Enzimas

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Enzimas

  1. 1. ENZIMAS Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas. <ul><li>Las enzimas son necesarias para que las reacciones bioquímicas: </li></ul><ul><li>Se produzcan a una velocidad adecuada para la célula </li></ul><ul><li>Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de hacia reacciones colaterales que despilfarren energía </li></ul><ul><li>Pueda regularse la producción de distintas sustancias según las necesidades </li></ul>
  2. 2. PROPIEDADES GENERALES <ul><li>AUMENTAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN </li></ul><ul><ul><li>De 10 6 to 10 12 veces vs sin enzima. </li></ul></ul><ul><ul><li>Aún más rápido que los catalizadores químicos. </li></ul></ul><ul><li>CONDICIONES DE REACCIÓN </li></ul><ul><ul><li>Temperatura 25-40 o C (algunas hasta 75 o C) </li></ul></ul><ul><ul><li>pH neutro (5-9), la mayoría 6.5 – 7.5 </li></ul></ul><ul><ul><li>Presión atmosférica normal </li></ul></ul><ul><li>CAPACIDAD DE REGULACIÓN </li></ul><ul><ul><li>Por concentración de sustrato </li></ul></ul><ul><ul><li>Por concentración de enzima </li></ul></ul><ul><ul><li>Por inhibidores competitivos (semejantes al sustrato) </li></ul></ul><ul><ul><li>Por inhibidores no competitivos (modificación covalente de la enzima) </li></ul></ul><ul><ul><li>Por regulación alostérica </li></ul></ul><ul><li>ALTA ESPECIFICIDAD DE REACCIÓN </li></ul><ul><ul><li>Interacción estereoespecífica con el sustrato </li></ul></ul><ul><ul><li>No hay productos colaterales </li></ul></ul>
  3. 3. Todas las enzimas son proteínas excepto las ribozimas (formadas por RNA sólo o asociado a proteínas) Aumentan la velocidad de reacción hasta por un factor de 10 14 Hay dos características importantes en la catálisis 1.- Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción sin verse alteradas en el proceso, no se modifican en su actuación: E + S ES E + P 2.- Las enzimas no modifican la constante de equilibrio de la reacción
  4. 4. CÓMO ACTÚAN LAS ENZIMAS <ul><li>Una enzima une la molécula de sustrato de forma específica en una región denominada CENTRO ACTIVO que suele ser un bolsillo o una hendidura que se forma entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas cadenas: </li></ul><ul><li>Facilitan la unión del sustrato ( especificidad de sustrato) </li></ul><ul><li>Intervienen en la catálisis ( centro catalítico ) </li></ul><ul><li>CENTRO CATALÍTICO : puede incluir también: </li></ul><ul><li>Coenzimas (moléculas orgánicas derivadas de vitaminas) </li></ul><ul><li>Cofactores (moléculas inorgánicas como iones metálicos) </li></ul><ul><li>Puede coincidir o no con el centro activo </li></ul>
  5. 5. SITIO ACTIVO 1.- Supone una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima 2.- Es una entidad tridimensional 3.- Se unen a los sustratos por fuerzas relativamente débiles 4.- Son hoyos o hendiduras de las que suele quedar excluida el agua, salvo que sea un componente de la reacción 5.- La especificidad del enlace depende de la disposición de los átomos del sitio activo Región que se une al sustrato y contribuye con los residuos que participan en la formación y rotura de enlaces ( grupos catalíticos )
  6. 7. Catálisis por quimotripsina “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Lugar de ruptura 2 Se transfieren H+ desde Ser a His y luego al fragmento C-terminal H NH----------(C) 3 Intermediario acilo-enzima 4 Una molécula de agua se une a la enzima 5 El agua transfiere el H+ a la His y el OH al resto de S HO OC----------- (N) Ser 195 -CH 2 -O H 6 1 Unión no covalente del S con cadenas del bolsillo hidrófobo
  7. 8. TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA 1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura 1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  8. 9. Especificidad de acción 1.- Especificidad Absoluta : Ej. Aspartasa H aspartasa │ -OOC ─CH 2 ─CH─COO- -OOC─C ═ C─COO- │ │ NH 3 H aspartato fumarato Las enzimas catalizan reacciones con diferente grado de especificidad.
