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ENZIMAS
Son biomoléculas cuya función es
aumentar la velocidad de las reacciones
bioquímicas, actúan por lo tanto como
catalizadores biológicos.
Objetivos
Objetivos
Definir qué es una enzima y cómo
estas actúan en reacciones dentro
de la célula.
Identificar diferentes factores que
pueden afectar la actividad
enzimática.
Diferenciar entre inhibición
competitiva y no-competitiva.
¿Cuál es su naturaleza química?
La gran mayoría de las enzimas son
proteínas.
Sin embargo existen algunos ARN que
pueden actuar como enzimas (ribozimas)
¿Cuál es la estructura de una
proteína?
Las proteínas son macromoléculas,
polímeros de aminoácidos
Analizando estas palabras…
Makrós: grande
Polymerés: compuesto de varias partes
Son cadenas simples, no ramificadas, de
aminoácidos unidos unos a otros.
¿Cuál es la estructura de un
aminoácido?
Todos los aminoácidos están formados
por un grupo amino y un grupo carboxilo.
Amino
Carboxilo
¿Cómo actúan las enzimas?
Las enzimas son catalizadores y como
tales aumentan la velocidad de la reacción
química, sin modificar su resultado.
No modifican la energía de los reactivos ni
de los productos pero sí disminuyen la
energía de activación, una especie de
barrera energética que deben pasar los
reactivos para convertirse en productos.
¿ Una misma enzima cataliza las
distintas reacciones?
No, las enzimas son específicas, cada una
cataliza una determinada reacción.
La alta especificidad
se debe a que su
estructura terciaria
le permite formar
cavidades llamadas
sitios activos, lugar
donde se ubica el
sustrato durante el
proceso de catálisis.
La enzima se une
específicamente a las
moléculas denominadas
sustratos, formando un
complejo enzima-sustrato y
favoreciendo su transformación
en productos
sustrato
Complejo
enzima-sustrato
productos
Una Reacción
Enzimática:
¿La velocidad de una reacción
catalizada por una enzima es
siempre la misma?
No, depende de muchos factores entre los
que se cuentan:
Concentración del sustrato
Temperatura
pH
Concentración de sustrato
A mayor concentración de sustrato es
mayor la velocidad.
Pero no aumenta indefinidamente, cuando
no hay más enzima para unirse al sustrato
se alcanza la velocidad máxima
pH
Cada enzima tiene un pH óptimo en el
cual la actividad enzimática es máxima
Temperatura
Cada enzima tiene una temperatura
óptima en la cual su actividad es máxima
De modo que …
si variamos el pH o la temperatura, la
velocidad de la reacción catalizada por
una enzima también varía.
Los valores de pH y temperatura óptima
son aquellos a los cuales se alcanza la
máxima actividad enzimática o la mayor
velocidad de reacción
Desnaturalización de una Proteína
Estado Nativo
Estado Desnaturalizado
Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las
estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y
cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un
polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija
Desnaturalización de
la ribonucleasa. En
general, la
desnaturalización fuerte
produce una destrucción
permanente de la
molécula
Agentes desnaturalizantes: Se
distinguen agentes físicos (calor) y
químicos (detergentes, disolventes
orgánicos, pH, fuerza iónica).
Cofactores Enzimáticos
Cofactor (Coenzima): Átomo, ion o molécula que participa en el
proceso catalítico sin ser enzima ni substrato.
Los cofactores participan de dos maneras distintas:
1. A través de una fijación muy fuerte a la proteína y salen
sin ser modificados del ciclo catalítico
2. Como un segundo substrato; salen modificados del ciclo
catalítico y por lo general requieren otra enzima para volver
al estado original.
Aminoácido
LAO
R CH COO- + O2 + H2O
Cetoácido
R CO COO- + H2O2 + NH4+
NH3+
LAO: L-aminoácido oxidasa: es una flavoproteína
Las flavoproteínas tienen un grupo prostético flavínico,
que interviene en el proceso catalítico sin salir modificado
del mismo
O
H3C
N
H3C
NH
NH
N
O
Los cofactores enzimáticos suelen ser moléculas complejas,
que nuestro organismo no puede sintetizar, por lo general.
Por esa razón muchos cofactores enzimáticos deben ser, en
todo en parte, ingresados con la dieta; muchos de ellos son, por
lo tanto, vitaminas.
