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www.clasesalacarta.com 1 Tema 5.- Proteínas Introducción Son polímeros formados por la unión (enlaces peptídicos) de unidades de menor masa molecular (aminoácidos). Son moléculas muy complejas. Su masa molecular es muy elevada (6000 – 106 Da), es decir, son macromoléculas. Algunas proteínas están formadas por la unión de varios polímeros proteicos que en ocasiones pueden también contener otras moléculas orgánicas (lípidos, glúcidos, etc.), estas proteínas se llaman prótidos. Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, más del 50% del peso seco de la célula son proteínas. Están constituidas, fundamentalmente, por C, H, O y N y casi todas tienen también S. Algunas tienen, además, otros elementos químicos: P, Fe, Zn o Cu. El elemento más característico de las proteínas es el N. Son los compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos. Las proteínas son moléculas específicas que marcan la individualidad de cada ser vivo. Son de una gran importancia porque a través de ellas se va a expresar la información genética, así, el dogma central de la genética molecular dice: DNARNAProteína Funciones Generales Las proteínas están entre las sustancias que realizan las funciones más importantes en los seres vivos. De entre todas pueden destacarse las siguientes: De reserva.- en general las proteínas no tienen esta función, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo Estructural.- membranas celulares, cartílago, hueso, etc. Enzimática.- todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por moléculas orgánicas llamadas enzimas, todas son proteicas Homeostática.- algunas proteínas mantienen el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular Transporte.- llevan a cabo el transporte de gases (hemoglobina) y lípidos (seroalbúmina) en la sangre. También los intercambios entre la célula y el exterior (permeasas) Movimiento.- actúan como elementos esenciales en el movimiento. Así, la actina y la miosina, proteínas de las células musculares, son las responsables de la contracción de la fibra muscular Hormonal.- las hormonas son sustancias químicas que regulan procesos vitales. Algunas proteínas actúan como hormonas (insulina, glucagón, etc.) Inmunológica.- los anticuerpos son proteínas que intervienen en los procesos de defensa frente a los agentes patógenos Aminoácidos Son las unidades estructurales (monómeros) que constituyen las proteínas. Todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas, salvo la prolina, responden a la fórmula general: H O 2 1 H–N–C –C –O–H H R Carbono Alfa Grupo Amino Grupo Carboxilo Cadena Lateral Por tanto, tienen dos grupos funcionales característicos: el grupo carboxilo o grupo ácido (-COOH), y el grupo amino (-NH2) á á 2 Biología _ 2º Bachillerato Las proteínas de los seres vivos sólo tienen unos 20 aminoácidos diferentes. En ciertos casos muy raros (venenos de algunas serpientes) podemos encontrar otros aminoácidos diferentes de estos 20, e incluso aminoácidos que no siguen la fórmula general. La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen otros, aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben obtenerse en la dieta. Los aminoácidos esenciales son diferentes para cada especie, en la especie humana son diez: Thr Arg Val Ileu Phe Lys His Leu Met Trp Clasificación En función de sus características químicas, los aminoácidos se clasifican en: Aminoácidos Apolares.- Su cadena R no es polar, es decir, no posee cargas eléctricas en R al tener en él largas cadenas hidrocarbonadas. Estos aminoácidos, si están en gran abundancia en una proteína, la hacen insoluble en agua. Aminoácidos Polares No Ionizables.- Poseen restos con cortas cadenas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares (alcohol, tiol o amida). Contrariamente al grupo anterior si una proteína los tiene en abundancia será soluble en agua. Aminoácidos polares ácidos .-Tienen más de un grupo carboxilo. En las proteínas, si el pH es básico o neutro, estos grupos se encuentran cargados negativamente. Aminoácidos polares básicos .