ENZIMAS Las enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles.

Presentación del tema: "ENZIMAS Las enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles."— Transcripción de la presentación:

1 ENZIMAS Las enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles

2 HISTORIA En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837-1900) acuñó el término enzima, que viene del griego ενζυμον "en levadura“ Desde finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, se conocía la digestión de la carne por las secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado el mecanismo subyacente. aunque la primer enzima fue descubierta por Anselme Payen y Jean-François Persoz en 1833

3 *NOMENCLATURA El nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reacción química que cataliza, con la palabra terminada en -asa. Por ejemplo, lactasa proviene de su sustrato lactosa; alcohol deshidrogenasa proviene de la reacción que cataliza que consiste en "deshidrogenar" el alcohol; ADN polimerasa proviene también de la reacción que cataliza que consiste en polimerizar el ADN La Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ha desarrollado una nomenclatura para identificar a las enzimas basada en los denominados Números EC. De este modo, cada enzima queda registrada por una secuencia de cuatro números precedidos por las letras "EC

4 *NOMENCLATURA Por ejemplo, la enzima tripéptido aminopeptidasa tiene el código EC 3.4.11.4, construido así: 3 por hidrolasa (enzima que usa el agua para catalizar algunas reacciones). 3.4 por hidrolasa, que actúa sobre los enlaces peptídicos. 3.4.11 por aquellas que actúan sobre el terminal amino de aminoácido de un polipéptido. 3.4.11.4 por aquellas que actúan sobre el terminal amino final de un tripéptido.

5 ENZIMAS Las enzimas son proteínas que catalizan de forma especifica determinadas reacciones bioquímicas uniéndose a una molécula denominada sustrato hay otras enzimas de naturaleza nucleica denominadas ribozimas. Estructura terciaria de una enzima

6 ENZIMAS Hay enzimas formadas exclusivamente por proteínas, otras contienen un compuesto de naturaleza no proteica denominado cofactor, en este caso reciben el nombre de holoenzimas. El cofactor puede ser un elemento metálico como Fe, Zn, Mg o Mn, cuando el cofactor esta unido por enlaces covalentes a la proteína se denomina grupo prostético si esta unido por enlaces no covalentes se denomina coenzima, la parte proteica siempre se llama apoenzima

7 Estructura de las enzimas Los aminoácidos que forman la cadena polipeptidica desempeñan varias funciones: 1.- Ciertos aminoácidos denominados catalíticos, constituyen el lugar de unión o centro activo de la enzima, que es donde reside la capacidad catalítica de la misma 2.- Los aminoácidos de unión facilitan la formación del complejo enzima-sustrato.Otros aminoácidos suministran lugares de unión adicionales para otros ligandos 3.- Otros aminoácidos son necesarios para mantener la estructura tridimensional de la enzima

8 Reacciones químicas Se denomina reacción endotérmica a cualquier reacción química que absorbe energía. Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química que desprenda energía

9 Reacciones químicas En una reacción química solo pueden reaccionar las moléculas que poseen suficiente energía interna para vencer la energía de activación, al calentar las moléculas absorben calor, esto incrementa su energía interna y por tanto favorece la interacción entre ellas, los catalizadores disminuyen la energía de activación, al permitir que un gran número de moléculas puedan reaccionar al mismo tiempo.

10 Mecanismos de la acción enzimática Las enzimas forman compuestos intermedios con los sustratos muy inestables y que se transforman rápidamente en el producto. Son catalizadores y no alteran el equilibrio de una reacción química, aceleran las reacciones químicas en los dos sentidos

