CATALIZADORES ORGÁNICOS. Dra. Flora E. Arana F. CUM, Facultad de Medicina USAC, 2016

ENZIMAS Proteínas sintetizadas por las células, en respuesta al requerimiento metabólico Es un catalizador biológico que reduce el gasto de energía de una transición COMPLEJOS ENZIMATICOS APOENZIMA Parte proteinca de una Holoenzima, no es activa, necesita cofactor HOLOENZIMA: Enzima formada por una parte proteica, necesita de un cofactor para activarse.

Enzimas: catalizadores de la vida Oxidación de la Glucosa: Reacciones termodinámicas factibles aunque no ocurran Glucosa + 6O2 6CO2 + 6 H2O + energía Reacción Exergónica; con energía libre = ΔG’ = -686 kcal/mol, o sea que es factible termodinámicamente hablando en esas condiciones Entalpia, calor = H ΔG= cambio E libre Energia interna = E ΔG= ΔH – T ΔS Presion y volumen P & V ΔS = cambio entropía O

CATALISIS Es la aceleración de la tasa de un reacción química mediante una sustancia, llamada catalizador, que no es modificada por la reacción CATALIZADOR Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. Un catalizador acelera la reacción al disminuir la energía de activación.

DIAGRAMA ENERGÉTICOS PARA REACCIONES CATALIZADAS Y NO CATALIZADAS. 6

Catalizadores FÌSICOS INORGÀNICOS QUÌMICOS PROTEÌNAS ENZIMAS ORGÀNICOS ARN RIBOZIMAS

TIPOS DE CATALIZADORES ORGÁNICOS ENZIMAS: moléculas de naturaleza proteica capaces de catalizar reacciones químicas RIBOZIMAS: moléculas de ARN con capacidad catalítica

PROPIEDADES DE LOS CATALIZADORES Se necesitan en mínimas cantidades No sufren alteraciones irreversibles durante la catálisis Carecen de efecto sobre la termodinámica y el equilibrio químico de las reacciones

CATALIZADORES ORGÁNICOS Incrementan la velocidad de la reacción de 106-1012 veces Se localizan dentro de las células, donde la temperatura, pH y concentración salina son apropiadas para su actividad Son muy específicas en relación a los reactantes y la reacción que catalizan Son reguladas

ENZIMAS. Son catalizadores muy potentes y eficaces. Químicamente son proteínas GLOBULARES Actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables. No modifican el sentido de los equilibrios químicos

Pueden actuar a nivel intracelular o extracelular Actúan en el mismo lugar donde se segregan Son solubles en agua Son activas a concentraciones pequeñas. la característica más sobresaliente es su elevada especificidad

ENZIMAS CONSTITUTIVAS: SIEMPRE SON SINTETIZADAS POR LA MAQUINARIA CELULAR. Ejemplo las enzimas de la via glucolitica INDUCIBLES: SON SINTETIZADAS SI APARECE UN SUSTRATO, en ausencia de lactosa E. coli no produce beta galactosidasa (lactasa) REPRIMIBLES: DEJAN DE SER SINTETIZADAS AL APARECER UN PRODUCTO.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS La enzima posee uno o más dominios conocidos como SITIO ACTIVO o CATALÍTICO, en el cual se realiza la catálisis A este sitio se unen SUSTRATOS (moléculas que van a ser transformadas en productos)

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS En la oxidorreducción, una molécula dona un electrón a otra, ésta se oxida y la otra se reduce OXIDORREDUCTASAS Transferencia de grupos: aldehidos, acilos, glucosilos, y fosfatos (kinasas), desde una molécula a otra TRANSFERASAS

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS Actúan sobre enlaces glucosídicos, éster, peptídicos y C-N, transformando polímeros en monómeros HIDROLASAS Rompimiento no hidrolítico entre C y C, entre C y O, entre C y N y entre C y S. Puede formar y eliminar dobles enlaces LIASAS

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS Permite transformar un isómero en otro ISOMERASAS Formación de enlaces entre: C y O, C y S, C y N, C y C, con aporte de ATP LIGASAS

