Download - Clasifiacion de las Enzimas IUPAC
24-08-2009
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Conceptos básicos Definición de enzimas
Fuentes de enzimas
Campos de aplicación enzimas
Clasificación de las enzimas
Cinética enzimática
Sitio activo y actividad enzimática
Parámetros cinéticos
Inhibición enzimática
Enzimas
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Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones
bioquímicas.
Estructura 3aria o 4aria Función biológica
Las enzimas son CATALIZADORES ORGANICOS
Intervienen en una gran cantidad de reacciones del
metabolismo de células, tejidos y órganos
Catalizan reacciones químicas necesarias para la
sobrevivencia celular: metabolismo de los hidratos de
carbono, proteínas, aa, lípidos, ácidos nucleicos, etc.
Las enzimas pueden actuar dentro de la célula, fuera de
ésta y en el tubo de ensayo
Qué son la enzimas
Las enzimas catalizan la reacción bajando la energía
requerida para pasar de sustrato a producto
REACCION NO CATALIZADA
El agua no es capaz de pasar
sobre la montaña
REACCION CATALIZADA: Las olas
pasan sobre la montaña
ENERGIA DE
ACTIVACIÓN
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• La Ea de la hidrólisis de la urea
baja de 30 a 11 kcal/mol con la
acción de las enzimas,
acelerando la reacción 1014 x
• El aumento de temperatura
necesario para producir la
reacción no catalizada seria de
529ºCTiempo de la reacción
E + S
E + P
Sin enzima
Con enzima
Algunos aumentos de actividad producidos
por el uso de enzimas
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Enzima vs Catalizador
Tanto la enzima como el catalizador aceleran la velocidad de una reacción química.
Una enzima puede transformar 1000 moléculas de sustrato/ segundo
Las enzimas tienen 3 propiedades que los catalizadores NO tienen:
Especificidad por el sustrato
Se inactivan por desnaturación
Pueden ser reguladas
FUENTES DE ENZIMAS Las enzimas pueden ser de origen vegetal, animal y
microbiana.
Entre las enzimas de tipo vegetal, se encuentran las proteasas,
carbohidrasas ( las cuales descomponen residuos de azúcares
de carbohidratos superiores, amilasas y -amilasa
Entre las enzimas de tipo animal están las esterasa ( Lipasa se
produce en la mucosa gástrica, el páncreas, fosfotasas: Se
obtiene de tejidos animales óseo, muscular, tripsina y
quimotripsina se produce en el páncreas )
Las enzimas del tipo microbiano provienen de bacterias,
arqueas y de hongos.
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Uso industrial de las enzimas
Química fina y farmacéutica
Química de alimentos
Química analítica
Descontaminación
Nuevas fuentes de energía
Enzimas en la industria de alimentos
modificación química, selectiva, especifica
hidrólisis de almidón ---- jarabe de fructosa
hidrólisis de lactosa en leche
producción de quesos (hidrólisis de k-caseína )
hidrólisis de glicosil derivados ( aromas en vinos )
modificación de grasa y aceites ( interesterificacion )
mejora de procesos de extracción ( aceites )
aprovechamiento de residuos agrícolas
producción de aditivos alimentarios
liberación de productos de alto valor añadido ( glicosidasas )
análisis de alimentos - biosensores ( electrodos enzimáticos)
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Clasificación de las enzimas
Comisión de Enzimas (EC) de la IUPAC
Se basa en el tipo de reacción que
catalizan
Comprende cuatro dígitos y un nombre
complejo
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Nombre común (sustrato+”asa”): Hexokinasa
ATP: hexosa fosfotransferasa
Nombre sistemático:
Donador Aceptor
Grupo transferido
Tipo de reacción catalizada
EC 2.7.1.1
Número EC
Enzyme
ComissionGrupo Subgrupo
EC 1.x Oxidorreductasas
EC 2.x Transferasas
EC 3.x Hidrolasas
EC 4.x Liasas
EC 5.x Isomerasas
EC 6.x Ligasas
Clasificación de enzimas por Grupos
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Grupo 1: Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxidorreducción, en que
átomos de oxigeno ó hidrogeno son trasladados entre
moléculas:
En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a
la vez el aceptor y el dador electrónico.