  9. 10. Continuación ....... <ul><li>2. Especificidad de grupo : Ej. Fosfatasa </li></ul><ul><li>3. Especificidad de enlace : Ej. Estereasa </li></ul><ul><li>4. Estereoespecificidad : Ej. Aspastasa </li></ul>
  10. 11. LAS ENZIMAS ACELERAN LAS REACCIONES BAJANDO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN La enzima se une a la molécula de sustrato y la hace adoptar un estado intermediario semejante al de transición pero de menor energía Esta energía de activación y la conversión del intermediario en producto son menores que la energía de activación de la reacción sin catalizar Diagrama de energía libre Catalizador Enzima “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  11. 13. ESTADO DE TRANSICIÓN O COMPLEJO ACTIVADO (E T ; ‡): representa la estructura de más alta energía que participa. Corresponde a una configuración en la cuál hay ruptura y formación parcial de enlaces, por lo tanto es inestable y no se puede aislar. Energía de activación (Ea): es la diferencia entre los Reactantes y el Estado de Transición y determina qué tan rápido ocurre la reacción. Una Ea ELEVADA da por resultado una reacción lenta. Una Ea PEQUEÑA da por resultado una reacción rápida.
  12. 14. BASES DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA: ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Para que se de una reacción química tienen que verificarse 3 condiciones 1.- Los reactivos , llamados sustratos en enzimología, deben colisionar 2.- La colisión molecular tiene que ocurrir con una orientación adecuada (las enzimas aumentan la probabilidad) 3.- Los reactivos deben poseer suficiente energía para alcanzar el estado de transición . Esta energía se llama energía de activación Las enzimas hacen que la reacción vaya más rápida
  13. 15. En las reacciones bioquímicas <ul><li>Energía de activación: barrera de energía que hay que superar para que se produzca la reacción. Es la energía necesaria para: </li></ul><ul><li>Alinear grupos reactivos </li></ul><ul><li>Formar cargas inestables transitorias </li></ul><ul><li>Reordenar enlaces </li></ul><ul><li>2. Superada esta barrera, se llega a un estado activado o de transición en el que se produce la orientación y condiciones adecuadas para la reacción. </li></ul>
  14. 16. Enzimas Conjugadas <ul><li>Proteína (Apoenzima) </li></ul><ul><li>(con baja actividad) </li></ul><ul><li>Proteína---Cofactor </li></ul><ul><li> (Holoenzima) </li></ul><ul><li>Cofactor </li></ul><ul><li>Inorgánico (ion metálico) </li></ul><ul><li>Orgánico(vitaminas o derivados de vitamina) </li></ul>
  15. 17. 3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS <ul><li>Los iones metálicos participan de diferentes formas en la catálisis </li></ul><ul><li>Orientación del sustrato para que reaccione </li></ul><ul><li>Estabilizando estados de transición de compuestos cargados </li></ul><ul><li>Intervienen en reacciones redox cambiando su propio estado de oxidación </li></ul>
  16. 18. Un tercio de las enzimas requieren algún ión metálico para catalizar
  17. 19. <ul><li>VITAMINAS O DERIVADOS DE VITAMINAS COMO COENZIMAS </li></ul>
  18. 20. Transferencia de grupos acilos Coenzima A (CoA) ÀCIDO PANTOTÉNICO (B5) Oxido-reducciones NAD y NADP ÀCIDO NICOTÍNICO, NIACINA (B3) Oxido- reducciones FMN y FAD RIBOFLAVINA (B2) Descarboxilación, transferencia de grupos aldehido Pirofosfato de tiamina (TPP) TIAMINA (B1) REACCIÓN o PROCESO COENZIMA VITAMINA
  19. 21. Transferencia de grupos de un solo carbono Metilcobalamina Cobamida COBALAMINA (B12) Transferencia de grupos de un solo carbono Tetrahidrofolato (TH4) ACIDO FÓLICO (B9) Carboxilaciones Transferencia de CO 2 Biocitina BIOTINA (B8) Transferencia de grupos amino Fosfato de piridoxal (PLP) PIRIDOXINA (B6) REACCIÓN o PROCESO COENZIMA VITAMINA
  20. 22. Nomenclatura de Enzimas <ul><li>Nombre común. </li></ul><ul><li>Ejemplos: Bromelina, Papaina,Pepsina </li></ul><ul><li>Nombre del sustrato + prefijo “asa” </li></ul><ul><li>Ejemplo: ureasa, sacarasa </li></ul>
