Enzimas

1. Enzimas

2. Conceptos básicos ¿Qué son las enzimas? ¿Qué parte de las enzimas es la responsable de su especificidad de sustrato? ¿Sobre qué base se da a las enzimas sus nombres particulares? Formas en que las enzimas rompen enlaces

3. Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones bioquímicas. • Existen en muy bajas concentraciones en la célula. • Aumentan la velocidad de reacción sin alterar el equilibrio.

4. Estructura 3aria o 4aria Función biológica Cadenas laterales de aa en el sitio activo Existen cinco cadenas laterales

5. Importancia de las enzimas • Diagnóstico de muchas enferme-dades. • Muchas fármacos son inhibidores de la actividad enzimática • Industria de alimentación y agri-cultura.

6. Intervienen en una gran cantidad de reacciones del metabolismo de células, tejidos y órganos Catalizan reacciones químicas necesarias para la sobrevivencia celular: metabolismo de los hidratos de carbono, proteínas, aa, lípidos, ácidos nucleicos, etc. Las enzimas pueden actuar dentro de la célula, fuera de ésta y en el tubo de ensayo

7. Características de las Enzimas Las enzimas son CATALIZADORES ORGANICOS Un catalizador aumenta la velocidad de reacción química Las reacciones químicas requieren de energía externa para ocurrir Esta energía externa se llama ENERGIA DE ACTIVACIÓN

8. Sin enzima Con enzima E + S E + P Tiempo de la reacción • La Ea de la hidrólisis de la urea baja de 30 a 11 kcal/mol con la acción de las enzimas, acelerando la reacción 1014 x • El aumento de temperatura necesario para producir la reacción no catalizada seria de 529ºC

9. REACCION NO CATALIZADA El agua no es capaz de pasar sobre la montaña REACCION CATALIZADA: Las olas pasan sobre la montaña Las enzimas catalizan la reacción bajando la energía requerida para pasar de sustrato a producto ENERGIA DE ACTIVACIÓN

10. Algunos aumentos de actividad producidos por el uso de enzimas

11. Enzima vs Catalizador Tanto la enzima como el catalizador aceleran la velocidad de una reacción química. Una enzima puede transformar 1000 moléculas de sustrato/ segundo Las enzimas tienen 3 propiedades que los catalizadores NO tienen: Especificidad por el sustrato Se inactivan por desnaturación Pueden ser reguladas

12. Clasificación de las enzimas Comisión de Enzimas (EC) de la IUPAC Se basa en el tipo de reacción que catalizan Comprende cuatro dígitos y un nombre complejo

13. Nombre sistemático: Grupo transferido ATP: hexosa fosfotransferasa Donador Aceptor Tipo de reacción catalizada Nombre común (sustrato+”asa”): Hexokinasa Número EC EC 2.7.1.1 Enzyme Comission Subgrupo Grupo

14. Clasificación de enzimas por Grupos EC 1.x  Oxidorreductasas EC 2.x  Transferasas EC 3.x  Hidrolasas EC 4.x  Liasas EC 5.x  Isomerasas EC 6.x  Ligasas

15. AH2 + B Ared + Box A + BH2 Aox + Bred Grupo 1: Oxidorreductasas Catalizan reacciones de oxidorreducción, en que átomos de oxigeno ó hidrogeno son trasladados entre moléculas: En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico.

16. Nomenclatura del subgrupo en oxidorreductasas: EC 1.1.x - Deshidrogenasas EC 1.2.x - Oxidasas EC 1.3.x - Peroxidasas EC 1.4.x - Oxigenasas EC 1.5.x - Hidroxilasas EC 1.6.x - Reductasas etc. Aplicaciones: Ensayos de diagnostico clínico (glucosa oxidasa y colesterol oxidasa Deslignificación ó Bioblanqueamiento