- Tienen otro u otros grupos aminos. En las proteínas, estos grupos amino, si el pH es ácido o neutro, están cargados positivamente. Apolares COOH NH2 – C – H CH3 Alanina Ala COOH NH2 – C – H CH2 Fenilalanina Phe COOH NH2 – C – H CH2 CH /\ CH3 CH3 Leucina Leu COOH NH2 – C – H CH2 S CH3 Metionina Met COOH NH2 – C – H H – C –CH3 CH2 CH3 Isoleucina Ile COOH C –H / \ H2C NH \ / CH - CH2 OH Prolina Pro COOH NH2 – C – H CH /\ CH3 CH3 Valina Val COOH NH2 – C – H CH2 C = CH \ NH / Triptófano Trp www.clasesalacarta.com Tema 5.- Proteínas Polares No Ionizables COOH NH2 – C – H H COOH NH2 – C – H CH2OH COOH NH2 – C – H H – C–OH CH3 Glicina Gly Serina Ser Treonina Thr COOH NH2 – C – H CH2 OH Tirosina Tyr COOH NH2 – C – H CH2 C–H / \\ NH2 O Asparragina Asn COOH NH2 – C – H H – C –CH3 CH2 SH Cisteína Cys COOH NH2 – C – H CH2 CH2 C–H / \\ NH2 O Glutamina Gln Polares Ácidos COOH NH2 – C – H CH2 CH2 COO Glutámico Glu COOH NH2 – C – H CH2 COO Aspártico Asp Polares Básicos COOH NH2 – C – H CH2 C – NH \ CH / + CH – NH Histidina His COOH NH2 – C – H CH2 CH2 CH2 NH + C = NH2 NH2 Arginina Arg COOH NH2 – C – H CH2 CH2 CH2 CH2 + NH3 Lisina Lys 3 á á 4 Biología _ 2º Bachillerato Asimetría Excepto en la glicina, en el resto de los aminoácidos el carbono es asimétrico. La molécula es ópticamente activa, existiendo dos configuraciones: D y L. Normalmente en los seres vivos sólo encontramos uno de los isómeros ópticos. Por convenio se considera que los aminoácidos presentes en los seres vivos pertenecen todos ellos a la serie L. No obstante, en los microorganismos (paredes bacterianas, antibióticos bacterianos) existen aminoácidos no proteicos pertenecientes a la serie D. COOH NH2 – C – H CH3 COOH H – C – NH2 CH3 L - Alanina D - Alanina Enlace Peptídico Es la unión entre el grupo -carboxilo de un aminoácido y el grupo -amino del siguiente aminoácido, es una reacción de condensación en la que se forma una amida (dipéptido) y una molécula de H2O. H NH2 – C –COOH CH3 L - Alanina + H NH2 – C –COOH CH2OH = CH3 H H NH2 – C –C – N – C –COOH H O CH2OH L- Serina + H2O Alanil-Serina Características 1º. Es un enlace covalente que se establece entre un átomo de C y un átomo de N 2º. Es un enlace muy resistente, lo que hace posible el gran tamaño y estabilidad de las moléculas proteicas 3º. Los estudios con rayos X de las proteínas muestran que el enlace C-N se comporta como un doble enlace, lo que provoca que no exista una libertad de giro alrededor de él 4º. Todos los átomos que están unidos al C y al N del enlace peptídico mantienen unas distancias y ángulos característicos y están todos ellos en un mismo plano www.clasesalacarta.com 5 Tema 5.- Proteínas Péptidos, Polipéptidos y Proteínas Según el número de aminoácidos que se unan mediante enlace peptídico, se distinguen: Dipéptido: 2 aa Tripéptido: 3 aa Oligopéptido: 4 - 10 aa Polipéptido: 10 – 100 aa Proteína: > 100 aa Toda cadena polipeptídica tiene en uno de sus extremos un aa con el grupo amino libre (extremo amino terminal), en el otro extremo tienen un aa con el grupo carboxilo libre (extremo carboxilo terminal) Muchas sustancias naturales de gran importancia son péptidos: Insulina, regula las concentraciones de glucosa en la sangre, está formada por dos cadenas de 21 y 30 aa unidas por puentes disulfuro Encefalina, es un pentapéptido (5 aa), se produce en las neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor Vasopresina y oxitocina, nonapétidos (9aa), son hormonas del lóbulo posterior de la hipófisis, producen las contracciones del útero durante el parto Gramicidina, es un antibiótico Estructura o Conformación de las Proteínas La conformación de una proteína es la disposición espacial que adopta la molécula proteica. Las cadenas peptídicas, en condiciones normales de pH y temperatura, poseen solamente una conformación y ésta es la responsable de las importantes funciones que realizan. Estructura Primaria Viene dada por la secuencia de aa. Es la secuencia que determina el resto de los niveles y como consecuencia la función de la proteína. La alteración de la estructura primaria (eliminación, adición o intercambio de aa) puede cambiar la configuración general de una proteína y dar lugar a una proteína diferente. Además, como la función de la proteína depende de su estructura, un cambio en la estructura primaria podrá determinar que la proteína no pueda realizar su función. Estructura Secundaria Es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico. Los puentes de hidrógeno se establecen entre los