TEMA 5. BIOCATALIZADORES: ENZIMAS IES Muriedas Bonifacio San Millán 2º bachillerato Biología

BIOCATALIZADORES: ENZIMAS Introducción Concepto de VIDA: Sistemas de baja entropía: Necesidad de las enzimas (metabolismo) Mecanismos autorreplicativos (ADN, ARN) Importancia BIOLÓGICA NECESIDAD DE LA CATÁLISIS CONCEPTO DE ENZIMA

ENZIMAS Apoenzima: Composición (proteica) Holoenzima = Apoenzima + Cofactor Apoenzima: Composición (proteica) Estructura: (globular  3ª o 4ª) AA estructurales (d) AA del c. activo: De fijación (a y c) Catalizadores (b)

Holoenzima = Apoenzima + Cofactor ENZIMAS Holoenzima = Apoenzima + Cofactor Cofactor Inorgánicos: oligoelementos iónicos ej. ( Fe2+ ↔ Fe3+ ) Orgánicos Crupo prostético: Enlace covalente ej. Grupo Hemo Coenzimas: Enlaces reversibles. ej. vitaminas (Vit B6) o sus derivados (NAD+, FAD)

ENZIMAS Holoenzima = Apoenzima + Cofactor Cofactores Grupo prostético “Hemo”

ENZIMAS Papel de: Apoenzima Soporte Debilita enlaces Cofactor (completa el c. activo) Lleva a cabo la catálisis. Puente de unión ES Conformación: moldeando definitivamente al enzima

ENZIMAS : PROPIEDADES Proteicas: solubilidad, desnaturalización, Pi, etc. Especificidad De Acción: Un tipo de reacción De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato Absoluta Relativa EA EB EC Reversibilidad: A B C P Eficacia:   Localización Recuperación

ENZIMAS : PROPIEDADES Especificidad De Acción: Un tipo de reacción De Sustrato: Sobre un tipo de sustrato Absoluta: ej. Lipasa Relativa: ej. Gliceraldehído 3P deshidrogenasa En nuestro cuerpo, los monosacáridos tienen forma D y los aminoácidos proteicos forma L ¿Por qué? Porque las enzimas de nuestro cuerpo sólo catalizan reacciones sobre monosacáridos D o aminoçacidos L

ENZIMAS : PROPIEDADES Recuperación: Enzima: E + S ES E + P El “E” se recupera integramente Coenzima: Deshidrogenasa Ej: AH2 + FAD A + FADH2 (El FAD necesita reciclarse)

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Reacción enzimática http://www.google.es/imgres?imgurl=http://docentes.educacion.navarra.es/~metayosa/bach2/2biometabo2_clip_image001.gif&imgrefurl=http://docentes.educacion.navarra.es/~metayosa/bach2/2biometabo2.html&usg=__RAXG8xoCehE8jgwXifhd2k8gZe0=&h=232&w=373&sz=13&hl=es&start=2&zoom=1&um=1&itbs=1&tbnid=N8lhV_3l7aBH2M:&tbnh=76&tbnw=122&prev=/images%3Fq%3Dapoenzima%2Bcofactor%26um%3D1%26hl%3Des%26safe%3Dactive%26sa%3DN%26tbs%3Disch:1

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Velocidad de reacción: V = P  / t Factores: Tª (no en seres vivos  s. Isotérmicos) Presencia de catalizadores:  la E. de activación

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Proceso: Sin Catalizador Con Catalizador

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Proceso: A: Fijación especifica: complejo ES B: Liberación del producto: Enzima + Producto

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Todas las reacciones metabólicas necesitan de la participación de enzimas.

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Todas las reacciones metabólicas necesitan de la participación de enzimas. Síntesis Degradación

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Modelos Llave cerradura (A) Ajuste inducido (B) Modelo de la llave-cerradura Modelo de ajuste inducido

ENZIMAS: LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Modelo de la llave-cerradura Modelo de ajuste inducido

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA Velocidad: V = P / t 1 U  µmol S/min  µmol P/min V máxima: Ke  Et 

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad Km = K2 + K3 K1 

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Importancia Km = [ S ] fisiológica  V enzimática a [ ] fisiológica Afinidad por el S (especificidad):  KM   Afinidad Km a partir de la ecuación de Vo de M-M Km a partir de la K1 o K2 (limitante): K1 E + S ES K2

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Enzimas con diferente Velocidad máxima y la misma Km.