11 Mecanismos de la acción enzimática Cada enzima es especifica para un sustrato, esta especificidad viene determinada por dos características: A) El sustrato tienen que poseer algún grupo funcional que le permita unirse al enzima y situar la molécula de forma precisa sobre el centro activo. B) El sustrato debe poseer un enlace químico especifico susceptible de ser atacada por la enzima. En 1894 Fischer comparó la especificidad enzima sustrato con la existe entre llave y cerradura. Este modelo no es valido dado que la enzima es capaz de cambiar de forma, Koshland propone la idea del ajuste inducido o de la mano y el guante, la enzima sufre una adaptación producida por los aminoácidos que fijan el centro activo con el sustrato. Las enzimas presentan dos tipos de especificidad : 1.- De acción 2.- De sustrato http://www.youtube.com/watch?v=E- _r3omrnxw&feature=related

12 Modelo llave – cerradura de Fischer Modelo de ajuste inducido de Koshland

13 Complejos multienzimaticos Son enzimas que catalizan distintas reacciones y que se encuentran juntas, con la finalidad de acelerara las reacciones La piruvato deshidrogenasa oxida y descarboxila la molécula de piruvato

14 Cinética enzimática Cuando se mantiene constante la concentración de una enzima se observa que el aumento en la velocidad de reacción es proporcional al incremento de la concentración de sustrato, esto ocurre hasta un punto donde los incrementos de la concentración de sustrato no provoca un aumento de velocidad, en este punto la enzima ha alcanzado la Vmax y se dice que la enzima esta saturada

15 Cinética enzimática Michaelis y Menten formularon una ecuación que explique la cinética de las enzimas, Vmax: Velocidad máxima de reacción V: velocidad de la reacción Km: constante de Michaelis – Menten, es constante para cada enzima, cuanto menor es Km más afinidad tiene la enzima por el sustrato

16 Cinética enzimática Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de reacción, Km corresponde con la concentración de sustrato que proporciona la mitad de la velocidad máxima

17

18 Cinética enzimática Representación de Lineweaver-Burk, es una transformación de la ecuación de Michaelis - Menten

19 Factores que afectan a la actividad enzimática A) El pH: de él depende la carga de los grupos R de los aminoácidos y por lo tanto el mantenimiento de la estructura terciaria, las enzimas se pueden desnaturalizar

20 Factores que afectan a la actividad enzimática B) La temperatura: las reacciones catalizadas por enzimas siguen la regla de Vant´Hoff que establece que cada diez grados de aumento de la temperatura se produce un aumento de velocidad de dos a cuatro veces, las enzimas son termolábiles y por lo tanto les afecta mucho las variaciones de temperatura y pueden llegar a desnaturalizarse, tienen una temperatura optima de funcionamiento

21 Factores que afectan a la actividad enzimática C) Cofactores: sustancias que se unen con la enzima potenciando su acción catalítica, suele tratarse de cationes metálicos como cobre, magnesio, hierro o cinc. D) Proenzimas o zimógenos: son enzimas que se sintetizan de forma inactiva y que posteriormente se transforman en la forma activa por la acción de otras enzimas Paso del Quimiotripsinogeno a Quimiotripsina enzima activa

22 Factores que afectan a la actividad enzimática E) Inhibición enzimática: es la inhibición de la acción enzimática causada por iones o moléculas especificas, es un mecanismo de control de las reacciones metabólicas. Puede ser de varios tipos: E.1: Inhibición Irreversible: la enzima se une de forma covalente al inhibidor de forma permanente, algunos compuestos organofosforados que se utilizan como insecticidas inactivan enzimas, el cianuro bloquea la enzima respiratoria citocromo oxidasa

23 Factores que afectan a la actividad enzimática E.2 Inhibición Reversible Competitiva: el inhibidor compite con el sustrato por el centro activo y por lo tanto reduce el número de moléculas de sustrato que pueden reaccionar

24 Factores que afectan a la actividad enzimática E.3 Inhibición Reversible no Competitiva: el inhibidor se une a la enzima por un sitio distinto del centro activo

25 Factores que afectan a la actividad enzimática F) Enzimas alostéricas: su cinética no se ajusta al modelo de Michaelis y Menten. Las enzimas alostericas presentan curvas sigmoidales si representamos la concentración de sustrato frente a la velocidad. El alosterismo se debe a la presencia de uno o más centros reguladores distintos del centro activo. La alostería (de griego ἄλλως, allos: otro y στερεός, stereós: forma)