grupos carboxilo y amino del enlace peptídico (el primero como aceptor de H, y el segundo como donador de H). De esta forma, la cadena polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por tanto, más estables. á á 6 Biología _ 2º Bachillerato Las características de los enlaces peptídicos imponen determinadas restricciones que obligan a las proteínas a adoptar una determinada estructura secundaria. Ésta puede ser: hélice , hélice de colágeno o conformación . Las tres son configuraciones en hélice diferenciándose en el número de aa por vuelta (n) y en el diámetro de la hélice: Hélice n=4 Hélice de colágeno n=3 Conformación n=2 Hélice Es la forma más simple y común La molécula adopta una disposición helicoidal Las cadenas R de los aa se sitúan hacia el exterior de la hélice, no participan en la estructura secundaria Cada 3,6 aa da una vuelta completa Es muy estable: Permite la formación de puentes de hidrógeno Entre el grupo C=O de un aa y el grupo N-H del cuarto aa situado por debajo de él en la hélice: n y (n + 4) Intracatenarios Paralelos al eje central Cada enlace peptídico puede formar dos puentes de hidrógeno No se forman puentes de hidrógeno: Los primeros 4 residuos del extremo amino terminal Los últimos 4 residuos del extremo carboxilo terminal Existen dos tipos: Levógira Dextrógira: es la que se encuentra en las proteínas Se estabiliza: Interacciones iónicas Aa con R (+) y aa con R (-) Interacciones hidrofóbicas Aa con R aromáticos próximos Aa pequeños o sin carga Se desestabiliza: Repulsión electrostática Entre aa con igual carga Volumen de R adyacentes No pueden ir seguido varios aa con R voluminosas: impedimento estérico Val, Ile Puentes de hidrógeno entre C Ser, Asp, Asn Presencia de Prolina El N de su enlace peptídico no tiene unido un hidrógeno para formar un puente de hidrógeno con el aa (n + 4) www.clasesalacarta.com 7 Tema 5.- Proteínas Conformación Disposición en zig-zag Estabilidad: Disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación Cadenas de proteínas diferentes Partes de una misma molécula Se establecen puentes de hidrógeno entre grupos C=O y N-H Perpendiculares al eje de la cadena Las cadenas R van quedando alternativamente hacia arriba y hacia abajo No se estorban estéricamente Desestabilización: Cadenas R voluminosas próximas Cadenas R con las mismas cargas eléctricas próximas Cuando dos o más hélices se sitúan una al lado de la otra y establecen puentes de hidrógeno, entre ellas, aparece una hoja o lámina En función de si los puentes de hidrógeno se establecen entre regiones con el mismo sentido o contrario, se distingue: Lámina paralela: con el mismo sentido Lámina antiparalela: sentido contrario Es la más estable, por la disposición de los puentes de hidrógeno Paralela Antiparalela Una molécula no tiene que estar constituida exclusivamente por un tipo de conformación. Lo normal es que las moléculas proteicas presenten porciones con hélices , otras partes con conformaciones y partes que no tienen una conformación definida (zonas irregulares) Estructura Terciaria Es la estructura espacial tridimensional adoptada por la estructura secundaria. Se debe a interacciones débiles entre las cadenas R de aa. Los pliegues que se originan en la estructura terciaria se deben a ciertos aa (Pro, Ser, Ile) que distorsionan la hélice generando una curvatura. No ocurre al azar, estando favorecida energéticamente. Es única, y siempre la misma bajo las mismas condiciones. á á 8 Biología _ 2º Bachillerato Es la responsable directa de la función de las proteínas, ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales de las proteínas es la que determina su interacción con los diversos ligandos. Por tanto, la pérdida de la estructura terciaria suele ocasionar la pérdida de la función biológica (desnaturalización) La estructura terciaria se va a estabilizar por la formación de las siguientes interacciones: 1) Puentes disulfuro (enlaces covalentes): entre grupos –SH pertenecientes a dos Cys que reaccionan entre sí para dar cistina -Cys-SH + HS-Cys- -Cys-S-S-Cys 2) Atracciones electrostáticas 3) Puentes de hidrógeno 4) Interacciones hidrofóbicas En la estructura terciaria los restos se van a disponer en función de su afinidad con el medio. En medio acuoso, los restos hidrófobos se sitúan hacia el interior