ENZIMAS Son biomoléculas cuya función es aumentar la velocidad de las reacciones bioquímicas, actúan por lo tanto como catalizadores biológicos. M. Sc. Liliana Sumarriva

¿Cuál es su naturaleza química? La gran mayoría de las enzimas son proteínas. Sin embargo existen algunos ARN que pueden actuar como enzimas (ribozimas)

¿Cuál es la estructura de una proteína? Las proteínas son macromoléculas, polímeros de aminoácidos Analizando estas palabras… Makrós: grande Polymerés: compuesto de varias partes Son cadenas simples, no ramificadas, de aminoácidos unidos unos a otros.

¿Cuál es la estructura de un aminoácido? Todos los aminoácidos están formados por un grupo amino y un grupo carboxilo. Amino Carboxilo

¿Cómo actúan las enzimas? Las enzimas son catalizadores y como tales aumentan la velocidad de la reacción química, sin modificar su resultado. No modifican la energía de los reactivos ni de los productos pero sí disminuyen la energía de activación, una especie de barrera energética que deben pasar los reactivos para convertirse en productos.

¿ Una misma enzima cataliza las distintas reacciones? No, las enzimas son específicas, cada una cataliza una determinada reacción.

La alta especificidad se debe a que su estructura terciaria le permite formar cavidades llamadas sitios activos, lugar donde se ubica el sustrato durante el proceso de catálisis.

La enzima se une específicamente a las moléculas denominadas sustratos, formando un complejo enzima-sustrato y favoreciendo su transformación en productos

Complejo enzima-sustrato productos

Una Reacción Enzimática:

¿La velocidad de una reacción catalizada por una enzima es siempre la misma? No, depende de muchos factores entre los que se cuentan: Concentración del sustrato Temperatura pH

Concentración de sustrato A mayor concentración de sustrato es mayor la velocidad. Pero no aumenta indefinidamente, cuando no hay más enzima para unirse al sustrato se alcanza la velocidad máxima

pH Cada enzima tiene un pH óptimo en el cual la actividad enzimática es máxima

Temperatura Cada enzima tiene una temperatura óptima en la cual su actividad es máxima

De modo que … si variamos el pH o la temperatura, la velocidad de la reacción catalizada por una enzima también varía. Los valores de pH y temperatura óptima son aquellos a los cuales se alcanza la máxima actividad enzimática o la mayor velocidad de reacción

Desnaturalización de una Proteína Estado Desnaturalizado Estado Nativo Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija

Desnaturalización de la ribonucleasa  Desnaturalización de la ribonucleasa. En general, la desnaturalización fuerte produce una destrucción permanente de la molécula Agentes desnaturalizantes: Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes, disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica).

Cofactores Enzimáticos 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

Los cofactores enzimáticos suelen ser moléculas complejas, que nuestro organismo no puede sintetizar, por lo general. Por esa razón muchos cofactores enzimáticos deben ser, en todo en parte, ingresados con la dieta; muchos de ellos son, por lo tanto, vitaminas. Ni todos los cofactores son vitamínicos ni todas las vitaminas son cofactores enzimáticos

Cofactores de naturaleza vitamínica; ejemplos 1. Hidrosolubles Tiamina Tiamina pirofosfato B1 Riboflavina Flavinas: FAD, FMN B2 Piridoxal Piridoxal fosfato B6 Cobalamina Coenzimas cobamídicos B12 Ác.Ascórbico Ac. Ascórbico C Nicotinamida NAD+, NADP+ PP Ác.Lipoico Lipoamida Ác.Fólico Coenzimas folínicos Ác.Pantoténico Panteteínas (CoA, p.e.) 2. Liposolubles Naftoquinonas g-Carboxilación K

Cofactores de naturaleza no vitamínica: ejemplos Hemo Hemoenzimas, citocromos Complejos Fe-S Ferredoxinas Quinonas Tr.electrónico mitocondrial y fotosintético Glutatión Redox; transporte de aminoácidos ATP Transf.de fosfato y/o de energía UTP Transf.de grupos glicosídicos PAPS Transf.de grupos sulfato S-AM Transf.de grupos metilo Carnitina Transportador de grupos acil-

Vitaminas que no forman parte de cofactores enzimáticos Liposolubles Retinoides vit. A Calciferoles vit. D Tocoferoles vit. E

Teorías de la Acción Enzimática 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.

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 experimentales conocidos hasta el momento.

La teoría del Ajuste Inducido se amplía en la actualidad definiendo la acción enzimática como Estabilización del Estado de Transición Según lo cual, el Centro Activo enzimático es en realidad complementario no al substrato o al producto, sino al estado de transición entre ambos.