26

27 Factores que afectan a la actividad enzimática Las enzimas alostericas adoptan dos conformaciones interconvertibles denominadas R o relajada con mucha afinidad por el sustrato y T o tensa con baja afinidad, cuando el centro alosterico esta vacio la enzima actúa a velocidad normal, si este centro está ocupado por el regulador la enzima sufre un cambio en su conformación y adopta una forma más o menos activa dependiendo de que el regulador sea estimulante o inhibidor. Las sustancias que favorecen el paso de la forma T inactiva a la R activa se denominan moduladores positivos, los que favorecen el paso de la R a la T son inhibidores alostericos.

28 Factores que afectan a la actividad enzimática Algunas enzimas pueden actuar en cadenas secuenciales denominadas sistemas o complejos multienzimaticos, donde el producto de una reacción es el sustrato de la enzima siguiente, en la mayoría de estos complejos la enzima que cataliza la primera reacción actúa como regulador este tipo de control se denomina retroalimentación o feed back

29 Diferencias entre los dos tipos de enzimas Enzima no Alosterica 1.- Generalmente solo un centro activo 2.- La Km es variable y depende de cada enzima 3.- Su velocidad no está regulada por moléculas moduladoras Enzima Alosterica 1.- Son de mayor tamaño, formadas por varias subunidades, presentan varios centros activos 2.- Km más alta que las enzimas no alostericas 3.- Su velocidad está regulada por la presencia de sustancias moduladoras, positivas o negativas. 4.- Presentan dos conformaciones una T (tensa o inactiva) con muy poca afinidad con el sustrato y otra R (relajada o activa) con mucha afinidad por el sustrato 5.- Son enzimas reguladoras.

30

31 Isoenzimas Son enzimas con forma molecular diferente e igual función biológica, difieren en su Vmax y en su Km. La enzima lactato deshidrogenasa (LDH) se presenta en cinco formas cada una constituida por dos tipos de cadena polipeptidica M y H. Las cinco formas son: M4 LDH 1 Corazón M3H LDH2 Leucocitos M2H2 LDH3 Pulmones MH3 LDH4 Riñones H4 LDH5 Hígado Electroforesis de diferentes isoenzimas

32 Clasificación de las enzimas La clasificación más usada es según la reacción que catalizan: 1.- Oxido – Reducción, intercambian H o Electrones 2.- Transferasas transferencia de grupos funcionales, si el grupo es un fosfato se llaman quinasas 3.- Hidrolasas hidrólisis (roturas de enlaces) de sustratos con intervención del agua. 4.- Liasas, catalizan la rotura de grupos funcionales diversos 5.- Isomerasas, catalizan reacciones de isomerización 6.- Ligasas, catalizan la síntesis de moléculas con hidrólisis del ATP

33 Cofactores y coenzimas Un cofactor es un componente no proteico, termoestable y de baja masa molecular, necesario para la acción de una enzima. El cofactor se une a una estructura proteica denominada apoenzima, y a este complejo se le denomina holoenzima, la holoenzima es el complejo apoenzima-cofactor. Entre los cofactores mencionables se encuentran: iones metálicos (Fe 2+, Cu 2+, K +, Mn 2+, Mg 2+, entre otros) y moléculas orgánicas, denominadas coenzimas El ion metálico puede actuar como: a) Centro catalítico primario. b) Grupo puente para reunir el sustrato y la enzima, formando un complejo de coordinación. c) Agente estabilizante de la conformación de la proteína enzimática en su forma catalíticamente activa. Las enzimas que precisan de iones metálicos se llaman a veces metaloenzimas

34 Cofactores y coenzimas Las coenzimas son moléculas de naturaleza orgánica unidos a la enzima por enlaces débiles, los coenzimas se pueden dividir en tres grupos: 1.- Los que intervienen en reacciones de transferencia de grupos fosfato como el GTP,ATP,ADP y AMP. 2.- Las que intervienen en reacciones redox como el NAD, FAD, FMN y NADP 3.- Las que intervienen en la transferencia de otros grupos químicos como la coenzima A