  21. 23. <ul><li>EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA: </li></ul><ul><li>Consta actualmente de 3 partes: </li></ul><ul><li>el sustrato preferente </li></ul><ul><li>el tipo de reacción realizada </li></ul><ul><li>terminación &quot; asa &quot; </li></ul>Ejemplo : Identificación EC 5.3.1.1. Nombre sistemático Triosa fosfato isomerasa
  22. 24. NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA <ul><li>El nombre de cada enzima puede ser identificado por: </li></ul><ul><li>un código numérico , encabezado por las letras EC (enzyme commission) </li></ul><ul><li>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. </li></ul>
  23. 25. CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS 1. Oxidoreductasas : transferencia de electrones 2. Transferasas : reacciones de transferencia de grupo (no agua) 3. Hidrolasas : reacciones de hidrólisis 4. Liasas : adición de grupos a dobles enlaces o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos 5. Isomerasas : transferencia de grupos dentro de la misma molécula para dar isómeros 6. Ligasas : formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones de condensación acopladas a hidrólisis de ATP
  24. 26. “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  25. 27. Unidad de Actividad Enzimática (UI): La cantidad que transforma 1.0  mol (10-6 M) de S /min, a 25 0 C, en las condiciones de medida óptima. Katal = cantidad de enzima que transforma 1.0 mol de S/seg. Actividad específica: Es el no. de U de una E / mg de proteína. Es decir: una medida de la pureza de la E. Al purificarla, el valor llega a un máximo y es estable. Número de recambio No. de moléculas de S transformadas /unidad de tiempo, por una molécula de E ( o por un solo sitio catalítico) Enzima No. de Recambio Anhidrasa carbónica 36 000 000 B-Amilasa 1 000 000 B-Galactosidasa 12 000 Fosfoglucomutasa 1 240
  26. 28. Diagnostico por la presencia de Enzimas Inespecíficas
  27. 29. Factores que afectan la actividad de la Enzima <ul><li>pH </li></ul><ul><li>Temperatura </li></ul><ul><li>[Enzima] </li></ul><ul><li>[Sustrato] </li></ul><ul><li>Inhibidores </li></ul>
  28. 32. CINÉTICA ENZIMÁTICA- [S] <ul><li>Las reacciones enzimáticas se ajustan a dos tipos de cinéticas, que son: </li></ul><ul><ul><li>Hipérbolas rectangulares : enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten </li></ul></ul><ul><ul><li>Sigmoidales : enzimas alostéricas que muestran fenómenos de cooperatividad </li></ul></ul>E + S ES E + P k 1 K -1 k 2 Cambios en la concentración de los participantes en una reacción catalizada por una enzima en función del tiempo Estado pre-estacionario: formación de ES Estado estacionario: ES casi constante Tiempo Concentración “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  29. 33. Propusieron una ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de las enzimas
  30. 34. Variación de la [S]
  31. 35. ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M Cuando V = V max /2: K M = [S] Para [S] << K M : Vmax v  ----------- [S] K M Para [S] >> K M : v  Vmax  k 2 [E 0 ] Concentración de sustrato, [S] Velocidad, V
  32. 36. Cuando: V o = V max Todos los sitios activos están ocupados y no hay moléculas de E libre. K M = [S] Sí... ½ V max K M representa la cantidad de sustrato necesaria para fijarse a la mitad de la E disponible y producir la mitad de la V max K M representa la concentración del sustrato en una célula
  33. 37. La K M es un parámetro de Actividad Enzimática <ul><li>La K M es inversamente proporcional con la actividad de la enzima. </li></ul><ul><li>Valor de K M grande, baja actividad </li></ul><ul><li>Valor de K M pequeño, alta activida </li></ul>
  34. 40. Inhibidor Irreversible <ul><li>Inhibición permanente </li></ul><ul><li>Unión irreversible por medio de enlaces covalentes. </li></ul><ul><li>Modificaciones químicas de los gps. catalíticos. </li></ul><ul><li>Modificada la enzima, está siempre inhibida. </li></ul><ul><li>Para distinguirlo de los reversible se someten a diálisis y si no se separan enzima e inhibidor, éste es permanente. </li></ul>