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS CLASE PRINCIPAL REACCIÓN QUE CATALIZA 1. Oxidorreductasas Reacciones de oxido-reducción 2. Transferasas Transfieren un grupo de átomos de una molécula a otra 3. Hidrolasas Rompimiento hidrolítico 4. Liasas Rompimiento no hidrolítico y formación o eliminación de doble enlace 5. Isomerasas Interconversión de isómeros 6. Ligasas Formación de enlaces (con consumo de ATP)

MOLÉCULA SOBRE LA QUE ACTUA LA ENZIMA. SUSTRATO. MOLÉCULA SOBRE LA QUE ACTUA LA ENZIMA. ENZIMA SUSTRATO (ESTADO DE TRANSICIÓN)

COMPLEJO ENZIMA- SUSTRATO ACCIÒN ENZIMATICA + = SUSTRATO ENZIMA COMPLEJO ENZIMA- SUSTRATO + ENZIMA PRODUCTO DR. CARRERACHANG

ENZIMAS ALOSTÉRICAS Algunas enzimas poseen además del sitio catalítico, uno o más dominios conocidos como SITIO ALOSTÉRICO Aquí se fijan moléculas llamadas modificadores alostéricos: positivos (aumentan actividad enzimática) negativos (disminuyen actividad enzimática)

Sitio donde se une el substrato con la enzima. Sitios funcionales Sitio activo: Sitio donde se une el substrato con la enzima. Este sitio es específico para su substrato, como una llave y una cerradura Sitio alostérico: Sitio ubicado en una región deferente a la del sitio activo y posee función reguladora SUSTRATO SITO ACTIVO ENZIMA SITIO ALOSTÈRICO

COFACTORES Puede ser de tres tipos Coenzima: NAD, coenzima A y C, son sustancias orgánicas no proteicas, pueden separarse de la parte proteica de la enzima; muchas se derivan de las vitaminas Grupo prostético: sustancia orgánica unida covalentemente a la apoenzima, ej: FAD+ Y FMN Ión metálico activador: K+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Zn2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, y Mo3+ Mg cofactor de enzimas que transfieren grupos fosfato

FUNCIÓN DE LOS COFACTORES Participan activamente con las enzimas durante la catálisis Las coenzimas pueden o no sufrir cambios durante la catálisis, por ello también se les conoce como cosustratos Su presencia es fundamental, sin ellos no puede ocurrir la reacción bioquímica

COFACTORES NO ACCIÓN ENZIMÀTICA ACCIÓN ENZIMÁTICA ENZIMA COFACTOR MODIFICACIÒN DEL SITO ACTIVO SITIO ACTIVO COFACTOR SUSTRATO ENZIMA ENZIMA + COFACTOR NO ACCIÓN ENZIMÀTICA ACCIÓN ENZIMÁTICA COENZIMA UNIÒN DEBIL GRUPO PROSTÈTICO UNIÒN FUERTE

COFACTOR Orgánico:  muchas vitaminas funcionan como coenzimas o cofactores;  Grupo Prostético: Unión fuerte (enlace covalente). Ejm: Los Citocromos. Coenzimas: Unión débil. Ejem: NAD, NADP, FAD, FMN, ATP, CoA, Vitaminas. Inorgánico: Cuando se trata de iones o moléculas inorgánicas. Activadores: Son los metales, como: Cu++, Fe++, Mn++, Zn++, Ca++, Co++, K+, Na+

EJEMPLOS DE COENZIMAS Y VITAMINAS RELACIONADAS Vitamina relacionada Reacción química NAD+, NADP+ Niacina Óxido-reducción FAD Riboflavina (B2) Tiamina pirofosfato Tiamina (B1) Transferencia de grupo aldehído Coenzima A Pantoténico Transferencia de grupo acilo Tetrahidrofolato Folato Transferencia de Carbono Biotina Carboxilación Piridoxal fosfato Piridoxal (B6) Transaminación

COMPONENTES DE LA ENZIMA La enzima per se es quien realiza la catálisis Algunas enzimas necesitan de una o más moléculas adicionales para realizar la catálisis Dicha molécula puede ser orgánica o inorgánica

COMPONENTES DE LA HOLOENZIMA Se llama Apoenzima a la parte proteica y Cofactor a la molécula no proteica de un complejo Holoenzimático u holoenzima

GRUPO PROSTÉTICO. MOLÉCULAS PEQUEÑAS INORGÁNICAS NO DIALIZABLES QUE ACTUAN COMO COFACTORES ENZIMÁTICOS.