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Enzimas con la misma Vmax y diferente KM (Si catalizan la misma reacción y sobre el mismo S serán isozimas

ENZIMAS: CINÉTICA ENZIMÁTICA KM (Cte de Michaelis-Menten) Enzimas con diferente Vmax y diferente KM

ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad Concentración de sustrato Concentración de enzima pH Temperatura

ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad Influencia de la concentración del SUSTRATO Exponencial (Hipérbole)

ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad Influencia de la concentración de ENZIMA. Proporcional (lineal)

ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad Influencia del pH. ¿ A qué se deben estas diferencias en el pH óptimo de las siguientes enzimas? Intestino (jugo pancreático) Estómago (jugo gástrico)

ENZIMAS: Factores que influyen en la velocidad Influencia de la temperatura.

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Necesidad de regulación y modos Regulación por Km Activación: cationes (Ca2+, Mg2+ ), el sustrato, etc. Inhibición: Reversible I. Competitiva:  Km Irreversible I. No competitiva: Vmax , Km constante. I. Acompetitiva:  Km Vmax Alosterismo

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática por Km

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Activación: cationes (Ca2+, Mg2+ ) el sustrato etc. Nota: No confundir con un cofactor, el activador no se une al centro activo

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Reversible: I. Competitiva:  Km Vmax Constante

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Reversible I. Competitiva:  Km Vmax Constante

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición competitiva: La Vmax permanece constante La Km aumenta

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición competitiva: ¿Por qué es reversible? Revierte si aumentamos la concentración de sustrato Se puede neutralizar si se añade una concentración de sustrato suficiente para desplazar al inhibidor.

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Irreversible

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Irreversible I. No competitiva: Vmax, Km constante. complejo ESI La unión al InC puede permitir la unión del S, pero el complejo resultante, siempre es inactivo. El Inc puede unirse tanto al E como al complejo ES

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Irreversible I. No competitiva: Vmax, Km constante

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición no competitiva: La Vmax disminuye La Km constante

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición no competitiva: No revierte aunque aumentemos la concentración de sustrato ¿Por qué es irreversible?

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Irreversible I. Acompetitiva:  Km Vmax Siempre se forma el complejo ESI, pero inactivo. La unión del ES con el IA dificulta la liberación del complejo y su progresión hacia el producto.

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición: Irreversible I. Acompetitiva:  Km (aparentemente) Vmax

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición Acompetitiva: ¿Por qué es irreversible? La Vmax disminuye La Km aparente disminuye

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática No revierte aunque aumentemos la concentración de sustrato Inhibición Acompetitiva: ¿Por qué es irreversible?

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición y = a x + b

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Inhibición IC: Vmax cte  Km INC: Vmax Km cte IA: Vmax  Km (aparente)

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Alosterismo Enzimas cuaternarias (oligómeros) Centro activo + centros reguladores Conformaciones T (“inactiva”) y R (activa) Cooperación entre protómeros Cinética sigmoidea En rutas tipo Feed-back (-)

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Nota: “Inhibición Irreversible” La mayoría de los libros de texto consideran la I. Irreversible como aquella que se produce cuando un veneno metabólico se une irreversiblemente (covalentemente) a un enzima, incapacitándole permanentemente. Con este enfoque la IC, INC y IA se considerarían reversibles ya que se unen al enzima con enlaces débiles y en determinadas circunstancias se liberan con facilidad. Sin embargo la aparición “patológica” de un veneno metabólico, no puede considerarse un mecanismo regulatorio.