35 Vitaminas como coenzimas Las vitaminas (del latín vita (vida) + el griego αμμονιακός, ammoniakós "producto libio, amoníaco", con el sufijo latino ina "sustancia") Su nombre se debe a Funk, quien en 1912 las denominó así al descubrir la estructura de la vitamina B1 Son nutrientes necesarios, nosotros somos incapaces de sintetizarlas. Una concentración baja de vitaminas se conoce como hipovitaminosis, se corrige suministrando vitaminas. Si la concentración es muy baja o casi nula se produce una avitaminosis que es una enfermedad carencial

36 Vitaminas como coenzimas Las vitaminas se dividen en dos grupos: 1.- Hidrosolubles: solubles en agua, vitamina C y vitaminas del grupo B 2.- Liposolubles: solubles en lípidos, no son coenzimas, K,D, A y E (tema de lipidos) Alimentos ricos en vitaminas hidrosolubles. Alimentos ricos en vitaminas liposolubles.

37 Vitaminas hidrosolubles 1.a.- Vitamina C: Se conoce como ácido ascórbico participa en la síntesis del colágeno y en reacciones de hidroxilación, su avitaminosis provoca la enfermedad del “escorbuto” El escorbuto se produce a nivel molecular por una alteración en la hidroxilación de la prolina del colágeno, la prolina no se transforma en hidroxiprolina y por lo tanto la estructura secundaria del colágeno no se forma. Por su actividad no se le considera una coenzima Se encuentra en las frutas en especial en los cítricos, Coliflor, Coles de Bruselas etc.

38 Vitaminas hidrosolubles 1.b.- Vitamina B 1 : Conocida como tiaminia su forma activa es el pirofosfato de tiamina, esta implicada en el metabolismo de los glúcidos, transfiriendo grupos aldehídos y descarboxilación. Su forma activa es el pirofosfato de tiamina TPP, se puede encontrar en la enzima pirivato descarboxilasa Su avitaminosis produce Beri – Beri un enfermedad del sistema nervioso, la hipervitaminosis puede producir insomnio y cefalea. Se encuentra en las legumbres, Judías, Carne de Cerdo …

39 Vitaminas hidrosolubles 1.c.- Vitamina B 2 : Se conoce como riboflavina con dos formas coenzimaticas FMN y FAD es un coenzima de oxido – reducción. Es fotosensible intervienen en el mantenimiento de la piel y mucosas. Su carencia provoca trastornos oculares, bucales, cutáneos y fatiga Se encuentra en el Hígado, Huevos, Almendras, Nuez, Lentejas …

40 Vitaminas hidrosolubles 1.d.- Vitamina B 3 (PP): su otro nombre es ácido nicotínico o vitamina PP sus derivados son coenzimas de oxido – reducción (NAD y NADP) Su carencia produce la pelagra, también conocida como la enfermedad de las tres D Dermatitis Diarrea Demencia Se encuentra en: Bonito, Pollo, Hígado …

41 Vitaminas hidrosolubles 1. e.- Vitamina B 5 : otro nombre es el de ácido pantotenico, forma el coenzima A que interviene en el metabolismo de glúcidos y proteínas transportando grupos acilo R – CO. Es muy difícil que se produzca una avitaminosis, se caracteriza por vómitos, fatiga nauseas y cefaleas. Esta vitamina evita el acné y la caída del pelo. Se encuentra en Hígado, Champiñón, Lentejas …

42 Vitaminas hidrosolubles 1.f.- Vitamina B 6 : se conoce como piridoxina, con otras variantes funcionales piridoxal y piridoxamina, participan en reacciones de intercambios de grupos amino. En el hígado se fosforila y se transforma en el fosfato de piridoxal que es su forma activa Su carencia provoca trastornos en la piel y trastornos nerviosos, debilitamiento y perdida de peso Se encuentra en Hígado, Salmón, Carne de vaca …