de la molécula mientras que los restos hidrófilos lo hacen hacia el exterior. Existen dos tipos de estructura terciaria: Fibrosa Función Estructural De protección Insolubles en agua y en soluciones salinas Ejemplos: Queratina Colágeno Elastina Globular Función: Enzimática Transporte Solubles en agua y/o en disoluciones salinas Hélice Centro de la molécula Conformaciones En la periferia En solución acuosa, sus restos hidrófilos quedan hacia el exterior y los hidrófobos en el interior En un ambiente lipídico, los restos hidrófilos quedan en el interior y los hidrófobos en el exterior Estructura Cuaternaria En este nivel de organización las unidades de proteínas en su estado ya plegado (estructura terciaria) se agregan para formar proteínas oligoméricas Cada polipéptido que interviene en su formación es un protómero y según el número de protómeros tendremos: dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc. Las fuerzas que estabilizan este nivel son las mismas interacciones débiles que en la estructura terciaria: puentes disulfuro, atracciones electrostáticas, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas Un ejemplo de estructura cuaternaria es la hemoglobina, formada por las globinas o parte proteica (dos cadenas y dos cadenas , con un total de 146 aa) más la parte no proteica o grupos hemo. O los anticuerpos, formados también por cuatro cadenas, dos cadenas cortas y dos largas. www.clasesalacarta.com 9 Tema 5.- Proteínas Propiedades de las Proteínas Están directamente relacionadas con las cadenas R de los aa que quedan en la superficie de las proteínas, ya que son los que pueden interaccionar con otras moléculas. Solubilidad. Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino dispersiones coloidales. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas con lo que no puede producirse la precipitación. Especificidad de función. Cada proteína tiene una función concreta, diferente, normalmente, de la del resto de las moléculas proteicas Tenemos unas 100 000 proteínas diferentes Se han producido diferencias evolutivas en determinadas regiones de las proteínas llamadas sectores variables, de las que no depende directamente la función Aquellas secciones que determinan la función proteica permanecen invariables Los diferentes papeles biológicos de las proteínas van a depender de la forma que adopten en su conformación espacial. Desnaturalización Las alteraciones de la concentración, del grado de acidez, de la temperatura (calor), pueden provocar la desnaturalización de las proteínas. Es una pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y se debe a la desaparición de las interacciones débiles, no afectando a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria. Sin embargo al alterarse su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica. En las proteínas globulares, solubles en agua, la desnaturalización está acompañada de una pérdida de la solubilidad y la consiguiente precipitación de la disolución. Puede existir una renaturalización casi siempre, excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor SH SH pH SH pH SH Clasificación de las Proteínas Se clasifican según estén o no constituidas exclusivamente por aa en: 1.- Holoproteínas.- se pueden clasificar en dos grandes grupos atendiendo a su estructura: I) Filamentosas: forman fibras paralelas y son insolubles en agua. Pertenecen a este grupo: a. Colágenos: en los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo. Presenta gran resistencia al estiramiento. b. Queratinas: forman el cabello, las uñas, las pezuñas, la lana o la seda. c. Elastinas: son flexibles por lo que se encuentran en tendones, vasos sanguíneos u órganos que estén sometidos a deformaciones reversibles. d. Miosinas: participan en la contracción muscular. II) Globulares: estructura globular y solubles en agua. Destacan: a. Histonas: ssociadas al ADN, participan en los procesos de regulación génica (expresión de genes) b. Albúminas: funciones de reserva de aminoácidos. Seroalbúmina de la sangre o la ovoalbúmina de huevo. c. Globulinas: proteínas muy grandes (masa molecular de 1000000). Por ejemplo la ovoglobulina de huevo. á á 10 Biología _ 2º Bachillerato 2.- Heteroproteínas.