AH2 + B A + BH2
Ared + Box Aox + Bred
A-X + B A + B-X
Grupo 2: Transferasas
Catalizan reacciones de transferencia de átomos ó grupo de
átomos entre moléculas:
Dador: Aceptor Grupo transferido - transferasa
ATP: D-Hexosa Fosfotransferasa EC 2.7.1.1
Nombre común: hexokinasa
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Grupo 3: Hidrolasas
Catalizan reacciones de hidrólisis y también su reverso. Son
las más comunes en el dominio de la tecnología enzimática:
A-B + H2O A-OH + H-B
No se suelen utilizar nombres sistemáticos en las hidrolasas.
Muchas de ellas conservan el nombre Primitivo. Ejemplo:
Quimosina EC 3.4.23.4.
Grupo 4: Liasas
Catalizan reacciones reversibles de remoción de grupo de
átomos del sustrato (este grupo no incluye las hidrolasas):
A-B A + B
Ejemplo
Nombre sistemático:
Histidina amonio-liasa (EC 4.3.1.3)
Nombre común:
Histidasa
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Grupo 5: Isomerasas
Catalizan reacciones de isomerización moleculares
A B
Ejemplo:
Glucosa isomerasa (EC 5.3.1.5)
Grupo 6: Ligasas
Catalizan la unión de dos grupos químicos a expensas
de la hidrólisis de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.).
A + B + ATP A-B + ADP + Pi
Ejemplo: Glutationa sintasa (EC 6.2.2.3)
Nombre sistémico:
G-L-glutamilo-L-cisteina:glicina ligase
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Cinética de las reacciones
enzimáticas
Cinética Enzimática
Es el análisis cuantitativo del efecto de cada uno de los
factores que intervienen en la actividad enzimática, que se
evalúa a través de la velocidad de la reacción catalizada.
Las variables más importantes son:
• Concentración de enzima, sustratos y productos
(incluyendo inhibidores y/o activadores)
• pH
• Temperatura
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Las enzimas se unen a los
reactivos (sustratos)
Cada enzima tiene una forma
única con un sitio o centro activo
en el que se une al sustrato
Después de la reacción, enzimas
y productos se separan.
Las moléculas enzimáticas no
han cambiado después de
participar en la reacción
Complementariedadgeométrica
Complementariedad de cargas, uniones iónicas
Llave – cerradura.
Encaje inducido
La unión del sustrato es muy
específica:
Modelos:
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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.
Substrato Enzima
Modelo de Ajuste Inducido (Koshland)
Tanto la enzima como el substrato sufren una alteración
en su estructura por el hecho físico de la unión.
