ENZIMAS: TEMA 7 Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas. Término propuesto por Kühne en 1878 (zyme = levadura) Las enzimas son necesarias para que las reacciones bioquímicas: Se produzcan a una velocidad adecuada para la célula Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de hacia reacciones colaterales que despilfarren energía Pueda regularse la producción de distintas sustancias según las necesidades

Hay dos características importantes en la catálisis 1.- Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción sin verse alteradas en el proceso, no se modifican en su actuación: E + S ES E + P 2.- Las enzimas no modifican la constante de equilibrio de la reacción Todas las enzimas son proteínas excepto las ribozimas (formadas por RNA sólo o asociado a proteínas) Aumentan la velocidad de reacción hasta por un factor de 1014

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS 1. Oxidoreductasas: transferencia de electrones 2. Transferasas: reacciones de transferencia de grupo (no agua) 3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis 4. Liasas: adición de grupos a dobles enlaces o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos 5. Isomerasas: transferencia de grupos dentro de la misma molécula para dar isómeros 6. Ligasas: formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones de condensación acopladas a hidrólisis de ATP

NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA El nombre de cada enzima puede ser identificado por: un código numérico, encabezado por las letras EC (enzyme commission) cuatro números separados por puntos. El primer número indica a cual de las seis clases pertenece la 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.

EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA: Consta actualmente de 3 partes: el sustrato preferente el tipo de reacción realizada terminación "asa" Ejemplo: Identificación EC 5.3.1.1. Nombre sistemático Triosa fosfato isomerasa

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

1.- Los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben colisionar BASES DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA: ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Para que se de una reacción química tienen que verificarse 3 condiciones 1.- Los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben colisionar 2.- La colisión molecular tiene que ocurrir con una orientación adecuada (las enzimas aumentan la probabilidad) 3.- Los reactivos deben poseer suficiente energía para alcanzar el estado de transición. Esta energía se llama energía de activación Las enzimas hacen que la reacción vaya más rápida

En las reacciones bioquímicas Energía de activación: barrera de energía que hay que superar para que se produzca la reacción. Es la energía necesaria para: Alinear grupos reactivos Formar cargas inestables transitorias Reordenar enlaces 2. Superada esta barrera, se llega a un estado activado o de transición en el que se produce la orientación y condiciones adecuadas para la reacción.

LAS ENZIMAS ACELERAN LAS REACCIONES BAJANDO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Diagrama de energía libre Catalizador Enzima “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 La enzima se une a la molécula de sustrato y la hace adoptar un estado intermediario semejante al de transición pero de menor energía Esta energía de activación y la conversión del intermediario en producto son menores que la energía de activación de la reacción sin catalizar

CÓMO ACTÚAN LAS ENZIMAS Una enzima une la molécula de sustrato de forma específica en una región denominada CENTRO ACTIVO que suele ser un bolsillo o una hendidura que se forma entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas cadenas: Facilitan la unión del sustrato (especificidad de sustrato) Intervienen en la catálisis (centro catalítico) CENTRO CATALÍTICO: puede incluir también: Coenzimas (moléculas orgánicas derivadas de vitaminas) Cofactores (moléculas inorgánicas como iones metálicos) Puede coincidir o no con el centro activo

CENTRO ACTIVO Región que se une al sustrato y contribuye con los residuos que participan en la formación y rotura de enlaces (grupos catalíticos) 1.- Supone una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima 2.- Es una entidad tridimensional 3.- Se unen a los sustratos por fuerzas relativamente débiles 4.- Son hoyos o hendiduras de las que suele quedar excluida el agua, salvo que sea un componente de la reacción 5.- La especificidad del enlace depende de la disposición de los átomos del centro activo

Especificidad de acción Las enzimas catalizan reacciones con diferente grado de especificidad 1.- Enzimas muy específicas: Ej. Sacarasa Sustrato natural: sacarosa Reconoce sustratos análogos (maltosa) 2.- Enzimas poco específicas: Ej. Proteasas digestivas (quimotripsina)

1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA 1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura 1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

Cambio conformacional inducido por glucosa en la hexoquinasa “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

MECANISMOS DE REACCIÓN ENZIMÁTICA S + E ES E + P 1.- CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: Triosa fosfato isomerasa Se produce un intercambio de protones Dímero: dos subunidades idénticas Cilindro b paralelo con hélices a en los bucles de interconvexión Lugar activo: cerca de la parte superior del cilindro. Puede acomodar G3P o DHAP “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

Catálisis ácido-base: triosa fosfato isomerasa G3P se une al centro activo Intermediario enediol, se forma por transferencia de un protón de C2 al Glu 165 y un protón de His 95 al carbonilo E- G3P E-enediol E- DHAP E + DHAP DHAP unida al centro activo His 95 Glu 165 E + G3P

Bolsillo cerca de la serina del centro activo CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: SERINA PROTEASAS Hidrólisis del enlace peptídico (Quimotripsina, Tripsina) QUIMOTRIPSINA Bolsillo cerca de la serina del centro activo Fenilalanina Residuos hidrófobos Quimotripsina Arginina Carga sobre el carboxilato Tripsina “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

Residuos del centro activo de quimotripsina

Catálisis por quimotripsina 1 Unión no covalente del S con cadenas del bolsillo hidrófobo Lugar de ruptura 2 Se transfieren H+ desde Ser a His y luego al fragmento C-terminal Catálisis por quimotripsina HNH----------(C) 3 Intermediario acilo-enzima 4 Una molécula de agua se une a la enzima 5 El agua transfiere el H+ a la His y el OH al resto de S HOOC----------- (N) Ser 195-CH2-OH 6 “Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

2.- CATÁLISIS COVALENTE Se forman enlaces covalentes transitorios E-S para facilitar la formación de producto A-B + X: A-X + B A + X: + B X: = Núcleo nucleofílico de la enzima

Grupos nucleófilos en sus formas básicas GRUPOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA (Voet) Grupos nucleófilos en sus formas básicas Los grupos electrófilos contienen un átomo con deficiencia de electrones (rojo)

Los iones metálicos participan de diferentes formas en la catálisis 3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS Los iones metálicos participan de diferentes formas en la catálisis Orientación del sustrato para que reaccione Estabilizando estados de transición de compuestos cargados Intervienen en reacciones redox cambiando su propio estado de oxidación

SITIO ACTIVO DE LA ANHIDRASA CARBÓNICA HUMANA CO2 + H2O HCO3- + H+ (VOET)

Un tercio de las enzimas requieren algún ión metálico para catalizar

Características de coenzimas comunes (Voet)