TEMA 5. BIOCATALIZADORES: ENZIMAS

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1 TEMA 5. BIOCATALIZADORES: ENZIMAS
IES Muriedas Pachi

2 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

3 ENZIMAS Apoenzima: Composición (proteica)
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)

4 Holoenzima = Apoenzima + Cofactor
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)

5 ENZIMAS Holoenzima = Apoenzima + Cofactor Cofactores Grupo prostético
“Hemo”

6 ENZIMAS Papel de: Apoenzima Soporte, Debilita enlaces Cofactor
Lleva a cabo la catálisis. Puente de unión ES Conformación: moldeando definitivamente al enzima

7 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 B C P Eficacia:   Localización Recuperación

8 ENZIMAS : PROPIEDADES Especificidad De Acción: Un tipo de reacción
De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato Absoluta: ej. Lipasa Relativa: 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

9 ENZIMAS : PROPIEDADES Recuperación: Enzima: E + S ES E + P
El “E” se recupera integramente Coenzima: Deshidrogenasa Ej: AH2 + FAD A + FADH2 (El FAD necesita reciclarse)

10 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Reacción enzimática

11 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Velocidad de reacción: V = P  / t Factores: Tª (no en seres vivos  s. Isotérmicos) Presencia de catalizadores:  la E. de activación

12 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Proceso: Sin Catalizador Con Catalizador

13 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Proceso: A: Fijación especifica: complejo ES B: Liberación del producto: Enzima Producto

14 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Todas las reacciones metabólicas necesitan de la participación de enzimas.

15 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Todas las reacciones metabólicas necesitan de la participación de enzimas. Síntesis Degradación

16 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Modelos Llave cerradura (A) Ajuste inducido (B) Modelo de la llave-cerradura Modelo de ajuste inducido

17 ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Modelo de la llave-cerradura Modelo de ajuste inducido

18 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
Velocidad: V = P / t 1 U  µmol S/min  µmol P/min V máxima: Ke  Et 

19 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
KM (Cte de Michaelis-Menten) Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad

20 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
KM (Cte de Michaelis-Menten) Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad Km = K2 + K3 K1 

21 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
KM (Cte de Michaelis-Menten) Importancia Km = [ S ] fisiológica  V enzimática a [ ] fisiológica Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad Km a partir de la ecuación de Vo de M-M Km a partir de la K1 (limitante): E + S ES K1

22 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
KM (Cte de Michaelis-Menten) Enzimas con diferente Velocidad máxima y la misma Km.

23 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

24 ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA
KM (Cte de Michaelis-Menten) Enzimas con diferente Vmax y diferente KM

25 ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad
Concentración de sustrato Concentración de enzima pH Temperatura

26 ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad
Influencia de la concentración del SUSTRATO Exponencial (Hipérbole)

27 ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad
Influencia de la concentración de ENZIMA. Proporcional (lineal)

28 ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad
Influencia del pH. ¿ A qué se deben estas diferencias en el pH óptimo de las siguientes enzimas? Intestino (jugo pancreático) Estómago (jugo gástrico)

29 ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad
Influencia de la temperatura.

30 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Necesidad de regulación y modos Regulación por Km Activación: cationes (Ca2+, Mg2+ ), el sustrato, etc. Inhibición: Reversible I. Competitiva:  Km Irreversible I. No competitiva: Vmax I. Acompetitiva:  Km Vmax Alosterismo

31 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
por Km

32 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

33 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Reversible: I. Competitiva:  Km Vmax Constante

34 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Reversible I. Competitiva:  Km Vmax Constante

35 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición competitiva: La Vmax permanece constante La Km aumenta

36 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición competitiva: ¿Por qué es reversible? Revierte si aumentamos la concentración de sustrato Se puede neutralizar si se añade una concentración de sustrato suficiente para desplazar al inhibidor.

37 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Irreversible

38 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Irreversible I. No competitiva: Vmax complejo ESI La unión al INC puede permitir o no la unión del S, pero el complejo resultante, siempre es inactivo

39 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Irreversible I. No competitiva: Vmax

40 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición no competitiva: La Vmax disminuye La Km constante

41 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición no competitiva: No revierte aunque aumentemos la concentración de sustrato ¿Por qué es irreversible?

42 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Irreversible I. Acompetitiva:  Km Vmax Siempre se forma el complejo ESI, pero inactivo

43 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición: Irreversible I. Acompetitiva:  Km Vmax

44 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición Acompetitiva: ¿Por qué es irreversible? La Vmax disminuye La Km aumenta

45 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
No revierte aunque aumentemos la concentración de sustrato Inhibición Acompetitiva: ¿Por qué es irreversible?

46 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición y = a x + b

47 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Inhibición IC: Vmax cte  Km INC: Vmax Km cte IA: Vmax  Km

48 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.

49 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Alosterismo Enzimas cuaternarias (oligómeros) Centro activo + centros reguladores Conformaciones T (“inactiva”) y R (activa) Cooperación entre protómeros Cinética sigmoidea En rutas tipo Freek-back

50 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Alosterismo Enzimas cuaternarias (oligómeros) Centro activo + centros reguladores Conformaciones T (“inactiva”) y R (activa) Cooperación entre protómeros

51 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Alosterismo: Cinética sigmoidea

52 Análisis de cinética sigmoidea

53 ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática
Alosterismo: En rutas tipo Freek-back

54 ENZIMAS: Nomenclatura
Se conocen  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)

55 ENZIMAS: Clasificación
Según el tipo de reacción que catalizan: Oxidorreductasas Transferasas Hidrolasas Liasas Isomerasas Ligasas o sintasas

56 ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática
Compartimentación

57 ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática
Complejos multienzimáticos Ej. piruvato deshidrogensa-descarboxilasa : Descarboxilarsa Deshidrogenarsa Activación (sintasa)

58 ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática
Isozimas

59 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

60 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)

61 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.

62 LAS VITAMINAS: Fuentes

63 TEMA 6 TEST DE REPASO

64 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

65 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 B) I. competitiva A) Graficamente Km Km´

66 Dibuja la estructura terciaria de una enzima unida a su sustrato, sobre este dibujo indica lo siguiente: ¿Dónde actuaría un inhibidor competitivo? En el centro activo, es un análogo metabólico ¿Dónde actuaría un inhibidor no competitivo? En región diferente al c. activo ¿Cuál de los dos tiene un efecto reversible? El I. competitivo ¿cómo conseguirías revertir el proceso inhibitorio? Razona las respuestas. Añadiendo más sustrato, hasta la V max. (saturación). Ic E S Inc Centro activo

67 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 mázima 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.

68 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

69 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: la V disminuye. 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)

70 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

71 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 b) I no Competitiva c) I Acompetitiva IC: Vmax cte  Km INC: Vmax Km cte IA: Vmax  Km

72 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

73 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´. 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: Km +3 = 120 / 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. Vo = Vmax [S] / Km + [S] = 40 x 3 / Km + 3

74 http://www. educa. madrid. org/web/cc. nsdelasabiduria