen en seis grandes clases basada en la función general 6 clases Oxidorreductasas Transferasas Hidrolasas Lisasas Isomerasas Ligasas Table 6-1 Temperatura optima Human = max. 37oC (optima) Inactivadas a 50–55oC la mayoría Sensitividad a pH pH = 3–4 units Presenca aa cargados Destruye enlaces ionicos y puentes de H Figure 6-4B activación del sustrato El papel del centro activo es de reconocer y unirse al sustrato adecuado y también activarlo, proporcionando el ambiente adecuado para la catálisis Esto se llama la activación del sustrato, que transcurre a través de varios mecanismos Activacion de sustrato Distorsión de enlace, haciéndolo más susceptible al ataque catalítico Transferencia de protones, lo que aumenta la reactividad del sustrato transferencia de electrones, dando lugar a enlaces covalentes temporales entre enzima, sustrato +Evento catalitico 1. Colisión de sustrato con sitio activo 2.enlace de sustrato – cambio conformacional facilita conversion a producto +Evento catalitico (cont.) 3. Los productos son entonces liberados del sitio activo 4. La enzima vuelve a la conformación original con el sitio activo disponible para otra molécula de sustrato Figure 6-7 + Cinetica de enzimas La cinética enzimática describen los aspectos cuantitativos de la catálisis enzimática y la tasa de conversión de sustrato en productos Las velocidades de reacción están influenciadas por factores tales como las concentraciones de sustratos, productos, y los inhibidores The Michaelis–Menten Equation Modelo en equilibrio Michaelis–Menten equation Km (Michaelis constant) = concentracion de sustrato que da la mitad de la velocidad maxima + 27 Reacciones enzimáticas Saturación Plateau casi todos sitios activos son ocupados por el sustrato Vmax = la velocidad de reacción cerca de la razón máxima Michaelis La constant, KM concentración de sustrato, donde la velocidad es la mitad del valor máximo Alto KM de Enzima necesita alta concentración de sustrato Inversamente relacionada con la afinidad entre la enzima y el sustrato Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Vmax D Velocity (product/second) C Vmax 2 B A 0 Tube A B C D Amount of enzyme 1 g 1 g 1 g 1 g Incubation time 60 sec 60 sec 60 sec 60 sec Low Substrate concentration KM Moderate High Very high [Substrate] Reaction velocity in the absence of inhibitors 28 + Video explicativo de Michaelis y Menten https://www.youtube.com/watch?v=6cGdWi_DSGk 7:10 + 30 Inhibición Inhibición competitiva Molécula se une al sitio activo Inhibe la capacidad de sustrato para enlazarse Km aparente Aumenta - más sustrato necesario Inhibición no competitiva Reduce Vmax sin afectar Km Inhibidor se une al sitio alostérico, no sitio activo Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Velocity (product/second) Vmax Plus competitive inhibitor Substrate Enzyme Inhibitor 0 KM KM with inhibitor [Substrate] Competitive inhibition Velocity (product/second) Vmax V max with inhibitor Plus noncompetitive inhibitor Enzyme Allosteric site Substrate Inhibitor 0 KM [Substrate] Noncompetitive inhibition 31 Porque estos conceptos de cinetica son importantes en Biología? Cuanto menor sea el valor de Km para la enzima y un sustrato dado, menor es [S] en el que la enzima es eficaz Vmax es importante, como una medida de la tasa máxima potencial de la reacción Al conocer Vmax, Km, y la concentración de sustrato in vivo, se puede estimar la tasa probable de la reacción en condiciones celulares Inhibidores pueden ser reversibles o irreversibles enzimas son influenciadas (principalmente inhibida) por los productos, sustratos alternativos, análogos de sustratos, drogas, toxinas, y efectores alostéricos inhibición de la actividad de la enzima juega un papel vital como un mecanismo de control en las células drogas y venenos con frecuencia ejercen sus efectos mediante la inhibición de enzimas específicas Inhibicion Reversible e irreversible inhibidores irreversibles, se unen a la enzima de forma covalente, causan la pérdida permanente de la actividad catalítica y son generalmente tóxicos para las células Por ejemplo, iones de metales pesados, venenos de gases nerviosos, algunos insecticidas Inhibidores reversibles no se unen covalentemente a enzimas y pueden disociarse Reversible (cont.) La fracción de enzima disponible para el uso en una célula depende de la concentración del inhibidor y la facilidad de enlace con la enzima y como el inhibidor puede disociarse Las dos formas de inhibidores reversibles son inhibidores competitivos e inhibidores no competitivos Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Velocity (product/second) Vmax Plus competitive inhibitor Substrate Enzyme Inhibitor 0 KM KM with inhibitor [Substrate] Competitive inhibition Velocity (product/second) Vmax V max with inhibitor Plus noncompetitive inhibitor Enzyme Allosteric site Substrate Inhibitor 0 KM [Substrate] Noncompetitive inhibition 36 INHIBICION COMPETITIVA Los inhibidores competitivos se unen al sitio activo de una enzima y compiten con el sustrato por el sitio activo actividad enzimática es inhibida directamente, ya que los sitios activos están unidos a los inhibidores, evitando que el sustrato se una Figure 6-14A INHIBICION NO COMPETITIVA Inhibidores no competitivos se unen a enzima fuera del sitio activo inhiben la actividad indirectamente al causar un cambio de conformación en la enzima Inhibe la unión del sustrato en el sitio activo Reduce activo la actividad catalítica en el sitio Figure 6-14B + REGULACION ENZIMATICA Las VELOCIDAD ENZIMATICA debe ajustarse según las necesidades de la célula interacción de sustratos y productos con una enzima se llama regulación a nivel de sustrato aumentos en los niveles de sustrato resultan en un aumento de las tasas de reacción, mientras que el aumento de los niveles de producto llevan a reducir las velocidades de la enzima Regulacion alosterica y modificacion covalente Las células pueden activar o desactivar enzimas según sea necesario por dos mecanismos: regulación alostérica y modificación covalente Por lo general, las enzimas reguladas de esta manera catalizan la primera etapa de una secuencia de múltiples pasos Mediante la regulación de la primera etapa de un procedimiento, las células son capaces de regular todo el proceso Figure 6-15 Figure 6-16A Figure 6-16B Regulacion covalente Modificacion Adicion covalente o remocion de grupos como fosfatos, metil, acetil + Fosforilacion y desfosforilacion Adicion reversible de fosfato Fosforilacion – transfiere grupo fosfato de ATP a grupo hidroxido de Ser, Thr o Tyr Kinasas de proteinas – catalizan la fosforilacion de otras proteinas Figure 6-17A