17. Grupo 2: Transferasas Catalizan reacciones de transferencia de átomos ó grupo de átomos entre moléculas: A + B-X A-X + B Dador: Aceptor Grupo transferido - transferasa ATP: D-Hexosa Fosfotransferasa EC 2.7.1.1 Nombre común: hexokinasa

18. Clasificación de subgrupo de las transferasas: EC 2.1.x - Grupos monocarbonados EC 2.2.x - Grupos aldehido o ceto EC 2.3.x - Aciltransferasas EC 2.4.x - Glicosiltransferasas EC 2.5.x - Alquil- o Ariltransferasas EC 2.6.x - Grupos nitrogenados EC 2.7.x - Grupos fosfato EC 2.8.x - Grupos sulfato EC 2.9.x - Grupos selenio Aplicaciones: Síntesis de oligosacáridos

19. Grupo 3: Hidrolasas Catalizan reacciones de hidrólisis y también su reverso. Son las más comunes en el dominio de la tecnología enzimática: A-B + H2O A-OH + H-B No se suelen utilizar nombres sistemáticos en las hidrolasas. Muchas de ellas conservan el nombre Primitivo. Ejemplo: Quimosina EC 3.4.23.4.

20. Clasificación de las hidrolasas: 3.1.-.- Esterasas (carboxilesterasas, fosfoesterasas, sulfoesterasas) 3.2.-.- Glicosidasas 3.3.-.- Éter hidrolasas 3.4.-.- Péptido hidrolasas 3.5.-.- Acil anhídrido hidrolasas etc. Aplicaciones: Lipasas → Síntesis de tensioactivos Proteasas → Fabrico de quesos Glicosidasas → Clarificación de jugos; liberación de aromas en los vinos; aplicaciones textiles

21. Caso particular  Péptido hidrolasas: clasificación común (no sistemática) I. Según la situación del enlace atacado: - Exopeptidasas (extremos de la cadena) (Peptidasas) - Endopeptidasas (interior de la cadena) (Proteinasas) II. Según el mecanismo catalítico: - Serin proteinasas - Tiol proteinasas - Aspartil proteinasas - Metaloproteinasas

22. Grupo 4: Liasas Catalizan reacciones reversibles de remoción de grupo de átomos del sustrato (este grupo no incluye las hidrolasas): A-B A + B Ejemplo Nombre sistemático: Histidina amonio-liasa (EC 4.3.1.3) Nombre común: Histidasa

23. Clasificación de las liasas: 4.1.x - Actúan sobre enlaces C-C 4.2.x - Actúan sobre enlaces C-O 4.3.x - Actúan sobre enlaces C-N 4.4.x - Actúan sobre enlaces C-S 4.5.x - Actúan sobre enlaces C-Haluro (S-, Cl-, Br-, I- At-) 4.6.x - Actúan sobre enlaces P-O 4.99.x - Otras liases Aplicaciones: Pectato liasa – Remueve los compuestos indeseables (ceras, pectinas, proteínas) en fibras en la industria textil – “bioscouring”

24. Grupo 5: Isomerasas Catalizan reacciones de isomerización moleculares A B Ejemplo: Glucosa isomerasa (EC 5.3.1.5)

25. Clasificación de las isomerasas: 5.1.x - Rasemasas y Epimerasas 5.2.x - cis-Trans-Isomerasas 5.3.x - Oxidoreductasas Intramolecular 5.4.x - Transferasas Intramoleculares (mutasas) 5.5.x - Liasas Intramoleculares 5.99.x - Otras Isomerasas

26. Grupo 6: Ligasas Catalizan la unión de dos grupos químicos a expensas de la hidrólisis de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.). A + B + ATP A-B + ADP + Pi Ejemplo: Glutationa sintasa (EC 6.2.2.3) Nombre sistémico: G-L-glutamilo-L-cisteina:glicina ligase

27. Clasificación de las ligasas: 6.1.x - Forman enlaces C-O 6.2.x - Forman enlaces C-S 6.3.x - Forman enlaces C-N 6.4.x - Forman enlaces C-C 6.5.x - Forman enlaces ésteres fosfóricos 6.6.x - Actúan sobre enlaces N-metal