  35. 41. INHIBICIÓN IRREVERSIBLE Algunas sustancias se combinan de forma covalente con las enzimas y las inactivan de manera irreversible Casi todos los inhibidores enzimáticos irreversibles son sustancias tóxicas (naturales o sintéticas) “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  36. 42. Inhibidor Irreversible Fluorofosfato de diisopropilo (DFP) Acetilcolinesterasa Acetilcolina Acetato + Colina Fluorofosfato de diisopropilo (DFP)
  37. 43. “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Cianuro Sarín Paratión N-Tosil-L-fenil- Alaninacloro- Metil cetona (TPCK) Penicilina Reacciona con iones metálicos de enzimas (p.ej.,Fe,Zn,Cu);sus dianas primarias son las enzimas de la cadena respiratoria Almendras amargas Nombre Origen Modo de acción Fórmula a Diisopropil Fluorofosfato (DFP) Inhibe enzimas con serina en el lugar activo, como la acetilcolinesterasa Sintético Como el DFP Sintético (gas nervioso) Fisostigmina Como el DFP Semillas de Physostigma venosum Como el DFP, pero especialmente inhibidor de la acetilcolinesterasa de insectos Sintético (insecticida) Reacciona con la His 57 de la quimotripsina Sintético Inhibe las enzimas de la síntesis de la pared de la célula bacteriana Del hongo Penicillium a R = grupo variable; difiere en las distintas penicilinas
  38. 44. Inhibición Competitiva
  39. 45. INHIBIDORES REVERSIBLES COMPETITIVOS <ul><li>Unión del Inhibidor al centro activo, el inhibidor compite con el S </li></ul><ul><ul><li>Aumenta K M </li></ul></ul><ul><ul><li>No cambia V max </li></ul></ul>“ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 K ap = K M (1 + [I] / K I ) M [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M ap
  40. 46. USO TERAPÉUTICO DE LA INHIBICIÓN COMPETITIVA Pacientes que han ingerido metanol (anticongelante) Alcohol deshidrogenasa Ceguera CH 3 -CH 2 -OH + NAD + CH 3 -C=O + NADH + H + H Etanol Acetaldehido
  41. 47. Continuación..... <ul><li>Capopril y Enalapril (agentes hipertensores) . Compuestos sintéticos que inhiben a la Enzima Convertidora de la Angiotesina I . </li></ul><ul><li>Alopurinol. Controla la gota, al reducir la síntesis del ácido úrico al inhibir a la Oxidasa de a Xantina . </li></ul>
  42. 48. Inhibición sin competencia I El inhibidor se une a una SUBUNIDAD reguladora La subunidad catalítica une al sustrato y cataliza la reacción
  43. 49. INHIBICIÓN SIN COMPETENCIA <ul><li>Disnminuye K M </li></ul><ul><li>Disminuye V max </li></ul>“ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  44. 50. Inhibición No Competitiva El inhibidor NO se une al sitio activo NO se puede revertir con un exceso de sustrato
  45. 51. INHIBIDORES REVERSIBLES NO COMPETITIVOS <ul><li>Unión del Inhibidor a un segundo lugar (no al centro activo), el inhibidor no compite con el S: </li></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>No cambia K M </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>Disminuye V max </li></ul></ul></ul></ul></ul>V ap = V max / (1 + [I] / K I ) Max “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M ap
  46. 52. Regulación de las enzimas <ul><li>Después de sintetizadas: </li></ul><ul><li>Modificación covalente </li></ul><ul><li>Fijación no covalente de ligandos </li></ul><ul><li>Inhibición reversible </li></ul><ul><li>Efectores alostéricos </li></ul><ul><li>Represión de la expresión genética. </li></ul><ul><li>Control de la biosíntesis de la enzima. </li></ul>
  47. 54. MODIFICACIONES COVALENTES Existen enzimas que están inactivas hasta que se activan por unión covalente con otras moléculas y viceversa. ADP-ribosilación - metilación, acetilación Algunas modificaciones son reversibles y otras no. EJEMPLO: Glucógeno fosforilasa Libera glucosa a partir de glucógeno <ul><ul><ul><li>A. FOSFORILACIÓN/DESFOSFORILACIÓN </li></ul></ul></ul><ul><li> (serina, treonina, tirosina e histidina) </li></ul>P i
  48. 55. Fosforilasa fosfatasa Fosforilasa quinasa Fosforilasa b (menos activa) Fosforilasa a (más activa) Cadena lateral de Ser 14 Cadena lateral de Ser 14
