ENZIMAS Beta lactamasa + penicilina ARN- polimerasa (blanco), doble hélice de ADN (azul) y cadena de ARN naciente (rojo). Roger Kornberg (Premio Nobel de Química 2006)

Enzimas Generalidades Las enzimas... ¿Qué son y cómo funcionan? Naturaleza química de las enzimas El complejo Enzima Sustrato Nomenclatura Clasificación Regulación de la actividad enzimática Cinética enzimática

Generalidades Las enzimas son catalizadores biológicos altamente específicos La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada centro activo Una vez formados los productos la enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción

Hidrólisis del almidón Molécula de almidón

Las enzimas son catalizadores biológicos muy específicos Las enzimas son catalizadores biológicos muy específicos. Esta especificidad está determinada por la geometría del sitio activo

¿Cómo funcionan las enzimas? 2 H2O2 2 H2O + O2 Perfil energético de una reacción espontánea Perfil energético de una reacción catalizada Ea reacción espontánea= 18 kcal/mol Ea reacción c/ Platino (Pt)= 12 kcal/mol Ea reacción c/ Catalasa = 6 kcal mol Se acelera 20.000 veces Se acelera 370.000 veces!

¿Cómo funcionan las enzimas? Las enzimas alteran las velocidades de reacción, pero no los equilibrios ni la posibilidad termodinámica de que una reacción se lleve a cabo, o sea que actúan sobre la energía de activación.

Naturaleza química de las enzimas Sumner (cristalización de la ureasa) (PN de Química 1946) Northop (cristalización de tripsina y pepsina) (PN 1946) proteica Altman, Cech y las ribozimas (PN de Química 1989) RNA

Centros activos El centro activo es una unidad tridimensional.Los aa que lo constituyen están distribuidos espacialmente de manera precisa. Están situados a veces en posiciones distantes en la cadena polipeptídica, pero convergen en una región restringida del espacio

El Complejo ES - La formación de este complejo fue propuesto sobre bases teóricas y luego demostrado experimentalmente - La unión de la E a su S involucra la formación de enlaces no covalentes - Los grupos químicos del sitio activo capaces de interaccionar con el sustrato se enfrentan al correspondiente del sustrato específico en la posición adecuada. - El S unido a la enzima sufre deformación de los enlaces que han de ser afectados y pasa a un estado “tenso” desde el cual pasa fácilmente a los productos

Nomenclatura de las enzimas Nombres particulares: antiguamente, las enzimas se designaban arbitrariamente por su descubridor (ej. Ptialina, tripsina, quimiotripsina) Nombre sistemático: consta de tres partes: -el sustrato preferente -el tipo de reacción realizado -terminación "asa“

E Nombre de la Comisión Enzimática (E. C.): Ejemplo: -Código numérico, encabezado por las letras EC (enzyme commission), seguidas de cuatro números separados por puntos -El primer número indica a cual de las seis clases pertenece el 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. ATP + glucosa ADP + D-glucosa-6- fosfato E E  ATP:glucosa fosfotransferasa (nombre sistemático) E.C. 2.7.1.1 Ejemplo:

Significado de los cuatro dígitos (a.b.c.d) de EC. a.- Tipo de enzima atendiendo a la clase de reacción que catalizan: 1.- Oxidorreductasas: participan en reacciones redox. 2.- Transferasas: catálisis de transferencias de grupos. 3.- Hidrolasas: hidrólisis. 4.- Liasas: adición de grupos para formar dobles enlaces o eliminación de grupos para formar dobles enlaces. 5.- Isomerasas: isomerización cambiando de sitio los grupos. 6.- Ligasas: formación de enlaces que requieren aporte de ATP b.- Tipo de grupo que interviene en la catálisis. c.- Clase de sustrato sobre el que actúan. d.- Orden de clasificación.