HOLOENZIMAS APOENZIMA APOENZIMA APOENZIMA GRUPO PROSTÉTICO COENZIMA ION METÁLICO HOLOENZIMA: complejo constituido por apoenzima (parte proteica) y por cofactores (coenzima, grupo prostético o ion metálico)

CINÉTICA ENZIMÁTICA Las reacciones enzimáticas se caracterizan por un efecto de saturación La saturación se debe a que todos los sitios activos de las enzimas están ocupados Saturados los sitios catalíticos, aunque se aumente la concentración de sustrato la velocidad de reacción no aumenta linealmente

CINÉTICA ENZIMÁTICA Las enzimas actúan en un rango de pH y temperatura óptimos, si se cambian estas condiciones la velocidad no es efectiva porque sufre desnaturalización Ejemplos: enzimas del estómago requieren pH ácido, mientras que las enzimas del intestino requieren pH básico para su actividad catalítica

CINÉTICA ENZIMÁTICA En general, el incremento de temperatura acelera las reacciones químicas Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general Sin embargo, por tratarse de proteínas, se empiezan a desnaturalizar a partir de cierta temperatura por arriba de su valor óptimo

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Actividad máxima de la enzima Desnaturalización de la enzima Desnaturalización de la enzima

ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN Modelo que explica la mayoría de reacciones catalizadas por enzimas La enzima se combina reversiblemente con su substrato para formar el complejo enzima-sustrato (ES) que se rompe para formar el producto, así se regenera la enzima Para una molécula de sustrato se muestra a continuación: k1 k2 S + E E S P + E k - 1 donde: S = substrato E = la enzima ES = complejo enzima substrato o complejo de Michaelis y Menten k1,k-1 y k2 = constantes de velocidad de la reacción.

ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN La ecuación de Michaelis y Menten describe como varía la velocidad de reacción con la concentración de sustrato: donde: v0 = velocidad inicial de la reacción Vmax = velocidad máxima Km = constante de Michaelis y Menten= (k1+ k2)/k1 S = concentración de sustrato

INTERPRETACION La ecuación de Michaelis y Menten explica el grado de afinidad de la enzima por el sustrato Mientras mayor sea la afinidad, más rápidamente ocurre la reacción. Un valor numérico pequeño de Km refleja una alta afinidad de la enzima por su substrato porque a una baja concentración del mismo, la enzima ha desarrollado ya la mitad de la velocidad máxima.

Fue propuesto por Emil Fischer. Modelo de "Cerradura y Llave" o modelo "De Molde" de un sitio catalítico: Fue propuesto por Emil Fischer. En la actualidad se utiliza solamente para entender ciertas propiedades de las enzimas. La desventaja se este modelo se encuentra en la rigidez del sitio catalítico.

Modelo de "Ajuste Inducido“ . Modelo de "Ajuste Inducido“ Un carácter esencial es la flexibilidad implícita de la región del sitio catalítico. En el modelo de ajuste inducido, el sustrato induce un cambio conformacional en la enzima.

MODELO DE LA INTERACCIÓN ENZIMA – SUSTRATO.

REGULACIÒN DE LA ACCION ENZIMÀTICA TEMPERATURA FACTORES FÌSICOS. FACTORES QUÌMICOS. CONCENTRACIÒN DEL SUSTRATO. PRODUCTO. INHIBIDORES. SUSTANCIAS ALOSTÈRICAS pH COOPERATIVISMO PRESENTE REVERSIBLES IRREVERSIBLES

TEMPERATURA Y ACCIÒN ENZIMÀTICA . El punto óptimo representa el máximo de actividad. A temperaturas bajas, los enzimas se hallan "muy rígidos" cuando se supera un valor considerable (mayor de 50ºC) la actividad cae bruscamente porque, como proteína, la enzima se desnaturaliza. ACCIÒN ENZIMÀTICA

El pH puede afectar de varias maneras: pH y acción enzimática Presentan un pH óptimo de actividad. El pH puede afectar de varias maneras: El centro activo puede contener aminoácidos con grupos ionizados que pueden variar con el pH. La ionización de aminoácidos que no están en el centro activo puede provocar modiicaciones en la conformación de la enzima. El sustrato puede verse afectado por las variaciones del pH.

