ENZIMAS por hernán valle

ENZIMAS Definición: Función: Catalizadores biológicos; Aminoácidos: H R C* COOH NH2 Definición: Catalizadores biológicos; Largas cadenas de pequeñas moléculas llamadas aminoácidos. Función: Aumentar la velocidad de una reacción química. Con excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA con propiedades catalíticas llamadas RIBOZIMAS, todas las enzimas son PROTEÍNAS.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Comparación de enzimas con catalizadores químicos. Característica Enzimas Cataliz. Químicos Especificidad de sustrato alta baja Naturaleza de su estructura compleja simple Sensibilidad a T y pH Condiciones de reacción (T, P e pH) suaves drásticas Natureza del proceso finito contínuo Consumo de energia Bajo alto Formación de subproductos

Comparación de enzimas con catalizadores químicos. CARACTERÍSTICAS GENERALES Comparación de enzimas con catalizadores químicos. Característica Enzimas Cataliz. Químicos Separación catalizador/ productos difícil Simple Activ. Catalítica (temp. ambiente) alta baja Presencia de cofactores si No Estabilidad estructural Baja Energia de Activación Velocidad de reacción

CARACTERÍSTICAS GENERALES Presentan alto grado de especificidad. Son altamente eficientes, acelerando la velocidad de las reacciones (108 a 1011 + rápida). Reducen la energia de activación. No son consumidas en la reacción: H2O2 H2O O2 + Catalasa E + S E + P

CARACTERÍSTICAS GENERALES Aceleran reacciones químicas Ej: Decomposición de H2O2 H2O2 H2O O2 + Catalasa Condiciones de Reacción Energia de Activación KJ/mol Velocidad Relativa Sin catalizador 75,2 1 Platino 48,9 2,77 x 104 Enzima Catalasa 23,0 6,51 x 108

CARACTERÍSTICAS GENERALES Actúan en pequeñas concentraciones Descompone 5 millones de moléculas de H2O2 en 1 min; a pH = 6,8 1 molécula de Catalasa Número de renovación = n° de moléculas de sustrato convertidas en producto por una sola molécula de enzima en una unidad dada de tiempo.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Disminuyen la Energia de Activación. No alteran el Estado de Equilíbrio: La Keq no cambia. No se presenta un efecto termodinámico global: El G no cambia. Diferencia entre la energia libre de S y P Avance de reacción Energia de activación con enzima Energia Energia de activación sin enzima S P

CARACTERÍSTICAS GENERALES RNA Estrutura Enzimática Ribozimas Si es covalente Apoenzima o Apoproteína Grupo Prostético Holoenzima Cofactor Coenzima Proteína Puede ser: íon inorgánico molécula orgánica

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN S.S XIX (Século) → pocas enzimas identificadas. Adición de sufijo ”ASA” al nombre del sustrato. Ej: Grasas (lipo - griego) – LIPASA Almidón (amylon - griego) – AMILASA Nombres arbitrarios:Tripsina y pepsina:PROTEASAS. 1955 - Comisión de Enzimas (EC) de la Unión Internacional de Bioquímica (IUB)  numerar y clasificar.

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN Cada enzima  código con 4 dígitos que caracteriza el tipo de reacción catalizada: Clasificación según la comisión de Enzimas 1er dígito: CLASE Tipo de rxn general→ son 6. 2° dígito: SUBCLASE Tipo de rxn específica. 3° dígito: SUB-SUBCLASE Grupo funcional del sustrato implicado en la reacción. 4° dígito: SERIE Tipo de sustrato y código de registro.

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN 1er dígito: Clase → Tipo de rxn general. 1. Oxido-redutasas (reacciones de transferencia de electrones: REDOX) 1.1. actuando en CH-OH 1.2. actuando en C=O 1.3. actuando en C=O- 2. Transferasas (transfieren grupos funcionales entre moléculas) 2.1. grupos con un carbono 2.2. grupos aldeído o cetona 2.3. grupos acil 3. Hidrolasas (reacciones de hidrólisis) 3.1. ésteres 3.2. enlaces glicosídicos 3.4. enlaceses peptídicos 1.4. actuando en CH-NH2 1.5. actuando en CH-NH- 1.6. actuando en NADH, NADPH 2.4. grupos glicosil 2.7. grupos fosfatos 2.8. grupos conteniendo azufre 3.5.otros enlaces C-N 3.6.anidridos ácidos

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN 4. Liasas (catalizan la ruptura de enlaces covalentes y la remoción de moléculas de agua, amoniaco y gas carbónico) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N- 5. Isomerasas (transferencia de grupos en una misma molécula para formar isómeros) 5.1. Racemasas 6. Ligasas (catalizan reacciones de formación de nuevas moléculas a partir de la unión entre dos pre-existentes, consumiendo energia) 6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN 2° dígito: Subclase → Tipo de rxn específica. Ejemplos de Subclases Tipo de reacción catalizada Clase Hidratasas Adicionan H2O a insaturaciones Liasas Quinasas Transfieren -PO3-2 del ATP Transferasas Mutasas Cambian posición -PO3-2 Isomerasas Sintasas Síntesis sin ATP Sintetasas Síntesis dependiente de ATP Ligasas