43 Vitaminas hidrosolubles 1.g.- Vitamina B 8 (H): su nombre es biotina, interviene en reacciones de carboxilación como la catalizada por la enzima piruvato carboxilasa. Su carencia causa dermatitis, eczema, anorexia, anemia … Se encuentra en el Hígado, Almendra, Yema de huevo, Soja …

44 Vitaminas hidrosolubles 1.h.- Vitamina B 9 : Ácido Fólico su forma reducida interviene en la síntesis de las purinas y pirimidinas como transportador de grupos formilo Su carencia provoca diarreas, perdida del apetito, perdida de peso y alteraciones en las células sanguíneas. Se encuentra en Hígado, Espárragos, Lentejas … CH=O Grupo formilo

45 Vitaminas hidrosolubles 1.i.- Vitamina B 12 : se conoce como cianocobalamina transporta grupos alquilo Su déficit provoca anemia perniciosa Se encuentra en Hígado, Huevos, Sesos, Sardinas … Grupo alquilo

46 Enfermedades metabólicas La fenilcetonuria: también conocida como PKU, es un error congénito del metabolismo causado por la carencia de la enzima fenilalanina hidroxilasa, lo que se traduce en la incapacidad de metabolizar el aminoácido tirosina a partir de fenilalanina en el hígado. Es una enfermedad congénita con un patrón de herencia recesivo. Es un tipo de hiperfenilalaninemia La fenilcetonuria (del inglés phenylketonuria = PKU) es un desorden del metabolismo; el cuerpo no metaboliza adecuadamente un aminoácido, la fenilalanina, por la deficiencia o ausencia de una enzima llamada fenilalanina hidroxilasa. Como consecuencia, la fenilalanina se acumula y resulta tóxica para el sistema nervioso central, ocasionando daño cerebral.

47 Enfermedades metabólicas La galactosemia es una enfermedad hereditaria causada por una deficiencia enzimática y se manifiesta con incapacidad de utilizar el azúcar simple galactosa, lo cual provoca una acumulación de éste dentro del organismo, produciendo lesiones en el hígado y el sistema nervioso central.

48 Enfermedades metabólicas La alcaptonuria es una enfermedad hereditaria rara caracterizada por un trastorno del metabolismo de la tirosina y la fenilalanina (enzima homogentisato-1,2-dioxigenasa) Se hereda con un patrón autosómico recesivo El resultado es la acumulación de uno de los productos tóxicos de la ruta metabólica en cuestión, una molécula llamada ácido homogentísico, el cual circula por la sangre y se excreta en la orina en grandes cantidades, dándole la característica coloración negruzca a la orina

49 Las enzimas y el diagnostico de enfermedades El aumento o disminución de la actividad enzimática de algunas enzimas puede servir como marcadores para la determinación de algunas enfermedades, generalmente una enfermedad esta asociada a valores anormales de dos o más enzimas, las más utilizadas son: 1.- Fosfatasa alcalina : un aumento puede indicar hepatitis o osteomalicia, un descenso cretinismo 2.- Fosfatasa ácida: cáncer de próstata 3.- Amino transferasas: (transaminasas) cirrosis, enfermedades hepáticas

50 Creatin Kinasa CK3 Estas isoenzimas pueden diferenciarse en base a su diferente movilidad electroforética. Los estudios de CK son útiles fundamentalmente en el diagnostico de infarto del miocardio, donde se constata un aumento de la variante MB, pero también puede usarse para estudiar otras condiciones, como enfermedades y traumas musculares (MM y MB) y traumas y cirugía del cerebro (BB). CK2 aparece en el suero dentro de las 6 horas siguientes a un infarto del miocardio y desaparece después de 24 a 48 horas. La persistencia de CK2 en suero indica extensión del infarto a otras aéreas o el desarrollo de otro infarto.