Universidad Autónoma de Baja CaliforniaUnidad Ciencias de la Salud

M.C. Evelia Escalante Gamez

ENZIMAS

311Garcia Delgadillo Karla Vanessa

Gallegos Figueroa Denni

INTRODUCCION• Enzima: Molécula de naturaleza proteica y estructural que catalizan

reacciones químicas.

• Hasta hace poco tiempo se consideraba que todas las enzimas eran proteínas, hasta que se comprobó la existencia de varias moléculas de RNA catalíticas (Ribozima).

• La mayoría de las reacciones químicas requieren de energía inicial, que se aporta en forma de calor.

• La reacción química tiene lugar cuando las moléculas que chocan poseen una cantidad mínima de “Energía libre de activación”.

• No todas las colisiones producen reacciones químicas, ya que no todas las moléculas poseen la energía suficiente. Otra manera de aumentar las colisiones es aumentando la concentración de los reactantes.

PROPIEDADES• Estado de Transición:

• Un catalizador reduce la energía de activación de una reacción.

• Las enzimas realizan su trabajo a temperaturas bastante moderadas y son bastante especificas en las reacciones que catalizan cada una de ellas.

• La diferencia entre los catalizadores inorgánicos y las enzimas es su estructura.

• El sustrato se une al sitio activo de la enzima, sin embargo no es solo el lugar de unión.

• La información en el sitio activo orienta de forma óptica al sustrato.

• Cada enzima se une a un único tipo de sustrato, debido a que ambos tienen estructuras complementarias

• Algunas enzimas requieren para sus actividades componentes no proteicos.• Los COFACTORES pueden ser iones (Mg), o moléculas orgánicas complejas

(coenzimas).

Las actividades de algunas enzimas pueden regularse, principalmente a través de la unión de inhibidores.

Los inhibidores se unen a la enzima para disminuir su

actividad.

CLASIFICACION

OXIDORREDUCTASAS

Oxidación- Reducción

Ejemplos: deshidrogenasa,

oxigenasas, reductasas

TRANSFERASAS

Hay transferencia de grupos de una molécula a otra.

Ejemplos: (grupos) amino, carboxilo.transcarboxilasas

• Se produce rotura de enlaces por la adición de agua.

• Ej. : esterasas, fosfatasas, peptidasas

HIDROLASAS

• Se eliminan grupos (CO2,NH3) para formar dobles enlaces

• Ej. : liasas, hidratasas, sintasasLIASAS

ISOMERASAS

Reordenamiento moleculares

- Epimerasas: Inversión de átomos de carbono asimétrico

- Mutasas: transferencia intramolecular de grupos

funcionales

LIGASAS

Formación de enlace entre 2 moléculas de

sustrato

La energía para estas reacciones la aporta la

hidrólisis del ATP.

Cinætica enzimçtica

• La cinética enzimática es el estudio cuantitativo de la catálisis enzimática.

• La velocidad de una reacción bioquímica es el cambio de la concentración de un reactante o producto por unidad de tiempo

• Uno de los modelos mas útiles en la investigación de las velocidades enzimáticas fue propuesto por Leonor Michaelis y Maud Menten en 1913.

CINETICA DE MICHAELIS-MENTEN

• El concepto del complejo enzima-sustrato es central para la cinética de Michaelis-Menten.

• Introdujeron una nueva constante: Km

• y obtuvieron la ecuación:

• Km es la concentración de sustrato a la que la enzima tiene la mitad de la velocidad máxima

Numero DE RECAMBIO (Kcat)

• Es el numero de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de tiempo por una enzima saturada de sustrato

• (Et) = concentración total de la enzima

LINEWEAVER - BURK• Reordenaron la ecuación Michaelis-

Menten obteniendo su inverso

• Se presentan las inversas de las velocidades iniciales frente a las inversas de las concentraciones de sustrato.