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Alosterismo Enzimas cuaternarias (oligómeros) Centro activo + centros reguladores Conformaciones T (“inactiva”) y R (activa) Cooperación entre protómeros

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Alosterismo: Cinética sigmoidea

Análisis de cinética sigmoidea

ENZIMAS: Regulación de la Actividad enzimática Alosterismo: En rutas tipo Feed-back (-)

ENZIMAS: Nomenclatura Se conocen  2.000 enzimas Para nombrarlas: Término que alude al sustrato y al tipo de reacción catalizada Sufijo –ASA En ocasiones no se usa esta denominación, sino la antigua, sobre todo en las enzimas digestivas (ej. Pepsina, tripsina)

ENZIMAS: Clasificación Según el tipo de reacción que catalizan: Oxidorreductasas Transferasas Hidrolasas Liasas Isomerasas Ligasas o sintasas

ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática Compartimentación

ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática Complejos multienzimáticos Ej. piruvato deshidrogensa-descarboxilasa : Descarboxilarsa Deshidrogenasa Activación (sintasa)

ENZIMAS: Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática Isozimas

LAS VITAMINAS http://www.um.es/molecula/vita.htm Concepto: Nutrientes orgánicos simples Esenciales Necesarios en muy bajas cantidades Propiedades: lábiles Luz, calor, oxidación Muy activas

LAS VITAMINAS Funcion: Reguladora: ej. complejo B: (reac. redox.) Coenzimas (ej. B1 de dexcarboxilasas, C síntesis colágeno ) Precursoras de coenzimas (ej. B2 de NAD+, B3 de FAD) Antioxidantes: (A, E, C)

LAS VITAMINAS Clasificación: Liposolubles (“lipídicas”): Vit.( A, E, K, D) Hidrosolubles (“peptídicas”): Complejo B Vit.B1,B2,B3,B4,B6,B8,B9,B12 Vit C.

LAS VITAMINAS: Fuentes

TEMA 6 TEST DE REPASO

Esta gráfica representa la variación de la velocidad de reacción frente a la concentración del sustrato; ¿A qué se debe que la curva alcance una meseta y la velocidad no sigua aumentando para mayores concentraciones de sustrato Se alcanza la concentración saturante de sustrato donde todas las enzimas están formando complejos ES

A) Explica como calcularías el valor de Km para una enzima frente a un sustrato, si conoces la velocidad de reacción para distintas concentraciones de sustrato. B) ¿Qué efecto tendría sobre la Km la presencia de un inhibidor enzimático reversible? Razona la respuesta B) I. competitiva A) Graficamente Km Km´

Dibuja la estructura terciaria de una enzima unida a su sustrato, sobre este dibujo indica lo siguiente: ¿Dónde actuaría un inhibidor competitivo? En el centro activo, es un análogo metabólico ¿Dónde actuaría un inhibidor no competitivo? En región diferente al c. activo ¿Cuál de los dos tiene un efecto reversible? El I. competitivo ¿cómo conseguirías revertir el proceso inhibitorio? Razona las respuestas. Añadiendo más sustrato, hasta la V max. (saturación). Ic E S Inc Centro activo

Define el concepto de cofactor enzimático Grupo molecular no proteico que complementa al enzima ( a nivel del c. activo) ¿Qué papel juega el cofactor en el proceso catalítico? Aporta g. funcionales al c. activo: Interviene directamente en la catálisis , Une ES, Moldea definitivamente el E.U Cita algún ejemplo de cofactor enzimático: FAD, NAD+, cationes, grupo prostético, etc. Define los siguientes conceptos referidos a enzimas: Km: Concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima de un proceso enzimático. Catálisis: Disminución de la energía de activación por la acción de un catalizador (3 etapas) con el fin de aumentar la velocidad. Velocidad del proceso enzimático: V = [ P ] / tiempo, en moles / L / minuto.

Un enzima ha perdido eficiencia catalítica en la transformación de un sustrato “S” en un producto “P” al estar sometida aquella a la acción de un inhibidor competitivo, bajo estas circunstancias ¿de qué forma se verían afectadas la Vmax y la Km de la enzima? ¿cómo solucionarías el problema?. Razona tu respuesta. Km  la afinidad por el S. La Vmax. No varía Podemos revertir el proceso añadiendo sustrato