Ni todos los cofactores son vitamínicos ni todas las vitaminas
son cofactores enzimáticos
Cofactores de naturaleza vitamínica; ejemplos
1. Hidrosolubles
Tiamina
Riboflavina
Piridoxal
Cobalamina
Ác.Ascórbico
Nicotinamida
Ác.Lipoico
Ác.Fólico
Ác.Pantoténico
Tiamina pirofosfato
Flavinas: FAD, FMN
Piridoxal fosfato
Coenzimas cobamídicos
Ac. Ascórbico
NAD+, NADP+
Lipoamida
Coenzimas folínicos
Panteteínas (CoA, p.e.)
B1
B2
B6
B12
C
PP
2. Liposolubles
Naftoquinonas
g-Carboxilación
K
Cofactores de naturaleza no vitamínica: ejemplos
Hemo
Complejos Fe-S
Quinonas
Glutatión
ATP
UTP
PAPS
S-AM
Carnitina
Hemoenzimas, citocromos
Ferredoxinas
Tr.electrónico mitocondrial y fotosintético
Redox; transporte de aminoácidos
Transf.de fosfato y/o de energía
Transf.de grupos glicosídicos
Transf.de grupos sulfato
Transf.de grupos metilo
Transportador de grupos acil-
Vitaminas que no forman parte de cofactores enzimáticos
Liposolubles
Retinoides
Calciferoles
Tocoferoles
vit. A
vit. D
vit. E
Teorías de la Acción
Enzimática
Modelo de Llave y Cerradura (Emil Fischer)
Substrato y enzima se acoplan de
forma estereospecífica,
de la misma manera que una
llave se ajusta a su cerradura.
Modelo aceptado durante mucho
tiempo; hoy se considera
insuficiente al no explicar
algunos fenómenos de la inhibición enzimática.
Modelo de Ajuste Inducido (Koshland)
Tanto la enzima como el
substrato sufren una
alteración en su estructura
por el hecho físico de la
unión.
Está mucho más de
acuerdo con todos los
datos experimentales
conocidos hasta el
momento.
La teoría del Ajuste Inducido se amplía en la actualidad
definiendo la acción enzimática como
Estabilización del Estado de Transición
Según lo cual, el Centro Activo enzimático es en realidad
complementario no al substrato o al producto, sino al
estado de transición entre ambos.
O
R C O R'
OR C O R'
O-
Substrato: un éster
Estado de transición:
intermediario tetraédrico,
inestable
O
-
R C O
HO R'
Productos
Clasificación y
Nomenclatura de
Enzimas
Nombre sistemático:
Grupo transferido
ATP: hexosa fosfotransferasa
Donador
Aceptor
Grupo Subgrupo
Número sistemático
Enzyme
Comission
EC 2.7.1.1
Nombre común: Hexokinasa
Sub-subgrupo
Enzima
Clasificación de enzimas: Grupos
1. Oxidorreductasas
2. Transferasas
•grupos aldehidos
•gupos acilos
•grupos glucosilos
•grupos fosfatos (kinasas)
3. Hidrolasas
•Transforman polímeros en monómeros.
Actuan sobre:
•enlace éster
•enlace glucosídico
•enlace peptídico
•enlace C-N
4. Liasas
•(Adición a los dobles enlaces)
•Entre C y C
•Entre C y O
•Entre C y N
5. Isomerasas
•(Reacciones de isomerización)
6. Ligasas
•(Formación de enlaces, con
aporte de ATP)
Entre C y O
•Entre C y S
•Entre C y N
•Entre C y C
Inhibición Enzimática
Inhibidor:
Efector que hace disminuir la actividad enzimática, a través de
interacciones con el centro activo u otros centros específicos
(alostéricos).
Esta definición excluye todos aquellos agentes que inactivan a
la enzima a través de desnaturalización de la molécula enzimática
De esta forma, habrá dos tipos de inhibidores:
I.
Isostéricos: ejercen su acción sobre el centro activo
II. Alostéricos: ejercen su acción sobre otra parte de la molécula,
causando un cambio conformacional con repercusión negativa en la
actividad enzimática.