Inhibicion ENZIMATICA• Los inhibidores son moléculas que reducen la actividad de las enzimas

• Son importantes para:1) Son un medio importante para regular rutas metabólicas2) Numerosos tratamientos clínicos se fundamentan en la

inhibición enzimática3) Ayudan a diseñar técnicas que se utilizan para demostrar la

arquitectura física y química y las propiedades funcionales de las enzimas

• Se describen 3 clases de inhibidores: 1. Competitivos2. Acompetitivos3. No competitivos

INHIBIDORES COMPETITIVOS• Se unen de forma reversible a la enzima libre, y no al complejo ES,

formando un complejo enzima-inhibidor (EI)

• Con frecuencia, el sustrato y el inhibidor compiten por el mismo lugar de la enzima

INHIBIDORES ACOMPETITIVOS• El inhibidor solo se une al complejo ES, y no a la enzima libre

• La inhibición acompetitiva suele darse en las reacciones en las que las enzimas unen mas de un sustrato

INHIBIDORES NO COMPETITIVOS• El inhibidor se une a un lugar diferente del lugar activo

• La unión del inhibidor ocasiona la modificación de la enzima que impide la formación del producto

MECANISMOS CATALITICOS

Varios factores contribuyen a la catálisis enzimática:

Los efectos de proximidad y tensión

Los efectos electroestáticos

La catálisis acidobasica

La catálisis covalente

EFECTOS DE PROXIMIDAD Y TENSIÓN• Para ocurra una reacción bioquímica el sustrato debe acercarse a los grupos funcionales

catalíticos (grupos de las cadenas laterales que participan en un mecanismo catalítico) dentro del lugar activo. Además, el sustrato debe orientarse de forma precisa hacia los grupos catalíticos. Una vez situado el sustrato correctamente, un cambio de la conformación enzimática puede dar lugar a un complejo enzima-sustrato tensado

• EN GENERAL CUANTO MAS FUERTE PUEDE UNIR EL LUGAR ACTIVO AL SUSTRATO MIENTRAS ESTE ESTA EN SU ESTADO DE TRANSICION, MAYOR ES LA VELOCIDAD DE LA REACCION.

EFECTOS ELECTROSTÁTICOS • Debido a que el agua al unirse el sustrato está en gran medida excluido del sitio activo

la constante dieléctrica local suele ser baja. La distribución de carga en el lugar activo relativamente anhidro puede influir sobre la reactividad química del sustrato.

• UNA UNIÓN MÁS EFICAZ DEL SUSTRATO DISMINUYE LA ENERGÍA LIBRE DEL ESTADO DE TRANSICIÓN, LO CUAL ACELERA LA REACCIÓN.

CATÁLISIS ACIDOBASICA• Los grupos químicos pueden hacerse más reactivos añadiendo o eliminando un protón.

• Los lugares activos de las enzimas contienen grupos de las cadenas laterales que actúan como donadores o aceptores de protones. Estos grupos se denominan ácidos generales o bases generales.

• Por ejemplo, la cadena lateral de la histidina (que se denomina grupo imidazol) con frecuencia participa en la catálisis acidobásica concertada debido a que su intervalo de pKa es cercano al pH fisiológicosica. El anillo imidazol protonado puede servir como ácido general y el anillo imidazol desprotonado puede servir como base general:

HIDROLISIS DE UN ESTER

• Los ésteres pueden hidrolizarse de varias formas: (a) catálisis por ioo hidróxido libre, (b) catálisis por base general y (c) catálisis por ácido general

• La hidrólisis del éster puede también ser catalizada por un ácido general .