Una determinada concentración de enzima cataliza la conversión de un sustrato S en un producto P a una velocidad máxima de 3 µ M/min, en estas condiciones de ensayo ¿qué incremento de valor tendrá la Vmax del proceso si duplicamos la concentración del sustrato? Razona la respuesta. Ninguno ya que todo el enzima estará formando complejos ES (saturación) y se habrá alcanzado la V max. A un pH 7.5 una determinada enzima transforma, con rendimiento óptimo, una determinada concentración de sustrato “S” en un producto “P”. Si modificamos el pH hasta un valor de 6.4 ¿qué le ocurriría a la velocidad del proceso? ¿qué le ocurriría al centro activo en estas condiciones de reacción? Razona la respuesta: la V disminuye. la geometría del c. activo varía  se dificulta la interacción específica con el S. Si el cambio de pH fuera MAYOR  desnaturalización del enzima  V = 0 ( enz. No funcional)

Cuando se representa la cinética de catálisis enzimática de una enzima frente a un sustrato, en diferentes condiciones de pH y la misma Tª de reacción, se obtiene el resultado de la figura . Comenta el resultado obtenido y razona el comportamiento de la enzima en el ensayo teniendo en cuenta los criterios estructurales. pH 7,3  máxima V (probablemente pH óptimo), pH 6  menor V, pH 5: V mínima, comienza la desnaturalización. A medida que aumenta el pH el enzima sufre cambios conformacionales que afectan al c. activo disminuyendo la . Si el cambio es extremo  desnaturalización y V= 0

En la figura se representa la cinética de determinado proceso enzimático. Si en un ensayo aparte se reproduce el mismo ensayo pero introduciendo a) un IC b) un INC c) Un I A. ¿Cómo sería e cada caso la gráfica. Representa la gráfica indicando en cada caso la Vmax del ensayo a) ICompetitiva b) I no Competitiva c) I Acompetitiva IC: Vmax cte  Km INC: Vmax Km cte IA: Vmax  Km

El sustrato S es transformado por tres enzimas diferentes en un mismo producto P. Indica en cada caso: el tipo de enzima, la Km y la Vmax. Indica además que enzima tiene mayor afinidad por el sustrato. E1: normal E2: Alostérica E3: Alostérica E1: Vmax 10 E2: Vmax 10 E3: Vmaz 2 E1: Km 1,4 E2: Km 3 E3: Km 1,4 E1 = E3 > E2 Afinidad

En un cultivo de bacterias, la velocidad de reacción de un enzima E fue de 20 µg/min para una concentración de sustrato de 3 mM. Si la concentración de sustrato es igual o superior a 7 mM, la velocidad no supera los 40 µg/min. Al añadir una cierta cantidad de inhibidor competitivo, la velocidad de la reacción fue de 20 µg/min para una concentración de sustrato de 8 mM. Calcúlese la Km, la Vmax y la Km´. Vmax: Si para una [S] ≥ 7 mM la velocidad es 40 µg/min, la Vmax=40 µg/min b) Km: ½ Vmax será 20 µg/min, como esta velocidad se consigue con una [S] = 3 mM, la Km = 3 mM Otra forma es utilizando la ecuación de Michaelis: Km +3 = 120 / 20 Km = 6 – 3 = 3 mM/L c) Como es un inhibidor competitivo Vmax = Vmax´= 40 µg/min y ½ Vmax´= 20 µg/min. Esta velocidad se alcanza con una [S] de 8 mM en presencia de inhibidor, por lo tanto Km´= 8 mM. Vo = Vmax [S] / Km + [S] 20 = 40 x 3 / Km + 3

En un determinado proceso enzimático, una concentración fija de enzima "E" transforma un sustrato "S" en un producto "P" a una velocidad máxima de 35 mMol / min. Si en esta etapa del proceso añadimos cierta cantidad de sustancia "X" -de estructura similar a la de "S"- reconocida también por el centro activo de "E", pero no transformable en producto, se observa que la V.max. del proceso desciende un 50%. Representa gráficamente el fenómeno (velocidad frente a concentración de sustrato) e indica porqué la adición de "X" ha reducido la velocidad máxima. ¿Cómo harías en este caso para recuperar nuevamente el valor de Vmax. sin retirar "X" del medio? ¿Qué le ocurriría a la Km de la enzima en cada uno de estos supuestos? Razona las respuestas.

http://www. educa. madrid. org/web/cc. nsdelasabiduria http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/Enzimas/enzimas.htm