Substrato Enzima
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Una enzima puede
unir más de un
sustrato en su sitio
activo
ADP + PEP
ATP + PIRUVATOCOMPLEJO
ENZIMA-SUSTRATO
Enzima + sustratos
Enzima + productos
Baja
concentración
de sustrato
ALTA
concentración
de sustrato
SATURACION
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Medición de la velocidad de reacción enzimática
dt
ds
dt
dpv
EnzimaSustrato(s) Producto(p)
dt
t
s
p[ ]
d[P]v = , t 0
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Una cinética hiperbólica implica un proceso saturante:
Hay un número limitado de sitios en la enzima
para fijar substrato; una vez que están ocupados
todos, por mucho que aumente la concentración
de substrato, la velocidad permanecerá constante
tendiendo a un valor asintótico
Michaelis-Menten y Estado estacionario
Km + sv =
Vmax * s
Concentración de Sustrato [S]
Ve
loc
ida
d d
e l
a r
ea
cc
ión
(v
)
Km
Vmax
Vmax/2
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Significado de la constante Km
1. Constante de equilibrio de disociación del complejo ES
(en condiciones de equilibrio rápido)
2. Medida inversa de la afinidad de la enzima por el substrato
(en condiciones de equilibrio rápido)
3. Mide la función de fijación (en cond.de equilibrio rápido)
4. Concentración de substrato para la que la velocidad se hace
igual a la mitad de la máxima (s0.5)
5. Se define para una pareja enzima-substrato
6. Se mide en unidades de concentración
Significado de la constante Vmax = k+2 e0
1. Velocidad asintótica para s
2. Directamente proporcional a la concentración de
enzima (hoy se prefiere caracterizar a la enzima por
k+2)
3. Mide función de transformación catalítica
4. Se expresa en unidades de velocidad
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Concentración de Sustrato [S]
Velo
cid
ad
de l
a r
eacció
n (
v)
Km
Vmax
Vmax/2
A mayor Km, menor es la afinidad de la enzima por el sustrato
A menor Km mayor es la afinidad de la enzima por el sustrato
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Representación directa
s
0 20 40 60 80 100
v
0
20
40
60
80
100
Km
Vmax
vV s
K smx
m
Representación recíproca doble(Lineweaver - Burk)
1/s
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
1/v
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
1 1 1
v
K
V s Vm
mx mx
-1/Km
1/Vmax
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Métodos de linealización para determinación
parámetros cinéticos
Método Eje Y Eje X Intercepto
Eje Y
Intercepto
Eje x
Pendiente
Lineweaver-
Burke
1/v 1/s 1/V -1/K K/V
Hanes s/v s K/V -K 1/V
Eadie-
Hofstee
v v/s V V/K -K
00
0
tt
tdt
ds
dt
dpva
Actividad Enzimática
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Así esta actividad corresponde al máximo potencial catalítico
que las enzimas poseen para un determinado conjunto de
condiciones ambientales.
Existen situaciones (sustratos heterogéneos) donde la
velocidad inicial de reacción no es representativa del real
potencial catalítico de la enzima.
Se asume que la velocidad inicial de reacción es
proporcional a la concentración de proteína enzimática.
Actividad enzimática: Es el número de moles
de sustrato que reaccionan para formar
producto, por mol de enzima y por unidad de
tiempo. Esto supone que la enzima está
plenamente saturada con sustrato y por tanto la
reacción se efectúa con su máxima rapidez
Índice de recambio: muestra la eficiencia de
la catálisis enzimática
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1. Sobre la fijación del substrato al centro activo:
- Grupos disociables de la enzima
- Grupos disociables del sustrato
2. Sobre la transformación catalítica del sustrato
3. Sobre la estructura de la proteína enzimática
Efecto del pH
Efecto del pH en la ENZIMA
Cada enzima tiene un pH óptimo para su actividad
El pH afecta las interacciones iónicas
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1. Aceleración de la reacción según la ecuación
de Arrhenius
k = A exp (-Ea/RT)
2. Desnaturalización térmica de la proteína
Efecto de la temperatura
Efecto de la temperatura en la ENZIMA
Cada enzima tiene una temperatura óptima.
Temperatura
15º 40º 75º
Aumento de la
velocidadDesnaturación
por calor
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Coenzimas-Cofactores
Las coenzimas son pequeñas moléculas
orgánicas, que se unen a la enzima.
Las coenzimas colaboran en la reacción
enzimática recibiendo transitoriamente
algún grupo químico: H+ , OH, CH3 .
