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VIAS METABÓLICAS.
ENZIMAS
TULB 2015
METABOLISMO
El conjunto de las reacciones químicas que tienen
lugar en el seno de los tejidos constituye el
metabolismo.
Estas reacciones pueden estar dirigidos a:
• Obtener energía y poder reductor de los alimentos.
• Degradar los compuestos ingresados en productos
más simples, utilizables como precursores para la
síntesis de moléculas constituyentes de tejidos y
órganos.
METABOLISMO
• Procesos degradativos:
CATABOLISMO
• Procesos de biosíntesis:
ANABOLISMO
VIAS METABÓLICAS
• Las transformaciones metabólicas se realizan a
través de series de reacciones catalizadas por
enzimas, ordenadas en una secuencia definida,
llamadas VÍAS METABÓLICAS.
• Cada una de estas convierte un precursor o
sustrato inicial en un producto final.
• Cada uno de los productos intermedios se
denominan metabolitos.
VÍAS METABÓLICAS
• El sustrato inicial por acción de una enzima
específica, se convierte en un producto que sirve
de sustrato para otra enzima de la reacción
siguiente y así sucesivamente, hasta llegar al
producto final, en una SECUENCIA LINEAL.
A
a
B
b
C
c
D
d
E
VÍAS METABÓLICAS
• Existen vías que incluyen puntos de ramificación:
C c D d E
b
A
B
a
P
Q
R
b´
p
B tiene dos vías alternativas.
q
VÍAS METABÓLICAS
• Cuando todas las reacciones de la vía son
reversibles, el camino puede recorrerse en ambos
sentidos:
A
B
C
D
E
• Cuando una o más reacciones de la vía son
irreversibles, el camino de vuelta debe realizar
desvíos:
A
B
C
D
S
E
VÍAS METABÓLICAS
• Existen transformaciones que ocurren en forma
cíclica: la secuencia ordenada de reacciones
termina regenerando el compuesto final.
VÍAS METABÓLICAS
• CICLOS INTERCONECTADOS
• REACCIONES EN CASCADA
VÍAS METABÓLICAS
• Vías catabólicas: sustrato inicial es reducido a un
compuesto más simple. Reacciones oxidativas,
exergónicas, con producción de ATP y NADH. Glucólisis,
beta-oxidación.
• Vías anabólicas: formación de nuevos enlaces
químicos. Reacciones endergónicas, con hidrólisis de
ATP y NADPH como donante de equivalentes de
reducción. Gluconeogénesis , síntesis de ácidos grasos.
• Vías anfibólicas: funcionan como anabólicas o
catabólicas de acuerdo a las necesidades celulares.
Ciclo de Krebs.
ENZIMAS
En los seres vivos se producen reacciones químicas para:
•Transformar los nutrientes de los alimentos para obtener energía.
•Transformar nutrientes simples en moléculas complejas y viceversa.
•Obtener materia prima para la síntesis de nuevas moléculas.
•Degradar componentes celulares una vez cumplida su vida útil.
•Extraer energía desde combustibles por oxidación.
•Polimerizar subunidades para formar macromoléculas.
Las transformaciones bioquímicas en los seres vivos ocurren:
• a gran velocidad
• con gran especificidad
• en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión,
etc.
Un catalizador es una sustancia capaz de acelerar una
reacción química sin formar parte de los productos finales
ni desgastarse en el proceso.
ENZIMAS
Los catalizadores biológicos son macromoléculas llamadas
enzimas
La mayoría de las enzimas son proteínas, con la
excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA
catalítico, llamadas ribozimas.
Actividad catalítica: depende de la integridad de su
conformación proteica nativa
CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS
PROTEINAS y RNA (Ribozimas):
Estructura terciaria y cuaternaria
SITIO DE UNION AL SUSTRATO:
Uniones no Covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas,
electrostáticas)
NECESITAN DE FACTORES:
Inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas)
ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO:
Estéreo-especificidad y especificidad geométrica
SON REGULABLES:
La síntesis de la proteína, su actividad y degradación.
DISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS
COMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula.
SISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos
complejos.
ENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta varios sitios catalíticos distintos
en una misma cadena polipeptídica.
Tipos de reacciones catalizadas por
enzimas
 Oxido-reducción
 Rotura y formación de enlaces C-C
 Reorganizaciones internas
 Transferencia de grupos
 Reacciones de condensación
NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE
ENZIMAS
Nombre común : nombre de uso cotidiano
nombre del sustrato de la reacción + asa
Ejemplo: sacarasa, ureasa, amilasa, etc
Nombres arbitrarios Ej: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico,
etc.
Nombres según el tipo de reacción catalizada.
Ej: deshidrogenasas, carboxilasas, etc.
Nombre sistemático:
Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB)
Se asigna a cada enzima un nombre descriptivo y un número que permite
identificarla inequívocamente
Nombre común: Hexoquinasa
Nombre sistemático: ATP: glucosa fosfotransferasa
Código de 4 dígitos: 2.7.1.1.
Clase 2: transferasa
Subclase 7: fosfotransferasa
Subsubclase 1: fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptor
N° de orden de la enzima en su subclase 1: glucosa como aceptor del grupo
fosfato
1- OXIDORREDUCTASAS: DESHIDROGENASAS, OXIDASAS,
OXIGENASAS, REDUCTASAS, PEROXIDASAS
2- TRANSFERASAS: TRANSCARBOXILASAS, TRANSMETILASAS Y
TRANSAMINASAS.
3- HIDROLASAS: ESTERASAS, FOSFATASAS, PEPTIDASAS.
4- LIASAS: DESCARBOXILASAS, HIDRATASAS, DESHIDRATASAS,
DESAMINASAS.
5- ISOMERASAS: EPIMERASAS, MUTASAS.
6- LIGASAS: SINTETASAS, CARBOXILASAS
COFACTORES
Según su modo de interacción con la enzima
COENZIMAS
 Unión laxa a la enzima
 Actuaría como co-sustrato
 Son moléculas orgánicas pequeñas
 Muchas se encuentran libres y solo se unen a la enzima en el momento
de la catálisis
GRUPO PROSTÉTICO
 Molécula orgánica no proteica
 Se une fuertemente a la enzima
 Solo se separa por desnaturalización
IONES INORGÁNICOS
Aniones - cationes
COFACTORES
IONES INORGÁNICOS: Fe2+ Mg2+ Mn 2+ Zn2+
En el caso de las COENZIMAS se forma un complejo:
HOLOENZIMA =
Enzima total
APOENZIMA +
Proteína
Termolábil
No dializa
COENZIMA
No proteínica
Termoestable
Oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas requieren
coenzimas
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
LOCALIZACIÓN INTRACELULAR
DE LAS ENZIMAS
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
SITIO ACTIVO
 Región de la molécula enzimática a la que se une el sustrato
por uniones no covalentes (puente de hidrógeno,
hidrofóbicas, electrostáticas).
 Es una agrupación de un número no muy grande de
aminoácidos distribuidos espacialmente de manera precisa.
Hipótesis de Fischer: estructuras rígidas
Sitio de unión
Sitio catalítico
Hipótesis de Koshland: estructuras adaptables
Determinación de la actividad enzimática
Se puede determinar, midiendo:
 La cantidad de producto formado
 O de sustrato consumido
 En un tiempo dado
 Como una sumatoria de todos los factores requeridos
para la reacción
ACTIVIDAD ENZIMATICA
Unidades Internacionales
Cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 μmol
(10-6 mol) de Sustrato por minuto:
E
Sustrato  Producto
mmol de S transformados
U.I. =
minuto
Siempre bajo condiciones definidas de pH y temperatura
ACTIVIDAD ESPECÍFICA
 Es una expresión que indica la pureza relativa de una preparación
enzimática.
 Relaciona Actividad Enzimática, no con el volumen de muestra,
sino con el total de proteínas existentes en la misma.