• Al unirse el oxígeno del grupo carbonjlo del éster al protón, el átomo de carbono se hace más positivo. Entonces el éster se hace más susceptible al ataque nucleófilo por una molécula de agua

• Debido a que el agua es un nucleófilo débil, la hidrólisis de un éster es relativamente lenta en disolución neutra. La hidrólisis del éster tiene lugar mucho más rápidamen- te si aumenta el pH

CATÁLISIS COVALENTE • En algunas enzimas un grupo nucleófilo de una cadena lateral forma un enlace covalente

inestable con un grupo electrófilo en el sustrato. El complejo enzima-sustrato forma entonces el producto

• Una clase de enzimas denominada serina proteasas utllizan el grupo - CH2 - OH de la serina como nucleófiJo para hidrolizar los enlaces peptídicos.

• Ej. de serina proteasas se encuentran las enzimas digestivas tripsina y quimotripsina, y la enzima de la coagulación de la sangre trombina

EJEMPLO:• Durante el Plimer paso, el nucleófilo ataca al grupo carbonilo. Al formarse el enlace éster,

se rompe el enlace peptídico. El intermediario aciloenzima resultante es hidrolizado por el agua en una segunda reacción

FUNCIÓN DE LOS COFACTORES EN LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA

• Las cadenas laterales de los aminoácidos del lugar activo son las responsables principales de catalizar las transferencias de protones en las sustituciones nucleófilas.

• Para catalizar otras reacciones, las enzimas requieren cofactores no proteicos, es decir, cationes metálicos y coenzimas.

• Se presentan las propiedades estructurales y las reactividades químicas de cada grupo.

METALES• Los metales importantes en los seres vivos son de dos clases: metales de transición (ej.,

Fe2+ y Cu2+) y metales alcalinos y alcalinotérreos (ej., Na+, K+, Mg2+ Y Ca2+). Debido a sus estructuras electrónicas, los metales de transición suelen participar en la catálisis

• Varias propiedades de los metales de transición los hacen útiles en la catálisis. Los iones metálicos proporcionan una concentración elevada de cargas positivas que es especialmente útil para la unión de las moléculas pequeñas. Debido a que los metales de transición actúan como ácidos de Lewis (aceptores de pares electróni- cos), son eficaces electrófilos.

EJEMPLO:• cuando el cofactor zé' de la anhidrasa carbónica polariza una molécula de agua, se

forma un grupo Zn2+-OH unido. El grupo OH (que actúa como nucleófilo) ataca al CO2 y lo convierte en HCO)":

COENZIMAS• son moléculas que dan verstilidad a las enzimas porque aportan grupos reactivos que no

están presentes en las cadenas laterales de sus aminoácidos o porque pueden actuar como tranporte de moléculas de sustrato.

• La mayoría de las coenzimas derivan de las vitaminas, se dividen en dos clases: hidrosolubles y Iiposolubles.

EJEMPLO

• La alcohol deshidrogenasa cataliza la oxidación reversible del etanol para for- mar acetaldehído:

• Durante esta reacción, el NAO+ acepta un ion hidruro (un protón sin electrones) del etanol, la molécula de sustrato que va a sufrir la oxidación. Obsérvese que se elimi- nan de las moléculas de sustrato el equivalente a dos átomos de hidrógeno, de forma que se produce un H+, además del ion hidruro

La reducción reversible del NAD+

• La riboflavina (vitamina B2) es un componente de dos coenzimas: mononucleó- tido de flavina (FMN) y dinucle6tido de flavina y adenina (FAD), El FMN Y el FAD actúan como grupos prostéticos firmemente unidos en una clase de enzimas denominadas flavoproteínas Estas en- zimas, que catalizan reacciones de oxidación-reducción, utilizan el grupo isoaloxa- cina del FAD o el FMN como donador o aceptor de dos átomos de hidrógeno. La succinato deshidrogenasa es un ejemplo destacado de flavoproteína. Cataliza la oxi- dación del succinato para formar fumarato, una reacción importante en la producion de energía.

Las flavoproteínas son un grupo diverso de

catalizadores, que actúan como deshidrogenasas, oxidasas e hidroxilasas.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y DEL PH SOBRE LAS REACCIONES CATA LIZA DAS POR

LAS ENZIMAS

TEMPERATURA• las enzimas son proteínas que se desnaturalizan a temperaturas elevadas.