La enzima sin la coenzima recibe el
nombre de APOENZIMA
El NAD es una coenzima aceptora de H
Sustrato
oxidado
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Algunas enzimas requieren metales
para mejorar su actividad
Isoenzimas o IsozimasSon formas moleculares diferentes de una
misma enzima
Catalizan la misma reacción
Ejemplo: Lactato deshidrogenasa
Lactato + NAD ==== Piruvato + NADH
Se diferencian por su movilidad electroforética
Usadas en clínica: sueros normales y sueros con
alguna patología
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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:
I. 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.
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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
2. Inhibidor irreversible: modifica químicamente a la enzima:
E + I E’
ES + I ESI
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
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Inhibidores Competitivos
Compiten con el sustrato por el sitio activo
de la enzima
Se une solo a la enzima libre
V máx no se altera y K M cambia
E ES
EI
I
S
E + P
Inhibición
Competitiva
Las fijaciones de substrato e inhibidor son
mutuamente exclusivas; el complejo EI no es productivo
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E ES
EI
I
S
E + P
Se define una constante de
equilibrio de disociación del
inhibidor:
Ki = [E] [I]
[EI]
Inhibición Competitiva
vV s
Ki
Ks
mx
m
i
1
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Inhibidor competitivo
Al aumentar la cantidad de SUSTRATO el inhibidor
competitivo es desplazado y se forma producto
Inhibidor competitivosu estructura es similar a la del sustrato
No se forma producto
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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
Por tanto, en la inhibición competitiva,
1. El efecto cinético del inhibidor es el aumento aparente de la
Km, que aparece multiplicada por el factor (1 + i/Ki)
2. La Vmax no aparece modificada; para concentraciones muy
altas del substrato, v = Vmax, igual que en ausencia de inhibidor
3. Cuanto más pequeño sea el valor de Ki mayor será la potencia
del inhibidor competitivo.
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Inhibidor competitivo
Km
Sin
inhibidor
Km
con
inhibidor
Sin inhibidor
Con inhibidor
El inhibidor competitivo
aumenta la Km
1/s-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1/v
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
-1/Km
-1/(Km(1 + i/Ki))
1/Vmax
Inhibición competitiva - Representación recíproca doble
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Inhibidor No Competitivo
Se une a un lugar diferente del sitio activo
la enzima
Se une a la enzima libre y también al
complejo enzima-sustrato
Por acción del inhibidor disminuye la Vmáx
pero el valor de KM no se altera
E ES
EI
I
S
E + P
I
ESI
SInhibición
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
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Inhibidor NO competitivo
El inhibidor NO competitivo se une a la enzima en un
sitio diferente del sitio activo
Inhibidor Incompetitivo
Se une a un lugar diferente del sitio activo
de la enzima
Se une sólo al complejo enzima-sustrato
Los efectos que tiene: disminuye el valor
de KM y también el de Vmáx
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E ES
S
E + P
I
ESI
Inhibición
Anticompetitiva
El inhibidor sólo puede fijarse al complejo ES;
el complejo ESI no es productivo
Inhibidores Irreversibles
Producen inactivación permanente de la
actividad enzimática
Se interfiere con el normal desarrollo de
una reacción o vía metabólica
Ejemplos: p-cloromercuribenzoato,
yodoacetato, diisopropilfluorfosfato
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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
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Enzimas Alostéricas
Son enzimas cuya estructura proteica está
formada de varias subunidades
No se rigen por la cinética de M - M
Además del sitio o centro activo tienen sitios
alostéricos o de regulación
Sitio activo/sustratos;
Sitio alostérico/moduladores o reguladores
La relación entre la velocidad de reacción y la
concentración de sustrato sigue cinética
sigmoídea
Enzimas alostéricas
Las enzimas alostéricaspresentan estructuracuaternaria.
Tienen diferentes sitiosactivos, unen mas de unamolécula de sustrato
La unión del sustrato escooperativa
la curva de velocidadpresenta una formasigmoidal
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RESUMEN
Las enzimas son proteínas que catalizan
las reacciones biológicas
Presentan especificidad por su sustrato
Cada enzima presenta dos parámetros
importantes Vmax (saturación de la
enzima) y la Km (medida de la afinidad
por el sustrato)