Download tema 05. enzimas - IES MURIEDAS. Departamento de Biologia y

TEMA 5. BIOCATALIZADORES: ENZIMAS
2º bachillerato
Biología
IES Muriedas
Bonifacio San Millán
BIOCATALIZADORES: ENZIMAS


Introducción
 Concepto de VIDA:
 Sistemas de baja entropía:
 Necesidad de las enzimas (metabolismo)
 Mecanismos autorreplicativos (ADN, ARN)
Importancia BIOLÓGICA
NECESIDAD DE LA CATÁLISIS
 CONCEPTO DE ENZIMA

ENZIMAS
Holoenzima = Apoenzima + Cofactor
Apoenzima:
Composición (proteica)
 Estructura: (globular  3ª o 4ª)
 AA estructurales (d)
 AA del c. activo:
 De fijación (a y c)
 Catalizadores (b)

ENZIMAS
Holoenzima = Apoenzima + Cofactor

Cofactor
 Inorgánicos: oligoelementos iónicos

ej. ( Fe2+ ↔ Fe3+ )
 Orgánicos
 Crupo

prostético: Enlace covalente
ej. Grupo Hemo
 Coenzimas:

Enlaces reversibles.
ej. vitaminas (Vit B6) o sus derivados (NAD+, FAD)
ENZIMAS
Holoenzima = Apoenzima + Cofactor

Cofactores
Grupo prostético
“Hemo”
ENZIMAS
Papel de:
 Apoenzima
 Soporte
 Debilita enlaces
 Cofactor (completa el c. activo)
 Lleva a cabo la catálisis.
 Puente de unión ES
 Conformación:
 moldeando definitivamente
al enzima
ENZIMAS : PROPIEDADES
Proteicas:
 solubilidad, desnaturalización, Pi, etc.
 Especificidad
 De Acción: Un tipo de reacción
 De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato
 Absoluta
 Relativa
EA
EB
EC





Reversibilidad: A
Eficacia:  
Localización
Recuperación
B
C
P
ENZIMAS : PROPIEDADES

Especificidad
 De Acción: Un tipo de reacción
 De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato


Relativa: ej. Lipasa
Absoluta: ej. Gliceraldehído 3P deshidrogenasa
En nuestro cuerpo, los monosacáridos tienen forma
D y los aminoácidos proteicos forma L ¿Por qué?
Porque las enzimas de nuestro cuerpo sólo catalizan
reacciones sobre monosacáridos D o aminoçacidos L
ENZIMAS : PROPIEDADES

Especificidad
 De Acción: Un tipo de reacción
 De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato

Relativa: ej. Succinato deshidrogenasa
ENZIMAS : PROPIEDADES
Recuperación:


Enzima:
E+S


E + P
El “E” se recupera integramente
Coenzima:
 Ej: AH2 + FAD

ES
Deshidrogenasa
(El FAD necesita reciclarse)
A + FADH2
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Reacción enzimática
http://www.google.es/imgres?imgurl=http://docentes.educacion.navarra.es/~metayosa/bach2/2biometabo2_clip_image001.gif&imgrefurl=http://docentes.educacion.navarra.es/~metayosa/bach2/2bio
metabo2.html&usg=__RAXG8xoCehE8jgwXifhd2k8gZe0=&h=232&w=373&sz=13&hl=es&start=2&zoom=1&um=1&itbs=1&tbnid=N8lhV_3l7aBH2M:&tbnh=76&tbnw=122&prev=/images%3Fq%3Dap
oenzima%2Bcofactor%26um%3D1%26hl%3Des%26safe%3Dactive%26sa%3DN%26tbs%3Disch:1
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Velocidad de reacción:
V = P  / t
 Factores:
(no en seres vivos  s. Isotérmicos)
 Presencia de catalizadores:  la E. de activación
 Tª
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Proceso:
Sin Catalizador
Con Catalizador
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Proceso:
 A:
Fijación especifica: complejo ES
 B: Liberación del producto: Enzima
+
Producto
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Todas las reacciones metabólicas necesitan de la
participación de enzimas.
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Todas las reacciones metabólicas necesitan de la
participación de enzimas.
Síntesis
Degradación
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA

Modelos
 Llave cerradura (A)
 Ajuste inducido (B)
Modelo de la llave-cerradura
Modelo de ajuste inducido
ENZIMAS: LA CATÁLISIS
ENZIMÁTICA
Modelo de la llave-cerradura
Modelo de ajuste inducido
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

Velocidad: V = P / t
1

U  µmol S/min  µmol P/min
V máxima: Ke  Et 
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
 Afinidad
por el S (especificidad):  KM   Afinidad
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
 Afinidad
por el S (especificidad):  KM   Afinidad
Km = K2 + K3
Vmax  S 
 Vo 
K1
K m  S 
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
 Importancia
= [ S ] fisiológica  V enzimática a [ ] fisiológica
 Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad
 Km
 Km
a partir de la ecuación de Vo de M-M
 Km a partir de la K1 o K2 (limitante):


K1
E + S
ES
K2
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
Enzimas con
diferente
Velocidad máxima
y la misma Km.
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
Enzimas con la
misma Vmax y
diferente KM
(Si catalizan la
misma reacción y
sobre el mismo S
serán isozimas
ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA

KM (Cte de Michaelis-Menten)
Enzimas con
diferente Vmax
y diferente KM
ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad

Factores:




Concentración de sustrato
Concentración de enzima
pH
Temperatura
ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad

Influencia de la concentración del SUSTRATO

Exponencial (Hipérbole)
ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad

Influencia de la concentración de ENZIMA.

Proporcional (lineal)
ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad

Influencia del pH.
Intestino (jugo pancreático)
¿ A qué se deben estas
diferencias en el pH óptimo
de las siguientes enzimas?
Estómago (jugo gástrico)
ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad

Influencia de la temperatura.
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática
Necesidad de regulación y modos



Regulación por Km
Activación:
2+
2+ ), el sustrato, etc.
 cationes (Ca , Mg
Inhibición:
 Reversible
 I. Competitiva:  Km
 Irreversible
I. No competitiva: Vmax , Km constante.
 I. Acompetitiva:  Km Vmax
Alosterismo


ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Regulación
por Km
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Activación:



cationes (Ca2+, Mg2+ )
el sustrato
etc.
Nota: No confundir
con un cofactor, el
activador no se une
al centro activo
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Reversible:

I. Competitiva:
  Km
 Vmax Constante
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Reversible

I. Competitiva:
  Km
 Vmax Constante
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición competitiva:
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición competitiva:
La Vmax
permanece
constante
La Km
aumenta
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición competitiva:
¿Por qué es
Revierte si
reversible?
aumentamos la
Se puede neutralizar
de
siconcentración
se añade una
sustrato de
concentración
sustrato suficiente
para desplazar al
inhibidor.
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Irreversible
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Irreversible

I. No competitiva: Vmax, Km constante.
complejo
ESI
La unión al InC puede permitir la unión del S, pero el complejo resultante,
siempre es inactivo. El Inc puede unirse tanto al E como al complejo ES
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Irreversible

I. No competitiva: Vmax, Km constante
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición no competitiva:
La Vmax
disminuye
La Km
constante
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición no competitiva:
No revierte
¿Por
qué es
aunque
irreversible?
aumentemos la
concentración de
sustrato
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Irreversible

I. Acompetitiva:  Km Vmax
Siempre se forma
el complejo
ESI, pero inactivo.
La unión del ES con el
IA dificulta la liberación
del complejo y su
progresión hacia el
producto.
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición:

Irreversible

I. Acompetitiva:  Km (aparentemente) Vmax
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición Acompetitiva:
¿Por qué es
irreversible?
La Vmax
disminuye
La Km
aparente
disminuye
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición Acompetitiva:
No revierte
¿Por
qué es
aunque
irreversible?
aumentemos la
concentración de
sustrato
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Inhibición
IC:
Vmax cte
 Km
INC:
Vmax
Km cte
IA:
Vmax
 Km (aparente)
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Alosterismo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Enzimas cuaternarias (oligómeros)
Centro activo + centros reguladores
Conformaciones T (“inactiva”) y R (activa)
Cooperación entre protómeros
Cinética sigmoidea
En rutas tipo Feed-back (-)
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Nota: “Inhibición Irreversible”

