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BIOQUÍMICA
Enzimología
Enzimología
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
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:
Catalizadores
biológicos
• No hacen factibles las reacciones imposibles
Aceleradores
• Sin consumirse en una reacción, aumentan
notablemente su velocidad
Posibilitan la
vida
• Prácticamente todas las reacciones químicas
que tienen lugar en los seres vivos están
catalizadas por enzimas.
Las enzimas son proteínas altamente especializadas.
Función: catálisis (o regulación de la velocidad) de las
reacciones químicas en los seres vivos.
E+S
[ES]
E+P
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
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).
* En su mayoría son proteínas, hay ARN con capacidad catalítica
(ribozimas)
Estructura de una enzima
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.
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
Mecanismo de la reacción
enzimática
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:
Reacción catalizada por una enzima:
centro activo región concreta de la enzima donde el sustrato se une
Unión al centro
activo
Enzima y su
sustrato
E+S

ES
Formación de
productos

Complejo enzima-sustrato
E + P
El centro activo comprende


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
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).
El sustrato se une a la enzima luego se inicia la catálisis
Sitio de unión: es el que le da la especificidad a la enzima
Sitio
catalítico
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
Glc + ATP  Glc-6P + ADP
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.
Clasificación y
Nomenclatura:
Comisión de Enzimas
Clases
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Óxido-reductasas
Transferasas
Hidrolasas
Liasas
Isomerasas
Ligasas
Nomenclatura:
Comisión de Enzimas
Ej.: la ATP:glucosa fosfotransferasa
(glucoquinasa)
Glc + ATP  Glc-6P + ADP
Glucoquinasa
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.
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




Wiki
Clases
Subclases
Subsubclases
Orden
CPK o CK
ATP + Creatina
ADP
HO3P-
(Ác. Alfa-metil guanido-acético)
Fosfocreatina
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; αglucosidasa 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.
MODO DE ACCIÓN DE LAS
ENZIMAS
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
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
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
Es grupo prostético
Deriva de la Vitamina B2 (flavina)
FAD
forma oxidada
FADH2 forma reducida
CINÉTICA ENZIMÁTICA



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
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.
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 MichaelisMenten. 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
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
Efecto el pH
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.
Factores que afectan la cinética
enzimática: INHIBIDORES
Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de una
enzima: son los inhibidores.

Irreversibles
E + I  EI
se unen fuertemente a la E y el complejo no se disocia

Reversibles
E + I ⇄ EI
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
Inhibidores Reversibles
inhibidor competitivo
Inhibidores Reversibles
inhibidor no competitivo
Inhibidores Reversibles
inhibidor acompetitivo
P
S
Inhibidores Reversibles
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
Regulación de la actividad enzimática
por 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
Regulación de la actividad enzimática
por 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.
APOENZIMA