• Cada enzima tiene una temperatura óptima a la que actúa con su máxima eficacia Debido a que las enzimas son proteínas, los valores de temperatura óptima dependen del pH y de la fuerza iónica.

• Si la temperatura se incrementa más allá de la temperatura óptima, la actividad enzimática desciende bruscamente.

Cuanto mayor es la temperatura,

mayor es la velocidad de

reacción.

la temperatura óptima de la

mayoría de las enzimas del ser

humano está próxima a los

37 oc.

PH• La concentración de ion hidrógeno afecta a las enzimas de diversas formas. En primer

lugar, la actividad catalítica está relacionada con el estado iónico del lugar activo

• ejemplo, la actividad catalítica de una determinada enzima requiere la forma protonada del grupo amino de una cadena lateral. Si el pH es lo suficientemente alcalino para que el grupo pierda su protón, la actividad enzimática puede deprimirse.

• Los pH óptimos de las enzimas varían considerablemente. Por ejemplo, el pH óptimo de la pepsina, una enzima proteolítica que se produce en el estómago, es aproximadamente de 2. Para la quimotripsina, que digiere las proteínas en el intesti- no delgado, el pH óptimo es de aproximadamente 8.

Los cambios drásticos del pH frecuentemente conducen a la

desnaturalización.

MECANISMOS DETALLADOS DE LA CATÁLISIS ENZIMATICA

QUIMOTRIPSINA• La quimotripsina es una proteína de 27 000 D que pertenece a las serina proteasas. Los

lugares activos de todas las serina proteasas contienen un conjunto característico de residuos de aminoácido. En la guimotripsina son His 57, Asp 102 y Ser 195.

• El residuo de serina del lugar activo desempeña un papel especialmente importante en los mecanismos catalíticos de este grupo de enzimas.

• La eliminación del protón del grupo OH de la serina la convierte en un nuc!eófilo más eficaz. La guimotripsina cataliza la hidrólisis de los enlaces peptídicos adyacentes a los aminoácidos aromáticos.

• El Paso (a) de la figura muestra el complejo inicial enzima-sustrato. El Asp 102, la His 57 y la Ser 195 están alineados. Además, el anillo aromático del residuo de feniJalanina del sustrato está asentado en un bolsillo de umón hidrófobo, y el enlace peptídico del sustrato tiene un enlace de hidrógeno con los grupos NH amida de la Ser 195 y la Gly 193. El oxígeno del hidroxilo nucleófilo de la Ser 195 desencadena un ataque oucleófilo sobre el carbono carbonilo del sustrato. El oxia- ni6n, que se forma al moverse la carga negativa hacia el oxígeno del carbonilo, está estabilizado por enlaces de hidrógeno con el NH amida de la Ser 195 y la Gly 193. El intermediario tetraédrico, que se muestra en el Paso (b), se descompone para formar el intermediario acil-enzima unido covalentemente (Paso c). La His 57, ac- tuando como ácido general, se cree que facilita esta descomposición. En los Pasos (d) y (e), se invierten los dos pasos previos. Con el agua actuando como nucleófilo atacante, se forma un intermediario tetraédrico (oxianión). En el Paso (f) (el com- plejo final enzima-producto) se ha roto el enlace entre el oxígeno de la serina y el carbono carbonilo. La serina vuelve a formar un enlace de hidrógeno con la His 57.

ALCOHOL DESHIDROGENASA• Recuerde que la alcohol deshidrogena- sa, una enzima que se encuentra en la mayoría

de las células eucariotas (p. ej., hígado de los animales, hojas de las plantas y levaduras), cataliza la oxidación rever- sible de un alcohol para formar un aldehído:

• En esta reacción, en la que se eliminan dos electrones y dos protones, la coenzima NAO actúa como aceptor electrónico. El lugar activo de la alcohol deshidrogenasa contiene dos residuos de cisteína (Cys 48 y Cys 174) y un residuo de histidina (His 67), todos ellos coordinados con un ion Zn. Tras la unión del NAO+ al lugar activo, entra el sustrato etanol y se une al Zn2+ como anión alcoholato . El efecto electrostático del Zn2+ estabiliza el estado de transición.