La mayoría de los libros de texto consideran la I. Irreversible
como aquella que se produce cuando un veneno metabólico
se une irreversiblemente (covalentemente) a un enzima,
incapacitándole permanentemente. Con este enfoque la IC,
INC y IA se considerarían reversibles ya que se unen al
enzima con enlaces débiles y en determinadas circunstancias
se liberan con facilidad. Sin embargo la aparición
“patológica” de un veneno metabólico, no puede
considerarse un mecanismo regulatorio.
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Alosterismo
1. Enzimas cuaternarias
(oligómeros)
2. Centro activo +
centros reguladores
3. Conformaciones T
(“inactiva”) y R
(activa)
4. Cooperación entre
protómeros
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Alosterismo:
5. Cinética sigmoidea
Análisis de cinética sigmoidea
ENZIMAS: Regulación de la
Actividad enzimática

Alosterismo:
6. En rutas tipo Feed-back (-)
ENZIMAS: Nomenclatura


Se conocen  2.000 enzimas
Para nombrarlas:
 Término
que alude al sustrato y al tipo de reacción
catalizada
 Sufijo –ASA

En ocasiones no se usa esta denominación, sino la
antigua, sobre todo en las enzimas digestivas (ej.
Pepsina, tripsina)
ENZIMAS: Clasificación

Según el tipo de
reacción que
catalizan:
 Oxidorreductasas
 Transferasas
 Hidrolasas
 Liasas
 Isomerasas
 Ligasas
o sintasas
ENZIMAS: Mecanismos para
aumentar la eficacia enzimática
1. Compartimentación
ENZIMAS: Mecanismos para
aumentar la eficacia enzimática
2. Complejos multienzimáticos
Ej. piruvato deshidrogensa-descarboxilasa :
1. Descarboxilarsa
2. Deshidrogenasa
3. Activación (sintasa)
ENZIMAS: Mecanismos para
aumentar la eficacia enzimática
3. Isozimas
LAS VITAMINAS http://www.um.es/molecula/vita.htm
Concepto:
Nutrientes orgánicos simples
 Esenciales
 Necesarios en muy bajas cantidades
Propiedades:
lábiles
 Luz, calor, oxidación
 Muy activas

LAS VITAMINAS

Funcion:
 Reguladora: ej. complejo B: (reac. redox.)
 Coenzimas
 (ej. B1 de dexcarboxilasas, C síntesis colágeno )
 Precursoras de coenzimas
 (ej. B2 de NAD+, B3 de FAD)
 Antioxidantes:
 (A, E, C)
LAS VITAMINAS
Clasificación:

Liposolubles (“lipídicas”):
 Vit.( A, E, K, D)