- están formadas por una parte peptídica (aa) más una parte no proteica (grupo prostético). Según la naturaleza de éste tenemos: I) Cromoproteínas: su grupo prostético es una sustancia con color por lo que también se denominan pigmentos. Por ejemplo la hemoglobina (con Fe). II) Glucoproteínas: el grupo prostético es un glúcido y realizan multitud de funciones, como por ejemplo la protrombina sanguínea. III) Lipoproteínas: tienen ácidos grasos como grupo prostético. Se encuentran en las membranas plasmáticas o transportan lípidos como el colesterol y los triglicéridos. IV) Fosfoproteínas: presentan ácido fosfórico como grupo prostético. Por ejemplo la caseína de la leche. V) Nucleoproteínas: tienen ácidos nucleicos como grupo prostético. Por ejemplo las histonas. Las Enzimas Son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que solamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse. Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH. Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por una enzima: Sustrato.- es la sustancia sobre la que actúa la enzima Centro activo.- es la región de la enzima donde se une el sustrato Sitio de unión, formado por los aa que están en contacto directo con el sustrato Sitio catalítico, formado por los aa directamente implicados en el mecanismo de la reacción Una vez formados los productos la enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción (las enzimas no se consumen) A diferencia de los catalizadores inorgánicos, las enzimas catalizan reacciones específicas. Hay distintos grados de especificidad. Regulación de la Actividad Al ser proteínas, poseen una conformación natural más estable que las demás conformaciones posibles. Así, cambios en la conformación suelen ir asociados en cambios en la actividad catalítica. Los factores que influyen de manera más directa sobre la actividad enzimática son: 1.- pH.- las enzimas poseen grupos químicos ionizables (-COOH, -NH2, -SH, imidazol, etc.) en las cadenas R de sus Velocidad aa. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica (pH óptimo) pH pH óptimo La mayoría de las enzimas son muy sensibles a los cambios de pH: desviaciones de pocas décimas por encima o por debajo del pH óptimo pueden afectar drásticamente su actividad. Como ligeros cambios del pH pueden provocar la desnaturalización proteica, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos complejos para mantener estable el pH intracelular: tampones fisiológicos www.clasesalacarta.com 11 Tema 5.- Proteínas en general, los de temperatura aceleran las reacciones químicas: por cada 10ºC de , la velocidad de reacción se duplica. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima Velocidad 2.- Temperatura.- Por encima de esta temperatura, el de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse. Tª Tª óptimo 3.- Cofactores.- son sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis. Pueden ser iones inorgánicos (Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+). Casi un tercio de las enzimas conocidas requieren cofactores. Cuando el cofactor es una molécula orgánica se llama coenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas. 4.- Concentración de Sustrato.- la velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato. Además, la presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido Velocidad [S] [S] Tiempo 5.- Presencia de Inhibidores.- son moléculas que pueden inhibir la acción catalítica de una enzima. Hay dos tipos: Inhibidores Competitivos Inhibidores No Competitivos Ocupan temporalmente el centro activo por semejanza estructural con el sustrato original Alteran la conformación espacial del enzima, impidiendo su unión al sustrato 6.- Modulación Alostérica.- existen 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 R R R R T T T T Las sustancias que estabilizan la forma R son los moduladores positivos, el propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región de la enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores negativos. Si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo del enzima se llaman inhibidores alostéricos á á 12 Biología _ 2º Bachillerato 7.- Modificación Covalente.- hay enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP. También puede ocurrir que una enzima muy activa se desactive al liberar algún grupo químico. En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo contrario. 