Substrato: un éster Estado de transición: intermediario tetraédrico, inestable Productos

Clasificación y Nomenclatura de Enzimas

EC 2.7.1.1 ATP: hexosa fosfotransferasa Grupo transferido Nombre sistemático: ATP: hexosa fosfotransferasa Aceptor Donador Grupo Número sistemático Subgrupo EC 2.7.1.1 Enzyme Comission Enzima Sub-subgrupo Nombre común: Hexokinasa

Clasificación de enzimas: Grupos 1. Oxidorreductasas 2. Transferasas grupos aldehidos  gupos acilos grupos glucosilos grupos fosfatos (kinasas) 3. Hidrolasas Transforman polímeros en monómeros. Actuan sobre: enlace éster enlace glucosídico enlace peptídico enlace C-N

4. Liasas 5. Isomerasas 6. Ligasas (Adición a los dobles enlaces) Entre C y C Entre C y O Entre C y N 5. Isomerasas (Reacciones de isomerización) 6. Ligasas (Formación de enlaces, con aporte de ATP) Entre C y S

Inhibición Enzimática Inhibidor: Efector que hace disminuir la actividad enzimática, a través de interacciones con el centro activo u otros centros específicos (alostéricos). Esta definición excluye todos aquellos agentes que inactivan a la enzima a través de desnaturalización de la molécula enzimática

De esta forma, habrá dos tipos de inhibidores: Isostéricos: ejercen su acción sobre el centro activo II. Alostéricos: ejercen su acción sobre otra parte de la molécula, causando un cambio conformacional con repercusión negativa en la actividad enzimática. Activador alostérico: favorece la unión del sustrato Inhibidor alostérico: impide la unión del sustrato

Los inhibidores isostéricos pueden ser de dos tipos: 1. Inhibidor reversible: establece un equilibrio con la enzima libre, con el complejo enzima-substrato o con ambos: E + I EI ES + I ESI 2. Inhibidor irreversible: modifica químicamente a la enzima: E + I E’

Inhibición reversible (a) El inhibidor se fija al centro activo de la enzima libre, impidiendo la fijación del substrato: Inhibición Competitiva (b) El inhibidor se fija a la enzima independientemente de que lo haga o no el substrato; el inhibidor, por tanto, no impide la fijación del substrato a la enzima, pero sí impide la acción catalítica: Inhibición No Competitiva (c) El inhibidor se fija únicamente al complejo enzima-substrato una vez formado, impidiendo la acción catalítica; este tipo se conoce como Inhibición Anticompetitiva

E ES EI I S E + P Inhibición Competitiva Las fijaciones de substrato e inhibidor son mutuamente exclusivas; el complejo EI no es productivo

E ES EI I S E + P ESI Inhibición No Competitiva El inhibidor se fija indistintamente a la enzima libre E y al complejo enzima-substrato ES; ni el complejo EI ni el complejo ESI son productivos

E ES S E + P I ESI Inhibición Anticompetitiva El inhibidor sólo puede fijarse al complejo ES; el complejo ESI no es productivo

Inhibición Competitiva S ES E + P I Se define una constante de equilibrio de disociación del inhibidor: [E] [I] Ki = [EI] EI Características: - Las fijaciones de substrato e inhibidor son mutuamente exclusivas - A muy altas concentraciones de substrato desaparece la inhibición - Por lo general, el inhibidor competitivo es un análogo químico del substrato. - El inhibidor es tan específico como el substrato

4-aminobenzoato 4-aminobenceno sulfonamida

Ác. Fólico Methotrexate

Análogos de base Timina 5-Bromouracilo

Análogos de nucleósido Citidina Citosina arabinósido

Inhibición Irreversible - Los inhibidores irreversibles reaccionan con un grupo químico de la enzima, modificándola covalentemente - Su acción no se describe por una constante de equilibrio Ki, sino por una constante de velocidad ki: E + I E’ - A diferencia de la inhibición reversible, el efecto de los inhibidores irreversibles depende del tiempo de actuación del inhibidor. - Los inhibidores irreversibles son, por lo general, altamente tóxicos.

Algunos tipos de inhibidores irreversibles 1. Reactivos de grupos -SH 2. Organofosfóricos 3. Ligandos de metales 4. Metales pesados

Regulación de la Actividad Enzimática

Regulación alostérica Procesos a nivel celular; regulación de ajuste fino de la actividad enzimática, a través de efectos de retroalimentación (negativa o positiva) Regulación por modificación covalente Procesos a nivel supracelular (orgánico); regulación a gran escala de actividades enzimáticas, a través de modificación covalente de enzimas, provocadas por señales (transducción de señales)

Regulación alostérica Retroalimentación negativa en vías metabólicas, 1 Síntesis de Isoleucina Thr a-cetobutirato Ile Treonina desaminasa El producto final de la ruta, Isoleucina, inhibe a la primera enzima de la misma, Treonina desaminasa

Regulación por modificación covalente Suele haber fenómenos de modificación covalente de enzimas en la respuesta celular a señales químicas: 1. Neurotransmisores 2. Hormonas 3. Factores de crecimiento 4. Estímulos morfogenéticos y de diferenciación 5. Muerte celular programada (apoptosis) 6. Estímulos antigénicos 7. Luz y otros agentes físico-químicos

EFECTO DE LA MODIFICACIÓN COVALENTE SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Elementos de la reacción La Enzima no fosforilada es inactiva La enzima fosforilada es activa