REGULACIÓN ENZIMÁTICA INHIBIDORES: COMPETITIVOS. NO - COMPETITIVOS

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Las actividades enzimáticas pueden regularse para cubrir las necesidades celulares Pueden existir: Activaciones, aumentan el trabajo de la enzima Inhibiciones, disminuyen el trabajo de la enzima

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA Existen dos tipos principales de inhibición: Inhibición competitiva La molécula inhibidora es muy parecida al sustrato y compite por el sitio activo Inhibición no competitiva La molécula inhibidora no se parece al sustrato, y se une a la enzima en un sitio alejado del sitio activo, un sitio regulador o alostérico

INHIBICIÓN COMPETITIVA

INHIBICIÓN NO COMPETITIVA

INHIBICIÓN ALOSTÉRICA Una enzima susceptible a I. alosterica, se activa de forma libre, que tiene alta afinidad a substratos (rojo) estabilizándola y la convierte en una enzima de baja actividad

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA En la inhibición alostérica, la unión de la molécula a la enzima, hace que la conformación de esta se altere y ya no reconoce al sustrato Las inhibiciones pueden ser Reversibles: se elimina la molécula inhibidora y se activa la enzima Irreversible: la molécula inhibidora no es eliminada y la enzima no se activa

OTROS TIPOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA Modificación covalente: La fosforilación también puede regular a las enzimas, algunas se activan y otras se inactivan Eliminación de un segmento de la cadena peptídica

OTROS TIPOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA Realimentación: Negativa: cuando existe un metabolito que por diferentes mecanismos, inhibe a una enzima reguladora para que la vía metabólica no continúe Positiva: cuando existe un metabolito en abundante cantidad, estimula la actividad de una enzima

OTROS TIPOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA Retroalimentación: Un producto de cierta vía metabólica, actúa inhibiendo a una enzima reguladora, usualmente al inicio de dicha vía

REGULACIÓN ENZIMÁTICA POR ADICIÓN O ELIMINACIÒN DE GRUPOS QUÍMICOS. FOSFORILACIÒN / DEFOSFORILACIÒN. RUPTURA PROTEOLÌTICA. Fosforilasa quinasa ATP ADP OH OH P P P GLUCOGENO FOSFORILASA b (inactiva) GLUCOGENO FOSFORILASA a (activa) Pi H20 Fosforilasa fosfatasa

SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS Conjunto de enzimas que participan en una secuencia de reacciones (vía metabólica) El producto de la enzima A se convierte en sustrato de la enzima B, y así sucesivamente hasta el producto final

SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS Ayudan a incrementar la velocidad del metabolismo celular Son muy frecuentes en las células Ejemplos: Enzimas de la glucólisis Enzimas de la b-oxidación Enzimas de la cadena respiratoria

ISOENZIMAS Enzimas con función biológica similar, pero diferente estructura química Podemos observar su existencia en función de: tipo de tejido: la lactato deshidrogenasa presenta isoenzimas distintas en músculo y corazón compartimento celular donde actúa: la malato deshidrogenasa del citoplasma es distinta de la de la mitocondria. etapas del desarrollo del individuo: algunos enzimas de la glucólisis del feto son diferentes de las mismas enzimas en el adulto.

Isoenzimas: formas moleculares distintas de una enzima dentro del mismo organismo Hexokinasa: Presenta, al menos, cuatro formas distintas - Hepática - Cerebral - Muscular - Eritrocitaria Las isoenzimas representan formas que tienen que ver con la diferenciación celular, presentando distintas características funcionales.