8.- Activación por proteolisis.- hay enzimas que no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin actividad enzimática (proenzimas o zimógenos). Para activarse, sufren un ataque hidrolítico 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. Muchas enzimas digestivos se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten en la forma activa (-quimotripsina se sintetiza en forma de quimotripsinógeno). Si estas enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce. Así, la tripsina pancreática (una proteasa) se sintetiza como tripsinógeno (inactivo), si por alguna razón se activa en el propio páncreas, la glándula sufre un proceso de autodestrucción (pancreatitis aguda), a menudo mortal. 9.- Isoenzimas.- son enzimas con distinta estructura molecular pero función biológica similar. Las diferencias de estructura se traducen en ligeros cambios en sus propiedades, de forma que cada isoenzima se adapta perfectamente a la función que debe realizar. Así, podemos observar la existencia de isoenzimas en función de: El tipo de tejido: la lactato deshidrogenasa presenta isoenzimas distintas en músculo y corazón El compartimento celular donde actúa: la malato deshidrogenasa del citoplasma es distinta de la de la mitocondria El momento concreto del desarrollo del individuo: algunas enzimas de la glucolisis del feto son diferentes de los mismas enzimas en el adulto Mecanismo de Acción En las reacciones espontáneas, los productos finales tienen menos energía libre de Gibbs (G) que los reactivos Por tanto, en las reacciones espontáneas se libera energía de Gibbs (G<0). Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía, esta energía inicial que hay que suministrar a los reactivos para que la reacción transcurra se llama energía de activación (Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción. La acción de las enzimas consiste en la Ea. Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos. Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactivos deben chocar con una energía y una orientación adecuadas. La actuación de la enzima permite que los sustratos se unan a su centro activo con una orientación óptima para que la reacción se produzca y modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos Reacción sin catalizar Reacción Catalizada ES Energía Energía S Ea S H P Recorrido Ea’ E+S H E+P Recorrido Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima: www.clasesalacarta.com 13 Tema 5.- Proteínas Modelo llave-cerradura Modelo del ajuste inducido Supone que la estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto En algunos casos, 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 Cinética Enzimática Estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Proporciona información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad de la enzima. 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 al enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc., y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos. [P] Al seguir la velocidad de aparición de producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la cinética de la reacción. Tiempo A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va porque se va consumiendo el sustrato de la reacción. Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v 0), que es igual a la pendiente de la curva de avance a tiempo cero. Así, la medida de v0 se realiza antes de que se consuma el 10% del total del sustrato, se considera la [S] como constante a lo largo del experimento. En estas condiciones no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la cantidad de producto formada es tan pequeña que la reacción inversa apenas ocurre. Así se simplifican enormemente las ecuaciones de velocidad. Cuando [S] es pequeña, la v es directamente proporcional a la [S], y por tanto, la reacción es de primer orden. A altas [S], el enzima se encuentra saturada por el sustrato, y la velocidad ya no depende de [S]. En este punto, la reacción es de orden cero y la velocidad es máxima (Vmax) Velocidad Para estudiar la cinética enzimática se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante. [S] á á 14 Biología _ 2º Bachillerato Modelo de Michaelis – Menten Para explicar la relación observada entre la v0 y la [S]0, Michaelis y