Hidrosolubles (“peptídicas”):
 Complejo B
 Vit.B1,B2,B3,B4,B6,B8,B9,B12
 Vit C.
LAS VITAMINAS: Fuentes
TEMA 6
TEST DE REPASO
Esta gráfica representa la variación de la velocidad de
reacción frente a la concentración del sustrato; ¿A
qué se debe que la curva alcance una meseta y la
velocidad no sigua aumentando para mayores
concentraciones de sustrato
Se alcanza la concentración
saturante de sustrato
donde todas las enzimas
están formando complejos
ES
A) Explica como calcularías el valor de Km para una
enzima frente a un sustrato, si conoces la velocidad de
reacción para distintas concentraciones de sustrato.
B) ¿Qué efecto tendría sobre la Km la presencia de un
inhibidor enzimático reversible? Razona la respuesta
A) Graficamente
Km
Km´
B) I. competitiva
Dibuja la estructura terciaria de una enzima unida a su sustrato, sobre
este dibujo indica lo siguiente:
A. ¿Dónde actuaría un inhibidor competitivo?
En el centro activo, es un análogo metabólico
A. ¿Dónde actuaría un inhibidor no competitivo?
En región diferente al c. activo
A. ¿Cuál de los dos tiene un efecto reversible?
El I. competitivo
A. ¿cómo conseguirías revertir el proceso inhibitorio? Razona las
respuestas.
Añadiendo más sustrato, hasta la V max. (saturación).
Ic
E
Centro
activo
S
Inc
Define el concepto de cofactor enzimático
Grupo molecular no proteico que complementa al enzima ( a nivel del c. activo)
¿Qué papel juega el cofactor en el proceso catalítico?
Aporta g. funcionales al c. activo:
 Interviene directamente en la catálisis ,
 Une ES,
 Moldea definitivamente el E.U
Cita algún ejemplo de cofactor enzimático:
 FAD, NAD+, cationes, grupo prostético, etc.
Define los siguientes conceptos referidos a enzimas:
Km:
Concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad
máxima de un proceso enzimático.
Catálisis:
Disminución de la energía de activación por la acción de un catalizador (3
etapas) con el fin de aumentar la velocidad.
Velocidad del proceso enzimático:
V = [ P ] / tiempo, en moles / L / minuto.
Un enzima ha perdido eficiencia catalítica en la transformación de un
sustrato “S” en un producto “P” al estar sometida aquella a la acción
de un inhibidor competitivo, bajo estas circunstancias ¿de qué forma
se verían afectadas la Vmax y la Km de la enzima? ¿cómo
solucionarías el problema?. Razona tu respuesta.
Km  la afinidad por el S.
La Vmax. No varía
Podemos revertir el proceso añadiendo sustrato
Una determinada concentración de enzima cataliza la conversión de un
sustrato S en un producto P a una velocidad máxima de 3 µ M/min, en estas
condiciones de ensayo ¿qué incremento de valor tendrá la Vmax del
proceso si duplicamos la concentración del sustrato? Razona la respuesta.
Ninguno ya que todo el enzima estará formando complejos ES (saturación) y se
habrá alcanzado la V max.
A un pH 7.5 una determinada enzima transforma, con rendimiento óptimo,
una determinada concentración de sustrato “S” en un producto “P”. Si
modificamos el pH hasta un valor de 6.4 ¿qué le ocurriría a la velocidad del
proceso? ¿qué le ocurriría al centro activo en estas condiciones de
reacción? Razona la respuesta:
a) la V disminuye.
b) la geometría del c. activo varía  se dificulta la interacción específica con el
S. Si el cambio de pH fuera MAYOR  desnaturalización del enzima  V = 0
( enz. No funcional)
Cuando se representa la cinética de catálisis enzimática de una
enzima frente a un sustrato, en diferentes condiciones de pH y la
misma Tª de reacción, se obtiene el resultado de la figura . Comenta el
resultado obtenido y razona el comportamiento de la enzima en el
ensayo teniendo en cuenta los criterios estructurales.
pH 7,3  máxima V (probablemente pH óptimo),
pH 6  menor V,
pH 5: V mínima, comienza la desnaturalización.
A medida que aumenta el pH el enzima sufre cambios conformacionales
que afectan al c. activo disminuyendo la . Si el cambio es extremo 
desnaturalización y V= 0
En la figura se representa la cinética de determinado
proceso enzimático. Si en un ensayo aparte se reproduce
el mismo ensayo pero introduciendo a) un IC b) un INC c)
Un I A. ¿Cómo sería e cada caso la gráfica. Representa la
gráfica indicando en cada caso la Vmax del ensayo
a) ICompetitiva
IC:
Vmax cte
 Km
b) I no Competitiva
INC:
Vmax
Km cte
c) I Acompetitiva