  49. 56. ACTIVACIÓN POR RUPTURA PROTEOLÍTICA (Modificación covalente irreversible) EJEMPLO: Proteasas pancreáticas (tripsina, quimotripsina, carboxipeptidasa) Se sintetizan en el páncreas de forma inactiva denominada zimógeno (mayores que la enzima activa) para evitar que digieran el tejido pancreático. En el intestino se activan por ruptura protelítica y finalmente son degradadas
  50. 57. Zimógenos (modificación covalente irreversible) del jugo gástrico y pancreático
  51. 58. “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Autoactivación ACTIVACIÓN DE ZIMÓGENOS POR PROTEOLISIS INHIBIDOR ZIMÓGENOS PROTEASAS PROTEASAS
  52. 59. Activación de Zimogenos
  53. 60. PROCESO EN CASCADA DE LA COAGULACIÓN DE LA SANGRE “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
  54. 61. Regulación por Fijación no covalente de Ligando. Cinasa de las proteína
  55. 62. Regulación de la Síntesis de Enzimas <ul><li>Sintetasa de la Lactosa: proteína oligomérica, un dímero, que consta de dos subunidades diferentes, A y B . Si las subunidades están separadas son inactivas, pero combinadas constituyen la molécula activa de esta enzima. </li></ul><ul><li>La síntesis de la subunidad A se inicia en el tejido mamario desde la concepción, a partir de la fertilización del óvulo, y continua durante toda la gestación. Mientras que la sub. B esta inhibida durante todo este período, pero se produce de forma acelerada después del parto. </li></ul>
  56. 63. - Presentan una cinética sigmoidal , indicativa de efectos cooperativos en la unión del sustrato. - Su actividad está regulada por otras moléculas efectoras. - Pueden mantener las concentraciones de sus sustratos en valores bastante constantes: * Existe una concentración crítica de sustrato ([S]c ) por debajo de la cuál la enzima es prácticamente inactiva * Un pequeño aumento de la concentración de sustrato, por encima de la ([S]c, da lugar a un notable aumento de la actividad enzimática - Son proteínas con múltiples subunidades (múltiples centros activos y catalíticos) ENZIMAS ALOSTÉRICAS
  57. 64. ENZIMAS ALOSTÉRICAS ENZIMAS HOMOTRÓPICAS: El sitio de unión es a la vez el sitio activo y el sitio regulador. El sustrato puede funcionar como modulador. ENZIMAS HETEROTRÓPICAS: El modulador es un metabolito diferente del sustrato. El sitio regulador es distinto del sitio regulador. “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Enzima ineficaz Enzima muy eficiente
  58. 65. http://www.upo.es/depa/webdex/biocel/Tecnicas/documentos/ENZYMAS-definitivo-.ppt#477,54,Diapositiva 54
  59. 66. http://www.upo.es/depa/webdex/biocel/Tecnicas/documentos/ENZYMAS-definitivo-.ppt#478,55,Diapositiva 55
  60. 67. <ul><li>CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN (Negativa) </li></ul><ul><li>Un aumento de concentración del producto final de una ruta metabólica inhibe una de las primeras reacciones de la ruta (generalmente la primera) </li></ul><ul><li>A ---> B ---> C ---> D ---> E </li></ul><ul><li> E actúa como inhibidor del primer enzima . </li></ul><ul><li>Ello impide: </li></ul><ul><ul><ul><ul><li>La utilización innecesaria del primer sustrato </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>La acumulación del producto final </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Se evita la acumulación de intermedios </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li> (al ser la mayoría R. Reversibles) </li></ul></ul></ul></ul>_
  61. 68. Inhibición por Retroalimentación
  62. 69. LAS ENZIMAS <ul><li>Permiten diagnosticar cuadros patológicos. </li></ul><ul><li>Deficiencias enzimáticas causan enfermedades . </li></ul><ul><li>- galactosemia (galactosa-1-fosfatouridiltransferasa) </li></ul><ul><li>- fenilcetonuria (hidroxilasa de la fenilalanina) </li></ul><ul><li>- albinismo (hidroxilasa de la tirosina) </li></ul><ul><li>- Fabry ( α -galactosidasa) </li></ul><ul><li>Pueden ser utilizadas como agentes terapéuticos . </li></ul><ul><li>- α -galactosidasa (enfermedad de Fabry) </li></ul><ul><li>- asparaginasa (tratamiento contra el cáncer leucémico) </li></ul>

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