Activador alostérico:
favorece la unión del
sustrato
Inhibidor alostérico:
impide la unión del
sustrato
Los inhibidores isostéricos pueden ser de dos tipos:
1. Inhibidor reversible: establece un equilibrio con la enzima libre,
con el complejo enzima-substrato o con ambos:
E+I
EI
ES + I
ESI
2. Inhibidor irreversible: modifica químicamente a la enzima:
E+I
E’
Inhibición reversible
(a) El inhibidor se fija al centro activo
de la enzima libre, impidiendo la
fijación del substrato: Inhibición
Competitiva
(b) El inhibidor se fija a la enzima
independientemente de que lo
haga o no el substrato; el inhibidor,
por tanto, no impide la fijación del
substrato a la enzima, pero sí impide
la acción catalítica: Inhibición No
Competitiva
(c) El inhibidor se fija únicamente al complejo enzima-substrato
una vez formado, impidiendo la acción catalítica; este tipo se
conoce como Inhibición Anticompetitiva
S
E
ES
E+P
I
Inhibición
Competitiva
EI
Las fijaciones de substrato e inhibidor son
mutuamente exclusivas; el complejo EI no es productivo
S
E
ES
I
I
Inhibición
No Competitiva
S
EI
El inhibidor se fija
indistintamente a la enzima
libre E y al complejo
enzima-substrato ES; ni el
complejo EI ni el complejo
ESI son productivos
E+P
ESI
S
E
ES
E+P
I
Inhibición
Anticompetitiva
ESI
El inhibidor sólo puede
fijarse al complejo ES;
el complejo ESI no es
productivo
Inhibición Competitiva
S
E
ES
E+P
I
EI
Se define una constante de
equilibrio de disociación del
inhibidor:
[E] [I]
Ki =
[EI]
Características:
- Las fijaciones de substrato e inhibidor son mutuamente exclusivas
- A muy altas concentraciones de substrato desaparece la inhibición
- Por lo general, el inhibidor competitivo es un análogo químico del
substrato.
- El inhibidor es tan específico como el substrato
O
O
H2N
C
H2N
O-
S NH2
O
4-aminobenzoato
4-aminobenceno
sulfonamida
H2N
N
N
H
N
N
N
CO OH
OH
CH2
Ác. Fólico
CH2
C NH C H
O
COOn
H2N
N
N
CH3
N
N
N
CO OH
CH2
Methotrexate
CH2
C NH C H
O
COOn
O
CH3
HN
O
Análogos de base
NH
Timina
O
Br
HN
O
NH
5-Bromouracilo
NH2
Análogos de
nucleósido
O
HOCH2
N
O
Citidina
OH
OH
NH2
O
HOCH2
O
N
OH
OH
Citosina
arabinósido
Inhibición Irreversible
- Los inhibidores irreversibles reaccionan con un grupo
químico de la enzima, modificándola covalentemente
- Su acción no se describe por una constante de equilibrio Ki,
sino por una constante de velocidad ki:
E+I
E’
- A diferencia de la inhibición reversible, el efecto de los
inhibidores irreversibles depende del tiempo de actuación
del inhibidor.
- Los inhibidores irreversibles son, por lo general, altamente
tóxicos.
Algunos tipos de inhibidores irreversibles
1. Reactivos de grupos -SH
2. Organofosfóricos
3. Ligandos de metales
4. Metales pesados
Regulación de la Actividad
Enzimática
Regulación alostérica
Procesos a nivel celular; regulación de ajuste fino
de la actividad enzimática, a través de efectos de
retroalimentación (negativa o positiva)
Regulación por modificación covalente
Procesos a nivel supracelular (orgánico); regulación
a gran escala de actividades enzimáticas, a través de
modificación covalente de enzimas, provocadas por
señales (transducción de señales)
Regulación alostérica
Retroalimentación negativa en vías metabólicas, 1
Síntesis de Isoleucina
Thr
Treonina
desaminasa
a-cetobutirato
Ile
El producto final de la ruta, Isoleucina, inhibe a la primera
enzima de la misma, Treonina desaminasa
Regulación por modificación covalente
Suele haber fenómenos de modificación covalente de
enzimas en la respuesta celular a señales químicas:
1. Neurotransmisores
2. Hormonas
3. Factores de crecimiento
4. Estímulos morfogenéticos y de diferenciación
5. Muerte celular programada (apoptosis)
6. Estímulos antigénicos
7. Luz y otros agentes físico-químicos
EFECTO DE LA MODIFICACIÓN COVALENTE
SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Elementos de la reacción
La Enzima no
La enzima fosforilada
fosforilada es inactiva
es activa