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN Ejemplo de Clasificación: ADP + D-Glucosa-6-fosfato ATP + D-Glucosa Clasificación según la comisión de Enzimas 1er dígito: 2 CLASE Tipo de rxn general: Transferasa 2° dígito: 7 SUBCLASE Tipo de rxn específica: Fosfotransferasa 3° dígito: 1 SUB-SUBCLASE Grupo funcional del sustrato: Hidroxilo 4° dígito: 1 SERIE Tipo de sustrato: D-glucosa Nombre IUB: ATP-glucosa fosfotransferasa (2.7.1.1) Nombre común: Hexoquinasa

E + S E S P + E MECANISMO DE ACCIÓN MECANISMO GENERAL Sustrato se liga al SÍTIO ACTIVO de la enzima

MECANISMO DE ACCIÓN SITIO ACTIVO: Región de la enzima en la que se da iila transformación del sustrato en producto. Puede poseer componentes no protéicos:cofactores. Posee aminoácidos auxiliares o de contacto. COFACTOR

EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL FIJACIÓN DE S A E Emil Fischer (1894): Propuso la hipótesis  La cerradura y la llave, que considera que la enzima posee un sitio activo que facilita la unión del sustrato (Modelo Rígido).

EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL FIJACIÓN DE S A E Koshland (1958): hipótesis: Ajuste Inducido, La enzima no acepta simplemente al sustrato, sino que también exige que el sustrato se distorcione a algo cercano al estado de transición (Modelo Flexible).

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E EVENTOS DEL MECANISMO GENERAL TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis covalente Modificaciones covalentes transitorias originadas por un fuerte nucleófilo. Catalisis Acido-base Grupos R del sitio activo participan como donadores o aceptores de protones (ácidos y bases). Catalisis metálica Catalizadores electrofílicos que actúan mediante estabilización de cargas.

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis covalente O P H 2 C OH N NH Lys + ATP LigaseﾐAdenylate

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis ácido-base

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis ácido-base RNase A: His 12 Base General Abstrae protón del 2’ hidroxilo. His 119 Ácido general Dona protón al hidroxilo 5´.

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis acido-base

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis ácido-base

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis ácido-base

TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE S POR E Catalisis Metálica

Cinética ENZIMÁTICA Definición: CINÉTICA: Estudia las velocidades de reacción y los p/pios que permiten comprender cómo suceden las reacciones. ¿Cuántos pasos se necesitan? ¿Qué p/pios químicos operan en cada paso? ¿Cuál es el paso más lento y, por tanto el que limita la velocidad de la reacción total?. Ayuda a elucidar los mecanismos de reacción. Y a determinar la función de una determinada enzima en una ruta metabólica.

CINÉTICA ENZIMÁTICA E + S ES E + P 1913 Leonor Michaelis -Enzimólogo Victor Henri (1903): E + S  ES 1913 Leonor Michaelis -Enzimólogo Maud Menten - Pediatra K1 K2 E + S ES E + P K-1 Etapa rápida Etapa lenta

Mecanismo general y ecuación de m-m La ecuación mínima para la reacción más simple catalizada por una enzima es: La velocidad de formación de productos depende de [ES] y de k2: La [ES] no se puede medir, pero si la [S] y la concentración total de Enzima: Entonces: [E] = [Et] – [ES] (Ec. 1)

Mecanismo general y ecuación de m-m Además, la velocidad de descomposición y formación de [ES] son iguales (se supone “Estado Estacionario”): Luego: Puesto que: Reordenando: 1/KM

Mecanismo general y ecuación de m-m Reescribiendo: ; Reemplazando por [E] = [Et] – [ES] Tenemos: Factorizamos [ES], así: Reordenando: ; Reemplazando [ES] en: Obtenemos: ;cuando la [S]>>KM : (saturación de la enzima = velocidad máxima de la enzima) entonces: Ecuación de Michaelis - Menten

Significado de km y Vmax KM: Es la cantidad de sustrato necesario para alcanzar la ½ de la velocidad máxima. Cuando KM → 0, es mejor la afinidad de la enzima por el sustrato. ;V = Vmax Vmáx: Indica que todas las moléculas de la enzima están ocupadas con el sustrato y están realizando el paso catalítico.

v = Gráfico de MIchaelis-menten (M-m) Vmax [S] Km + [S] v v = Vmax [S] 1 v = Vmax 2 1- [S]  Km>>[S] 2- [S]  [S]>>Km 3- v = Vmax 2 Vmax 2 3 Km [S]

MÉTODOS GRÁFICOS para calcular km Gráfico de doble inverso de Lineweaver-Burk Después de reordenar la ecuación de M-M en la forma de una ecuación de línea recta (y=mx+b),obtenemos: Intercepto con el eje 1/v (y) 1 [S] v -1 Km Vmax Inclinación = Pendiente

MÉTODOS GRÁFICOS para calcular km Gráfico de Eadie-Hofstee Vmax Km v -Km Inclinación = [S]