Clasificación de las enzimas Clase 1: OXIDORREDUCTASAS Catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de hidrógeno (H) o electrones (e-) de un sustrato a otro, según la reacción general: AH2 + B A + BH2 A red + Box Aox + Bred Compuesto A reducido Compuesto B oxidado Compuesto B reducido Compuesto A oxidado

Clasificación de las enzimas Clase 2: TRANSFERASAS Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro, según la reacción: A-B + C A + C-B Glucosa Glucosa 6-P

Clasificación de las enzimas Clase 3: HIDROLASAS Catalizan reacciones de ruptura de enlaces C-O, C-N, C-S y O-P por adición de H2O: A-B + H2O AH + B-OH

Clasificación de las enzimas Clase 4: LIASAS Catalizan reacciones de ruptura de enlaces C-C, C-S y C-N (excluyendo las uniones peptídicas) de la molécula de sustrato por un proceso distinto a la hidrólisis: A-B A + B ácido acetacético CO2 + acetona

Clasificación de las enzimas Clase 5: ISOMERASAS Catalizan la interconversión de isómeros: A B

Clasificación de las enzimas Clase 6: LIGASAS Son También llamadas sintetasas o sintasas. Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.): A + B + XTP A-B + XDP + Pi piruvato + CO2 + ATP oxaloacetato + ADP + Pi

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Una molécula de enzima no tiene por qué actuar siempre a la misma velocidad. Su actividad puede estar modulada por: Cambios en el pH Cambios en la temperatura Presencia de cofactores Las concentración de sustratos y productos finales Presencia de inhibidores Modulación alostérica Modificación covalente Activación por Proteolisis Isoenzimas

Efecto del pH La mayoría de las enzimas tienen su actividad óptima en un pH entre 6 y 8. Las excepciones se explican en base al medio donde actúan Los cambios de pH afectan el estado de ionización de grupos funcionales de la molécula de enzima y de sustrato El pH óptimo puede definirse como el pH en el cual el estado de disociación de los grupos esenciales es el más apropiado para interaccionar en el complejo ES. pH extremos provocan pérdida de la actividad enzimática por desnaturalización proteíca

Cada enzima está adaptada a operar en un rango específico de pH Efecto del pH Cada enzima está adaptada a operar en un rango específico de pH Amilasa salival Pepsina Arginasa Actividad enzimática Acido Básico

Efecto de la temperatura

Efecto de la temperatura Como consecuencia de un incremento de la Ec, la velocidad de una reacción aumenta cuando aumenta la temperatura La velocidad de muchas reacciones biológicas se duplica cada 10ºC de aumento de la temperatura Cada sistema enzimático tiene una “temperatura óptima”, por arriba de la cual la velocidad de una reacción cae bruscamente La mayoría de las enzimas de los animales homeotermos tienen una temp. óptima de 37ºC. Estas enzimas son normalmente inactivadas a temperaturas superiores a 60ºC.

Los cofactores Presencia de cofactores Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren cofactores Muchos de estos coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas Los cofactores Iones inorgánicos Complejo orgánico Coenzima Coenzima unida covalentemente a la proteína Grupo prostético apoenzima + grupo prostético= holoenzima inactiva funcional

Efecto de las concentraciones sobre la actividad enzimática La velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato                                             La presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido

MODULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Hay enzimas que pueden adoptar 2 conformaciones interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). R es la forma más activa porque se une al sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R <==> T

MODULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R. Son los llamados moduladores positivos Inhibidor alostérico Activador alostérico Substrato Enzima Substrato Enzima Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región del enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores negativos. Si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo del enzima se llaman inhibidores alostéricos

EFECTO DE LA MODIFICACIÓN COVALENTE SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Otros enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP También se da el caso inverso, en el que una enzima muy activa se desactiva al liberar algún grupo químico En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo contrario.

ACTIVACIÓN PROTEOLÍTICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Algunas enzimas no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas se llaman proenzimas o zimógenos

Isoenzimas En un organismo y aún en una célula, pueden existir proteínas diferentes dotadas de la misma actividad enzimática isoenzimas El método más usado para su visualización es la electroforesis en geles, seguida por una tinción específica LDH presenta 5 isoenzimas en la mayoría de los tejidos animales. Se enumeran de acuerdo a su movilidad electroforética. Aunque todas catalizan la misma reacción, tienen distintas capacidades funcionales. Esto otorga a los organismos flexibilidad fisiológica