 Se define como:
UNIDADES DE ENZIMA POR MG DE PROTEÍNAS PRESENTES
EN LA MUESTRA
 El estado de transición o barrera de activación, representa los cambios que se generan en
la molécula del S.
 Las barreras de activación son importantes para la estabilidad de las biomoléculas.
 Es por esto que las reacciones sin catalizar tienden a ser muy lentas.
 Todas las moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y
ambiente acuoso en el interior de las células.
 Todas las reacciones químicas celulares se llevan a cabo porque las enzimas actúan
disminuyendo la barrera energética entre el S y el P
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA
REACCIÓN
CONCENTRACIÓN DE ENZIMA
Cantidad saturante de sustrato, pH y T°C constantes
A
C
T
I
V
I
D
A
D
E
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
Velocidad de reacción
directamente proporcional a
la concentración de enzima
CONCENTRACIÓN DE ENZIMA
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD
DE LA REACCIÓN
[E], [S], pH: constantes
TEMPERATURA
Temperatura
óptima
pH óptimo
7
6
•
Los cambios del pH del medio
afectan el estado de
ionización de grupos
funcionales de las moléculas
de E y S.
•
Para la formación del [ES] es
necesaria una correcta
distribución de las cargas en
ambas moléculas
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PH ÓPTIMO ES AQUEL EN EL CUAL EL ESTADO DE DISOCIACIÓN DE LOS
GRUPOS ESENCIALES ES EL MÁS APROPIADO PARA INTERACCIONAR EN EL
COMPLEJO ES
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD
DE LA REACCIÓN
EFECTO DEL pH
[E], T°C, [S]: constantes
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD
DE LA REACCIÓN
CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO
[E], pH, T°C: constantes
Reacción de primer orden:
existe proporcionalidad
entre velocidad y [S].
Curva hiperbólica
Reacción de 1° orden
Orden de la reacción
 Cuando [S] es menor a Km, la
velocidad de reacción es proporcional
a la [S]
 por lo tanto la velocidad de reacción
es de primer orden con respecto al
sustrato.
 Cuando [S] es mayor a Km, la
velocidad de reacción es constante e
igual a Vmax
 por lo tanto la velocidad de reacción
es de orden cero con respecto a la
concentración del sustrato.
ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTEN
Cinética del estado estacionario
E + S
k1
k -1
ES
k2
E +P
Reacción de orden cero
Reacción de 1° orden
V0= Velocidad inicial de la reacción
Vmáx= Velocidad Máxima
Km= constante de Michaelis
[S]= concentración del sustrato
La ecuación de Michaelis- Menten puede ser transformada algebraicamente en ecuaciones
utilizables para la determinación práctica del valor de Km.
Es decir, transformamos matemáticamente una curva hiperbólica en una recta.
Al invertir la ecuación de Michaelis- Menten se obtiene la ecuación de una recta llamada:
LINEWEAVER-BURK
ECUACIÓN DE LINEWEAVER-BURK
Ordenada al origen = 1/Vmáx.
Intersección c/eje x = - 1/Km
El valor de km guarda relación inversa con la afinidad de
la
E por el S
A MAYOR AFINIDAD,
MENOR VALOR DE Km
•
Los valores de Km y Vmax de una enzima se determinan experimentalmente.
•
Midiendo las velocidades iniciales de reacción a diferentes [S].
•
Esta representación de dobles recíprocas tiene la ventaja de permitir una
determinación más precisa de Vmax, valor que solo puede obtenerse a partir de la
fórmula de Vo frente a [S].
INHIBIDORES ENZIMÁTICOS
•
Agentes químicos que inhiben la acción catalítica de enzimas.
•
Algunos ejercen su acción uniéndose a sitios o grupos funcionales
esenciales de la E.
•
Estas sustancias son de gran utilidad para estudiar algunos aspectos de la
acción enzimática.
•
Por ejemplo, que grupos funcionales son los que participan en la catálisis o
son responsables de asegurar los requerimientos estructurales para la unión
E-S.
•
La inhibición puede ser reversible o irreversible.
INHIBICIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
INHIBIDORES IRREVERSIBLES
• Sustancias que producen un cambio permanente en la
molécula de enzima.
• Producen un deterioro de su capacidad catalítica.
• Ej. Insecticidas, «inhibidores suicidas» (semejantes
estructuralmente al S y ocupan el sitio activo, caso del
allopurinol- xantina oxidasa como tratamiento de la Gota)
INHIBIDORES REVERSIBLES COMPETITIVOS
Similitud
Estructural
del I con el
S
Ambos
compiten por
el sitio
activo de E
Semejanza
estructural
INHIBIDORES REVERSIBLES NO COMPETITIVOS
• La unión S-E no esta afectada, porque el I se une a la E libre o al [ES].
• Una vez formado el [ESI] la enzima se inactiva.
• El valor de Km no se modifica, pues el S reacciona con la E igual que en
ausencia del I.
• Ejemplos: reactivos que se unen a grupos –SH de cisteína, indispensables
para algunas enzimas, iones metálicos (Cu2+, Hg2+ y Ag2+).
• Otros I se unen a los metales componentes de la E, por ejemplo: cianuro se
une fuertemente al Fe de los citocromos, catalasas y así bloquean su
actividad.
INHIBIDORES REVERSIBLES NO
COMPETITIVOS
Se unen a la E en un sitio diferente al sitio
activo
Este tipo de inhibición no es revertida
por aumento de la [S]
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
 La AE en las células se ajustan a las necesidades
fisiológicas, cambiantes permanentemente.
 A [S] bajas, la AE es proporcional a los niveles de S.
 En condiciones fisiológicas, la [S] se encuentra por
debajo o próxima al Km, así los niveles de S,
determinarán la mayor o menor AE.
 A mayor [S]  mayor AE
 La E que cataliza la primera etapa de una vía metabólica
suele ser reguladora.
• Los seres vivos han generado mecanismos para regular las rutas bioquímicas.
• La regulación es esencial por las siguientes razones:

Mantenimiento de un estado ordenado  no hay desperdicio de recursos.

Conservación de la energía  utilización de la E suficiente en las células, para
consumir los nutrientes según sus necesidades energéticas.

Respuesta a variaciones ambientales son los ajustes rápidos que deben
realizar las células (pH, [S], T°C), por su capacidad de aumentar o disminuir la
velocidad de las reacciones específicas.
ENZIMAS ALOSTÉRICAS
Regulación por retroinhibición o Feed- back negativo
• Tanto la inhibición como la
activación son reversibles.
• El agente modificador actúa
uniéndose a la E en un sitio
diferente al sitio catalítico
Estas Enzimas Alostéricas, además del sitio
catalítico, presentan otros sitios
reguladores donde se unirán moléculas que
actúan sobre su AE.
Moduladores, modificadores o efectores alostéricos
• Positivos o negativos para la AE.
• Efector Homotrópico: el propio sustrato actúa como efector positivo.
• Efector Heterotrópico: efector diferente del sustrato.
Los moduladores alostéricos (-) no
deben ser confundidos con los
Inhibidores.
Forma T
Modifican la conformación de la E
Forma R
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
ENZIMAS ALOSTÉRICAS
Modificación enzimática inmediata
Curvas sigmoideas: las enzimas con este tipo de cinética
pueden regular la [S]
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
MODIFICACIÓN COVALENTE
(modificación enzimática inmediata o minutos )
Adición o remoción de grupos
fosfato sobre residuos de Serina,
Treonina o Tirosina específicos de
la enzima.
Quinasas de proteínas familia de
enzimas que catalizan reacciones de
fosforilación utilizan como dador del
grupo fosfato al ATP.
ATP
ADP
QUINASA DE
PROTEÍNAS
ENZIMA
OH
ENZIMA
OPO3=
Fosfatasas de proteínas separan
los grupos fosfatos de las enzimas
fosforiladas
FOSFATASA DE
PROTEÍNAS
HPO4=
H2 O
Glucógeno fosforilasa