Cinética de la inhibición ENZIMÁTICA Cualquier sustancia que reduzca la velocidad de una reacción enzimática. REVERSIBLES IRREVERSIBLES COMPETITIVOS NO COMPETITIVOS ACOMPETITIVOS INHIBIDORES Unidos por interacciones no-covalentes Unidos por interacciones covalentes

Inhibición COMPETITIVA Inhibidor competitivo compite con el S por el sitio activo de la E libre. I  análogo no metabolizable, derivado de un S verdadero, S sustituto de la E o un P de la reacción. [sustrato] necesaria para obtener la misma [ES] afinidad de la enzima por el sustrato I compuestos con estrutura molecular similar al S Km aparente (K’M) de la enzima. K’M>KM

Inhibición COMPETITIVA E + S ES E + P EI I + K1 KI K2 Lineweaver-Burk K’M Michaelis-Menten

Inhibición COMPETITIVA V’máx= Vmáx K’M>KM 1- sin inhibidor 2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentración [I2] > [I1]

Inhibición COMPETITIVA Ejemplos: Intoxicación por metanol → antídoto: Etanol. Así: La enzima Alcohol deshidrogenasa, cataliza la rxn: No produce ceguera Un exceso de Etanol (sustrato) desplaza al Metanol, evitando la ceguera: 3 Metanol Formaldehído Produce ceguera

Inhibición COMPETITIVA Ejemplos: Inhibición por medicamentos antihipertensores:

Inhibición no-COMPETITIVA Se une a un sitio específico alterando la forma del sitio activo y por tanto disminuye la unión del sustrato. I no tiene semejanza estructural con el S [substrato] no diminuye la inhibición Km de la enzima NO se altera Vmax con la presencia del inhibidor

Inhibición no-COMPETITIVA E + S ES E + P EI + S EIS + I KS KI K2 ] [ ][ I EIS ES EI E K = Michaelis-Menten ( ) ] [ 1 ]( max I m K S V v + = Lineweaver-Burk ) ] [ 1 ( max I m K V S v + =

Inhibición no-COMPETITIVA V’máx< Vmáx K’M=KM 1- sin inhibidor 2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentración [I2] > [I1]

Inhibición aCOMPETITIVA Se une a ES formando un complejo ternario no productivo ESI. I no tiene semejanza estructural con el S Si se aumenta la [S], habría más [ES] disponible para unirse a I. Entonces, se refuerza el efecto Inhibidor de I. Km y Vmax de la enzima

Inhibición aCOMPETITIVA E + S ES E + P EIS + I KS K2 KI Michaelis-Menten Lineweaver-Burk

Inhibición aCOMPETITIVA V’máx< Vmáx K’M<KM 1- sin inhibidor. 2- con inhibidor a una concentración [I1] 3- con inhibidor a una concentració [I2] > [I1]

Mecanismos de regulación enzimática MODIFICACIÓN COVALENTE FOSFORILACIÓN ADENILILACIÓN REDOX REVERSIBLE IRREVERSIBLE ZIMÓGENOS ALOSTERISMO La capacidad de adaptación de los organismos ante EIinfluencias externas e internas: BIORREGULACIÓN. Esto se logra por la interconversión de las formas activas E e inactivas de las proteínas (enzimas).

MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE FOSFORILACIÓN Cinasas: Transfieren un -PO3-2 del ATP a Ser, Tre y Tir (-OH). Fosfatasas: Eliminan el fosfato por hidrólisis del R fosforilado. Por lo general la fosforilación activa la enzima. El cambio de –OH por –OPO3-2, ↑ la polaridad ⇒cambia la conformación ⇒ influye en la actividad de la Enzima. E

MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE OXIDO-REDUCCIÓN Formación o eliminación de enlaces disulfuros –S-S- entre los grupos R de las cisteínas. Esto causa un cambio de conformación que influye en la actividad de la Enzima.

MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE ADENILILACIÓN Transferencia de un grupo adenilato desde un ATP Esto causa un cambio de conformación que influye en la actividad de la Enzima.

MODIFICACIÓN COVALENTE iiiIRREVERSIBLE ZIMÓGENOS: Son proteínas precursoras inactivas (carecen de iiiiSitio Activo). Sufren modificaciones por Proteasas que los iiiitransforman en su formas activas.

ENZIMAS alostéricas Funcionan a través de la unión no covalente iiireversible de un metabolito regulador llamado iiimodulador. Moduladores pueden ser inhibidores o activadores. Son mayores y más complejas, poseen dos o más iiicadenas polipeptídicas. No siguen la cinética de Michaelis-Menten.

ENZIMAS alostéricas Subunidad Catalítica Subunidad Reguladora

ENZIMAS alostéricas 1- Comportamiento tipo Michaelis-Menten. 2- Comportamiento Alostérico.

isoZIMAS Las distintas formas moleculares de una enzima que iiicatalizan la misma reacción se denominan isoenzimas. Ejemplo: Lactato deshidrogenasa (7 tipos celulares)