Bioquímica General (BT 35A) Dr. Juan Pablo Rodríguez Enzimología Dr. Juan Pablo Rodríguez

C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O + DGº = - 686 Kcal/mol

Célula A A e1 e5 B J e2 e6 e7 C F G e3 e8 H D e9 e4 I E

Enzimas: Catalizadores proteicos Eficientes Específicos Regulables: Actividad Cantidad: Masa

- Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción disminuyendo la energía de activación. Las enzimas son catalizadores extraordinarios. Aumentan la velocidad en un rango de 107 a 1014. - Los grupos catalíticos de la enzima pueden actuar en forma transiente con el sustrato y activarlo para reaccionar. Los catalizadores afecta la velocidad pero no el equilibrio de la reacción.

Algunas enzimas requieren componentes adicionales: Cofactores: Iones inorgánicos: Fe+2, Mg+2, Mn+2, etc Moléculas orgánicas complejas: Coenzimas. Una coenzima unida covalentemente a la enzima se llama grupo prostético. Varias coenzimas derivan de las vitaminas.

Holoenzima: Catalíticamente activa: Proteína + Coenzima o metal Apoenzima: Sólo la parte proteica

- Las moléculas biológicas son estables al pH neutro, a los 37ºC y en el medio acuoso que se encuentra en las células. - La mayoría de los procesos biológicos involucran reacciones químicas que son desfavorables o improbables en el medio celular. - Las enzimas suplen esto proveyendo de un medio favorable: el sitio activo.

¿Cómo funcionan las enzimas? Las enzimas difieren de los catalizadores químicos en los siguientes aspectos: 1. Mayor velocidad de reacción: Una reacción catalizada por enzimas es 106 a 1012 mayor que la reacción no catalizada y al menos varios órdenes de magnitud mayor que la correspondiente reacción no catalizada. 2. Condiciones de reacción suaves: Las reacciones catalizadas por enzimas ocurren a temperaturas bajo los 100ºC, presión atmosférica y pH cercano a la neutralidad. Las catalizadas químicamente requieren a menudo temperaturas y presión elevadas y pH extremos. 3. Gran especificidad de reacción : Las enzimas tienen una mayor especificidad que las reacciones catalizadas químicamente respecto de los sustratos y sus productos. En las reacciones enzimáticas no hay productos secundarios. 4. Capacidad de regulación : La actividad catalítica de muchas enzimas varía en respuesta a sustancias diferentes del sustrato. ¿Cómo funcionan las enzimas?

S P

La etapa limitante en las reacciones catalizadas, como en todas las reacciones químicas, es el estado de transición. Cuando hay mas de un estado de transición, la etapa limitante es aquella de energía de activación mayor.

k1 k2 E + S ES E + P k-1

Sitio Activo

Sitio activo de la ATCasa Sitio activo de la ATCasa. Algunos de los residuos claves del sitio activo se muestran uniendo al inhibidor PALA. El sitio activo está compuesto principalmente por residuos de una subunidad, pero una subunidad adyacente también contribuye con residuos importantes (cuadrados verdes).

Especificidad

La formación del complejo ES no explica por si sola la disminución de la energía de activación. Modelo Llave Cerradura Complementariedad con estado de transición La especificidad proviene de la formación de múltiples interacciones débiles entre la enzima y parte de la molécula de sustrato. Los enlaces entre la enzima y el sustrato son similares a los que estabilizan la estructura terciaria de las proteínas

Modelo llave-cerradura de la unión Enzima-Sustrato. En este modelo, el sitio activo de la enzima sin sustrato es complementario en forma al sustrato. Modelo encaje-inducido de la unión Enzima-Sustrato. En este modelo, los cambios de forma de la enzima ocurren con la unión del sustrato. El sitio activo toma una forma complementaria a la del sustrato solo después que éste se ha unido.

Mecanismos catalíticos empleados por las enzimas: Acido – Base Covalente Electrostática Efectos de proximidad y Orientación Unión preferente al complejo del estado de transición

Catálisis Acido-Base

Catálisis Covalente Catálisis Covalente. La hidrolisis por quimotripsina ocurre en dos etapas: (A) acilacion para formar El intermediario acil-enzima seguido por (B) deacilación para regenerar la enzima libre.