RIBOZIMAS En 1983 demostraron que la ARNasa P formada por ARN y proteínas, cataliza el corte de pre-ARNt, y que el componente catalítico es el ARN y no la proteína Existen ARN sn (pequeños nucleares) que se unen a proteínas y forman un espliceosoma, que se encarga del corte de intrones y empalme de exones en la maduración del ARNm

RIBOZIMAS Moléculas de ARN que poseen actividad catalítica Forman y rompen enlaces covalentes Capacidad de catálisis Participan en los mecanismos de maduración de los diferentes tipos de ARN

RUPTURA PROTEOLÌTICA

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Estan estudiando? 67

En su programa tienen Videos que necesitan ver cada semana, para la próxima semana llevamos tres temas busquen los videos y hagan un comentario, de cada uno, además uno de VIH. Además investigar tres fármacos uno que actúe sobre gram positivo, uno sobre gram negativo y otro sobre virus, e identificar que enzimas, o proceso bioquímico bloquea que hace que el mircroorganismo muera. Video de ciclo vida VIH de Boheringer Metabolismo https://www.youtube.com/watch?v=hi4H1tdSnss https://www.youtube.com/watch?v=hi4H1tdSnss http://www.youtube.com/watch?v=9zdfhnZ0deE

OBJETIVO.   Al finalizar el laboratorio cada estudiante será capaz de interpretar los mecanismos subyacentes de la acción enzimática sobre sustratos específicos. MATERIAL. 3 Pinzas para sujetar tubos de ensayo. Solución de almidón al 1%. Saliva* Solución de Lugol. Solución de Benedict. 1 Docena de tubos de ensayo, resistentes al calor* Lámpara de alcohol 4 Varillas de vidrio Pastillas de cuajo (renina)* HCl al 10% 30 cc. de leche* 4 goteros* 4 pipetas de Pasteur. Guantes descartables* Crayon graso o maskin tape* El material marcado con asterisco (*) lo aportan los estudiantes por grupo

  IV. PROCEDIMIENTO. Acción de la Amilasa sobre el almidón. a. Rotule dos tubos: uno con las letras SC (Saliva Cruda) y otro con las letras SH (Saliva Hervida) b. Agregue a cada tubo dos ml. de saliva. c. El tubo SH, caliéntelo hasta ebullición (desnaturalización de la amilasa). d. Rotule 4 tubos: Uno con SCL (Lugol); otro con SCB (Benedict); otro con SHL y uno mas con SHB, agregándoles 1 ml de solución de almidón al 1 %, a cada uno. e. Del tubo SC extraiga 10 gotas de saliva para el tubo SCL y 10 gotas para el tubo SCB. Del tubo SH extraiga 10 gotas de saliva para el tubo SHL y 10 gotas para el tubo SHB. f. Después de 5 minutos de haber agregado la saliva a los cuatro tubos, haga pruebas de Lugol y de Benedict a los tubos con L y B, respectivamente. g. Utilice una varilla diferente para cada tubo, al mezclar. h. Cada vez que use goteros y pipetas lávelos con agua. i. Observe y anote sus resultados en el cuadro. Complete su reporte de laboratorio de VARIOS.

Acción de la Renina sobre la Caseína de la Leche. 1. Disuelva ¼ de pastilla de cuajo (renina) en 25 ml de agua destilada. 2. Numere 2 tubos de ensayo (1 y 2). 3. En el tubo # 1 coloque 5 ml de leche. 4. En el tubo # 2 coloque 5 ml de leche más 2 gotas de HCl al 10%. 5. Agregue 10 gotas de solución de renina a cada tubo numerado. 6. Observe y anote sus resultados. Complete su reporte de laboratorio de VARIOS.

Activador: Agente que aumenta la actividad enzimática Inhibidor: Agente que disminuye la actividad enzimática Inhibidor reversible: establece un equilibrio con la enzima: E + I EI Inhibidor irreversible: modifica químicamente a la enzima: E + I E’

Cofactor (Coenzima): Átomo, ion o molécula que participa en el proceso catalítico sin ser enzima ni substrato. Los cofactores participan de dos maneras distintas: 1. A través de una fijación muy fuerte a la proteína y salen sin ser modificados del ciclo catalítico 2. Como un segundo substrato; salen modificados del ciclo catalítico y por lo general requieren otra enzima para volver al estado original.

LAO: L-aminoácido oxidasa: es una flavoproteína Las flavoproteínas tienen un grupo prostético flavínico, que interviene en el proceso catalítico sin salir modificado del mismo

LDH: Lactato deshidrogenasa Utiliza como cofactor NADH, el cual sale de la reacción oxidado a NAD+. La regeneración a NADH requeriría otra enzima.