Menten propusieron que las reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: en la primera etapa se forma el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre: K1 E + S ES K3 E + P K2 k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada proceso (constantes microscópicas de velocidad). Según esto, podemos afirmar que: v1 = k 1 [E] [S] v2 = k 2 [ES] v3 = k3 [ES] [concentación] Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato (ES), de forma que la concentración total de enzima, [ET], constante a lo largo de la reacción, es: [ET] = [E] + [ES] [E] = [ET] - [ES] v1= k1 [S] [ET] - k1 [S] [ES] [P] [S] [ES] [E] Tiempo Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario: la concentración del complejo E-S es pequeña y constante a lo largo de la reacción. Por tanto, la velocidad de formación del complejo enzima-sustrato es igual a la de su disociación: v1 = v2 + v3 Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es constante: v = v3 = K3 [ES] = constante Como v1 = v2 + v3, podemos decir que: K1 [S] [ET] - K1 [S] [ES] = K2 [ES] + K3 [ES] ES = ET · S Km + S → Km = K2 + K3 K1 En el estado estacionario, la velocidad de formación del producto es: v = v3 = K3 ES = K3· ET · S Km + S Para cualquier reacción enzimática, [ET], K3 y Km son constantes: A concentraciones de sustrato pequeñas: [S] << Km v = K3 · ET · S Km Como [ET], K3 y Km son constantes, pueden englobarse en una nueva constante, k’, de forma que la expresión queda reducida a: v = K' · S La reacción es un proceso cinético de primer orden www.clasesalacarta.com 15 Tema 5.- Proteínas A concentraciones de sustrato elevadas: [S] >> Km v = k3 [ET] La velocidad de reacción es independiente de la [S], y por tanto, la reacción es un proceso cinético de orden cero. Además, tanto k3 como [ET] son constantes, podemos definir un nuevo parámetro, la velocidad máxima de la reacción (Vmax): Vmax = k3 [ET] Es la velocidad que se alcanzaría cuando todo el enzima disponible se encuentra unido al sustrato. Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad,obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten: V= VMÁX · S Km + S Velocidad 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 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 K m) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción. [S] La Km es la constante de Michaelis-Menten, es un parámetro cinético importante: Es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima Km = [S] v = VMáx 2 El valor de Km da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato: Km, afinidad, y viceversa Si Km es grande, el complejo ES es inestable pues predomina la tendencia a destruirlo (poca afinidad hacia el sustrato), y si Km es pequeña, el complejo ES es estable, ya que predomina la tendencia a formarlo (gran afinidad hacia el sustrato) La Km del sustrato natural es menor que la de los sustratos análogos. Si dos sustratos de la misma enzima tienen distinta Km, el que presente Km tiene afinidad por la enzima, y la reacción transcurre siempre a velocidad que con el sustrato de menor Km, salvo a concentraciones saturantes de sustrato, donde la v = VMÁX Los valores de Km de muchas enzimas son próximos a los de la concentración fisiológica de sus sustratos, de forma que pequeñas variaciones en la [S] pueden suponer grandes cambios en la velocidad de toda una ruta metabólica La representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten (v0 frente a [S] 0) es una hipérbola. La VMÁX corresponde al valor máximo al que tiende la curva experimental, y la K M corresponde a la [S] a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la VMÁX á á 16 Biología _ 2º Bachillerato Para determinar gráficamente los valores de KM y VMÁX es más sencillo utilizar la representación doble recíproca (1/v0 frente a 1/[S]0), ya que es una línea recta. Esta representación doble recíproca recibe el nombre de representación de Lineweaver-Burk. Es una recta en la cual: Pte: KM Abscisa en el origen: - VMáx 1 KM Ordenada en el origen : 1 VMáx De esta forma, a partir de los datos experimentales se puede calcular gráficamente, los valores de K M y VMÁX de una enzima para diversos sustratos 1/V V VMÁX 1 / VMÁX KM [S] -1 / KM Inhibidor Competitivo 1/V 1/[S] Inhibidor No Competitivo [I] 1/V [I] 1 / VMÁX 1/[S] -1 / KM 1/[S]