IA:
Vmax
 Km
El sustrato S es transformado por tres enzimas
diferentes en un mismo producto P. Indica en cada caso:
el tipo de enzima, la Km y la Vmax. Indica además que
enzima tiene mayor afinidad por el sustrato.
E1: normal
E2: Alostérica
E3: Alostérica
E1: Vmax 10
E2: Vmax 10
E3: Vmaz 2
E1: Km 1,4
E2: Km 3
E3: Km 1,4
E1 = E3 > E2
Afinidad
En un cultivo de bacterias, la velocidad de reacción de un enzima E fue de
20 µg/min para una concentración de sustrato de 3 mM. Si la concentración de
sustrato es igual o superior a 7 mM, la velocidad no supera los 40 µg/min. Al
añadir una cierta cantidad de inhibidor competitivo, la velocidad de la
reacción fue de 20 µg/min para una concentración de sustrato de 8 mM.
Calcúlese la Km, la Vmax y la Km´.
a) Vmax: Si para una [S] ≥ 7 mM la velocidad es 40 µg/min, la Vmax=40 µg/min
b) Km: ½ Vmax será 20 µg/min, como esta velocidad se consigue con una [S]
= 3 mM, la Km = 3 mM
Otra forma es utilizando la ecuación de Michaelis:
Vo = Vmax [S] / Km + [S]
Km +3 = 120 / 20
20 = 40 x 3 / Km + 3
Km = 6 – 3 = 3 mM/L
c) Como es un inhibidor competitivo Vmax = Vmax´= 40 µg/min y ½ Vmax´= 20
µg/min. Esta velocidad se alcanza con una [S] de 8 mM en presencia de
inhibidor, por lo tanto Km´= 8 mM.
En un determinado proceso enzimático, una concentración fija de enzima "E"
transforma un sustrato "S" en un producto "P" a una velocidad máxima de 35
mMol / min. Si en esta etapa del proceso añadimos cierta cantidad de sustancia
"X" -de estructura similar a la de "S"- reconocida también por el centro activo de
"E", pero no transformable en producto, se observa que la V. del proceso
desciende un 50%. Representa gráficamente el fenómeno (velocidad frente a
concentración de sustrato) e indica porqué la adición de "X" ha reducido la
velocidad máxima. ¿Cómo harías en este caso para recuperar nuevamente el
valor de Vmax. sin retirar "X" del medio? ¿Qué le ocurriría a la Km de la enzima
en cada uno de estos supuestos? Razona las respuestas.
Pare una línea recta
pero es curva
(hipérbole)
En un determinado proceso enzimático, una concentración fija de enzima "E"
transforma un sustrato "S" en un producto "P" a una velocidad máxima de 35
mMol / min. Si en esta etapa del proceso añadimos cierta cantidad de sustancia
"X" -de estructura similar a la de "S"- reconocida también por el centro activo de
"E", pero no transformable en producto, se observa que la V. del proceso
desciende un 50%. Representa gráficamente el fenómeno (velocidad frente a
concentración de sustrato) e indica porqué la adición de "X" ha reducido la
velocidad máxima. ¿Cómo harías en este caso para recuperar nuevamente el
valor de Vmax. sin retirar "X" del medio? ¿Qué le ocurriría a la Km de la enzima
en cada uno de estos supuestos? Razona las respuestas.
Para comprenderlo
mejor, imaginemos
que el inhibidor se
hubiera añadido
desde el comienzo
del ensayo. En este
caso, así sería la
gráfica.
A: Sin inhibidor.
B: Con un inhibidor
competitivo.
La desnaturalización parcial de una proteína enzimática produce una
disminución de la V. max de la misma en una determinada reacción. ¿Cómo
explicas este fenómeno? ¿Qué papel juega el centro activo en este cambio de
actividad?
Algunas moléculas pierden la conformación definitiva lo que se
traduce en una modificación a nivel geométrico del centro activo que
impide la interacción específica con el sustrato.
Un determinado gen "G" codifica para una proteína enzimática "E" que transforma
un sustrato "S" en un producto "P" con una Km de valor "N". Tras una mutación
puntual en el gen "G" se obtiene un producto "Em" similar al primero pero con un
valor de Km mayor que el "N" sobre el mismo sustrato "S". ¿ Cómo explicarías
este fenómeno?
Ejercicio mal redactado ya que Em parece ser el producto de la reacción
y en realidad se refiere a la enzima resultante del gen G mutado. El
enzima resultante de la mutación es un isozima del original ya que actúa
sobre el mismo sustrato catalizando la misma reacción, pero con una
Km mayor por lo que presenta una menor afinidad por el sustrato. El
centro activo habrá sufrido un ligero cambio conformacional.
http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdel
asabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/E
nzimas/enzimas.htm