28. Cinética de las reacciones enzimáticas

29. Cinética Enzimática • La cinética enzimática es el análisis cuantitativo del efecto de cada uno de los factores que intervienen en la actividad enzimática, que se evalúa a través de la velocidad de la reacción catalizada. • Las variables más importantes son: • Concentración de enzima, sustratos y productos (incluyendo inhibidores y/o activadores) • pH • Temperatura

30. Las enzimas se unen a los reactivos (sustratos) Cada enzima tiene una forma única con un sitio o centro activo en el que se une al sustrato Después de la reacción, enzimas y productos se separan. Las moléculas enzimáticas no han cambiado después de participar en la reacción

31. Complementariedad geométrica Complementariedad de cargas, uniones iónicas Llave – cerradura. Encaje inducido La unión del sustrato es muy específica: Modelos:

32. 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 inhibi- ción enzimática Substrato Enzima Complejo Substrato+Enzima

33. 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 experimen- tales conocidos hasta el momento. Substrato Enzima Complejo Substrato+Enzima

34. Enzima + sustratos Una enzima puede unir más de un sustrato en su sitio activo ADP + PEP ATP + PIRUVATO COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO Enzima + productos

35. Medición de la velocidad de reacción enzimática Sustrato(s) Producto(p) Enzima

36. Baja concentración de sustrato ALTA concentración de sustrato SATURACION

37. . . . Efecto de la concentración de substrato . . v . . . [s]

38. d[P] [ ] , t 0 v = p dt s t

39. Una cinética hiperbólica implica un proceso saturante: Hay un número limitado de sitios en la enzima para fijar substrato; una vez que están ocupados todos, por mucho que aumente la concentración de substrato, la velocidad permanecerá constante tendiendo a un valor asintótico

40. El sistema de ecuaciones diferenciales que describe la dinámica del sistema k+1 k+2 E + S ES E + P k-1 Sistema No admite solución analítica. - Simulaciones numéricas - Hipótesis que lo simplifiquen (Michaelis-Menten)

41. Hipótesis de Michaelis – Menten (equilibrio rápido) k+1 k+2 E + S ES E + P k-1 k+1 E + S ES k-1 k+2 ES E + P

42. Hipótesis de Michaelis-Menten

43. Hipótesis de estado estacionario Variación de complejo [ES] es prácticamente igual a cero dx/dt = k+1es - (k-1 + k+2) x = 0

44. Vmax * s v = Km + s Michaelis-Menten y Estado estacionario La única diferencia radica en el significado de Km: Km = k-1/k+1 en mecanismo de M.M. Km = (k-1 + k+2)/k+1 en mecanismo de E.E.

45. Significado de la constante Km 1. Constante de equilibrio de disociación del complejo ES (en condiciones de equilibrio rápido) 2. Medida inversa de la afinidad de la enzima por el substrato (en condiciones de equilibrio rápido) 3. Mide la función de fijación (en cond.de equilibrio rápido) 4. Concentración de substrato para la que la velocidad se hace igual a la mitad de la máxima (s0.5) 5. Se define para una pareja enzima-substrato 6. Se mide en unidades de concentración

46. Significado de la constante Vmax = k+2 e0 1. Velocidad asintótica para s 2. Directamente proporcional a la concentración de enzima (hoy se prefiere caracterizar a la enzima por k+2) 3. Mide función de transformación catalítica 4. Se expresa en unidades de velocidad

47. Relación entre Km y VmaxMichaelis y Menten Vmax Vmax/2 Velocidad de la reacción (v) Km Concentración de Sustrato [S]

48. Vmax Vmax/2 Velocidad de la reacción (v) Km Concentración de Sustrato [S] A mayor Km, menor es la afinidad de la enzima por el sustrato A menor Kmmayor es la afinidad de la enzima por el sustrato

50. Vmax Km