Catálisis Covalente

Hidrólisis Peptídica por Quimotripsina Hidrólisis Peptídica por Quimotripsina. El mecanismo de la hidrólisis peptídica ilustra los principios de la catálisis covalente y acido-base. Las líneas punteadas verdes indican las interacciones favorables entre la carga negativa del aspartato y la positiva de la histidina, lo cual hace a la histidina una base mas poderosa. La quimotripsina usa a histidina como un catalizador básico para aumentar el poder nucleofílico de la serina.

Efectos de proximidad y Orientación

k1 k2 E + S ES E + P k-1

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática: Concentración de sustrato Concentración de enzima Inhibidores pH Temperatura

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática: Concentración de sustrato Concentración de enzima Inhibidores pH Temperatura

Vo = Vmax (S) Km + (S) Vmax Vmax (S) Km + (S) 2 = 1 (S) 2 (S) Km

Vo = Vmax (S) Km + (S) Dobles Recíprocos Vo Km Vmax (S) 1 + = Ecuación Michaelis-Menten Vo = Vmax (S) Km + (S) Dobles Recíprocos Vo Km Vmax (S) 1 + =

Vo Km Vmax (S) 1 + =

CH3-CH2OH + NAD CH3-CHO + NADH + H Efectos fisiológicos de cambios en los valores de Km. - Los asiáticos son muy sensibles a las bebidas alcohólicas. - Requiere menos etanol para producir vaso dilatación y aumento de la frecuencia cardiaca. - Estos efectos se deben al acetaldehído producido por la deshidrogenasa alcohólica hepática. CH3-CH2OH + NAD CH3-CHO + NADH + H - Normalmente, el acetaldehído es removido por la enzima mitocondrial aldehído deshidrogenasa (Km baja). - Algunos asiáticos, han perdido esta forma de la enzima. - Estos individuos tienen sólo la forma citosólica (Km alta). - Esto produce un aumento de los niveles sanguíneos de acetaldehído.

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática: Concentración de sustrato Concentración de enzima Inhibidores pH Temperatura

Efecto de la concentración de Enzima sobre: E + S ES E + P k1 k-1 k2 Efecto de la concentración de Enzima sobre: Velocidad máxima Constante de Michaelis

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática: Concentración de sustrato Concentración de enzima Inhibición: - Competitiva - No Competitiva pH Temperatura

Inhibición Competitiva

Inhibición No Competitiva

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática: Concentración de sustrato Concentración de enzima Inhibidores pH Temperatura

E +H+ EH + S EHS EH + P k1 k-1 k2 EH2 +H+

Efecto de pH sobre la Actividad Enzimática

Enzimas Regulatorias La actividad es regulada a través de moléculas señales: generalmente metabolitos o cofactores. - Enzimas con cooperatividad positiva - Enzimas reguladas por modificación covalente

Enzimas con cooperatividad Generalmente tiene estructura cuaternaria Además de sitio catalítico tienen sitio regulatorio Estos sitios pueden estar en la misma subunidad o en subunidades diferentes Tienen cinética cooperativa. Curva sigmoidea.

Enzimas con cooperatividad S0,5 es la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la Vmax. Efectores positivos, desplazan la curva hacia la izquierda. Efectores negativos, desplazan la curva hacia la derecha.

Modelos Concertado Secuencial

nH: Coeficiente de Hill Rx: Indice de cooperatividad Razón de pO2 necesario para cambiar Y desde 0.1 (10% de los sitios ocupados) hasta Y=0.9 (90% de los sitios ocupados) nH Rx 1.0 81.0 No 1.5 18.7 Cooperatividad + 2.0 9.0 “ 2.8 4.8 3.5 6.0 2.1 10.0 1.6 20.0 1.3

Control de la Actividad Catalítica de piruvato quinasa. Piruvato quinasa es regulada por efectores alostéricos y modificación covalente.