REGULACIÓN ENZIMÁTICA

• Los seres vivos han producido mecanismos sofisticados para regu lar las rutas bioqu ímicas. La regulación es esencial por varias razones:

• 1. Mantenimiento de un estado ordenado. La regulación de cada ruta da lugar a la producción de las sustancias que se requieren para mantener la estructura y función de la célula de una forma conveniente y sin desperdiciar los recursos.

• 2. Conservación de la energía. Las células controlan constantemente las reacciones que generan energía, de forma que consumen los nutrientes suficien-tes para satisfacer sus requerimientos energéticos.

• 3. Respuesta a las variaciones ambientales. Las células pueden realizar ajus- tes relativamente rápidos de las variaciones de temperatura, pH, fuerza ióni- ca y concentración de nutrientes debido a que pueden aumentar o disminuir las velocidades de reacciones específicas.

• La regulación de las rutas bioquímicas es compleja. Se consigue principal mente ajustando las concentraciones y las actividades de determinadas enzimas.

• El control se realiza por:

• (1) control genético

• (2) modificación covalente

• (3) regulación alostérica

• (4) compartimentalización.

• Control genético

• La síntesis de las enzimas como respuesta a las variaciones de las necesidades meta- bólicas, un proceso que se denomina inducción enzimática, permite a las células responder de forma eficaz a las variaciones del ambiente

• La síntesis de determinadas enzimas también puede inhibirse de forma específi- ca. En un proceso que se denomina represión, el producto final de una ruta metabóli- ca puede inhibir la síntesis de una enzima clave de la ruta.

• Modificación covalente

• Algunas enzimas se regulan por la interconversión reversible entre sus formas activa e inactiva. Estos cambios de la función están producidos por diversas modificacio- nes covaJentes. Muchas de estas enzimas poseen residuos específicos que pueden estar fosforilados y desfosforilados.

• Varias enzimas se sintetizan y almacenan en forma de precursores inactivos denominados proenzimas o zimógenos. Los zimógenos se convierten en las en- zimas activas por la rotura irreversible de uno o varios enlaces peptídicos

• Regulación alostéríca

• En cada ruta bioquímica hay una o varias enzimas cuya actividad catalítica puede modularse en respuesta a las necesidades celulares. Estas enzimas reguladoras nor- malmente catalizan el primer paso de la ruta

• Existen dos estrategias principales para controlar las enzimas reguladoras: la modificación covalente y la regulación alostérica.

• Las células utilizan la regulación alostérica para responder de forma eficaz a determinadas variaciones de las condiciones intracelulares. Recuerde que las enzimas alostéricas habitualmente están formadas por varios protómeros cuyas propie- dades están afectadas por moléculas efectoras.

• Los efectos alostéricos pueden ser positivos o negativos. Recuerde que las curvas de unión de las enzimas alostéricas son sigmoideas. La unión de un efector desplaza la curva hacia una actividad mayor o menor, dependiendo de si es un activador o un inhibidor

• El CTP actúa como inhibidor de la acti vidad ATCasa. Éste es un ejemplo de retroinhibición negativa, un proceso en el que el producto de una ruta inhibe la actividad de la enzima que marca el ritmo de la ruta

• En el modelo secuencial, se supone que la proteína es flexible. La unión de un ligando a un protómero en una proteína con valias subunidades produce un cambio de conformación que se transmite a los protómeros adyacentes. El modelo secuen- cial más sofisticado (Fig. 6.24) permite las conformaciones intermedias que se supo- ne son una situación más real que las conformaciones del modelo concertado más sencillo. También se ha observado la cooperatividad negativa.

GRACIAS