9. Tema Enzimas

UNIDAD N° 1:

Tema 7:

ENZIMAS 

Profesor Auxilar Aux ilar T.C. Area Biología Departamento Departam ento Académico Académic o de Ciencias - UPAO UPAO

TEMA 5. ENZIMAS       

Características generales. Cofactor. Clasificación. Especificidad. Sitio catalítico. Cinética enzimática. Factores que afectan la actividad enzimática.

ENZIMAS 

Las enzimas son los catalizadores de las reacciones de los sistemas biológicos.

•

Cumplen con las siguientes características: a) Son termolábiles y su actividad depende en ciertos casos casos del pH del medio.

b) El reconocimiento de la enzima con el reactivo reactivo a procesar (denominado (denominado sustrato) es altamente específico. c) Tienen gran eficiencia, eficiencia, es decir, transforman un gran número de moléculas de sustrato por unidad de tiempo. d) Están sujetas a una una gran variedad de de controles celulares, genéticos genéticos y alostéricos.  Aceleran notablemente la velocidad v elocidad de una reacción química y cumplen con las siguientes características: 1) Son efectivas cantidades

en

pequeñas

2) No sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis. 3) Disminuyen la E° de activación.

NOMENCLATURA DE LAS ENZIMAS 

En muchos casos, el nombre termina en  –asa



El nombre comun para una hidrolasa es derivado del sustrato







Urea: remueve -a, se reemplaza con -asa = ureasa



Lactosa: remueve -osa, se reemplaza con -asa = lactasa

Otras enzimas se nombran por el sustrato y la reacción catalizada 

Lactato deshidrogenasa



Piruvato descarboxilasa

 Algunos nombres son son históricos - no directamente relacionados al sustrato o tipo de reacción 

Catalasa



Pepsina



Quimotripsina



Tripsina

CLASIFICACION CLASIFICAC ION DE LAS ENZIMAS CLASE 1: OXIDORREDUCTASAS (E.C. 1) Catalizan reacciones de oxido-reducción, y con frecuencia utilizan coenzimas como el NAD, FAD o lipoato. - Deshidrogenasas

- Oxidasas

- Oxigenasas

- Reductasas

- Peroxidasas

- Hidroxilasas

 Alcohol deshidrogenasa

CLASE 2: TRANSFERASAS (E.C. 2) Catalizan la transferencia de un grupo de átomos desde un sustrato a otro. Los grupso que con más frecuencia son transferidas son grupos: amino, acilo, fosfato, etc. - Transaminasas

Hexoquinasa

- Transmetilasas

- Transcarboxilasas

- Quinasas

CLASE 3: HIDROLASAS (E.C. 3) Cataliza reacciones en la que el sustrato es escindido siendo sus fragmentos transferidos a los componentes del agua (OH y H). Implican la rotura hidrolítica de enlaces C-O, C-N, O-P y C-S. - Carbohidrasas

- Esterasas

- Fosfatasas

- Peptidasas

CLASE 4: LIASAS (E.C. 4) Catalizan reacciones en la que se eliminan grupos (por ej, H2O, NH3, CO2, para formar un doble enlace o se añaden a un doble enlceaces C-C, C-N y C-O, y con pérdida de grupos funcionales simultánea a la aparición de dobles enlaces.

- Descarboxilasas Descarboxilas as

- Hidratasas

- Liasas

- Sintasas

- Desaminasas

CLASE 5: ISOMERASAS (E.C. 5) Catalizan la interconversión de isómeros de cualquier tipo, ópticos, geométricos o de posición. - Epimerasa - Racemasa - Mutasa

CLASE 6: LIGASAS (E.C. 6) Participan en reacciones en las que se unen dos moléculas a expensas de un enlace fosfato de alta energía procedente del ATP. - Tiocinasa

- Carboxilasa

- Sinetetasa

NATURALEZA QUIMICA DE LAS ENZIMAS • Casi todas las enzimas son de naturaleza proteica •  Algunas enzimas requieren cofactores para su funcionamiento. • Las coenzimas se va a unir a la enzima bien de forma débil y temporal o en otros casos de forma permanente y covalente (grupo prostético).

Holoenzima

=

Apoproteína Peso molecular 

Termolábil No dializa

+ Cofactor (Coenzima o ión metálico) ↓ Peso molecular 

Mg²+

Mn²+

Termorresistente Dializa

Fe²+

Moléculas orgánicas complejas

Zn²+

Los iones metálicos son importantes en la catálisis porque: 1.

Propor Proporcio cionan nan una una conce concentr ntració ación n elevad elevada a de carga cargas s positiv positivas as que que es espe especial cialmen mente te útil útil para la unión de moléculas pequeñas.

2.

Ayuda Ayudan n al al sust sustrat rato o a orie orienta ntarse rse dentro dentro del sitio sitio catalí catalític tico. o.

3.

Como Como los los met metal ales es de tran transi sici ción ón (p.e (p.ej. j. Fe 2+ y Cu2+ ) tienen dos o más estados de valencia, pueden actuar como mediadores en las reacciones de óxido-reducción.

ION MET METALICO ALICO

ENZIMA

Cu 2+

Citocromo oxidasa

Fe 2+ o Fe 3+

Ctalasa, peroxidasa

Mg 2+

Hexoquinasa, Glucosa 6- fosfatasa

Mn

 Arginasa, Ribonucléotido reducatasa

Ni 2+

Ureasa

Se

Glutation peroxidasa

Zn 2+

 Alcohol deshidrogenasa, deshidrogenasa,  Anhidrasa carbónica, Carboxipeptidasa

Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD)

Adenosin trifosfato (ATP) (ATP)

CATALISIS ENZIMATICA • La enzima se une efectivamente al o a los sustratos, formando un complejo transitorio (ES), mediante una reacción reversible, cuya energía de activación es menor que la de la reacción no catalizada. •

Las modificaciones que puede experimentar la molécula de la enzima durante dicha unión son pasajeras, ya que aparece inalterada al final de la reacción. El proceso ecuación:

puede

representarse

E + S  ES  EP



E+P

con

la

E + S  ES  EP



E+P

SITIO CATALITICO 

El sitio catalítico, centro activo o centro de fijación del sustrato, es una pequeña grieta o hendidura en una molécula proteica grande, donde se fija el sustrato.



La estructura terciaria de la enzima está plegada de tal manera que se origina una región con las dimensiones moleculares idóneas para acomodar un sustrato específico.



Contiene varias cadenas laterales de aminoácidos que participan activamente en forma directa para formar o romper enlaces del sustrato



Los aminoácidos que están presentes son: serina, histidina, cisteína, lisina, aspartato y glutamato

MECANISMOS DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 1.

Efec Efecto tos s de de pro proxi ximi mida dad d y orie orient ntac ació ión n Las enzimas logran en su centro activo una concentración local de reactivos mucho mayor que cuando éstos están en solución (efecto de proximidad)  Además, la fijación al centro activo se hace en la orientación correcta.

2. Efectos de torsión distorsión Una vez unido el S al E, es forzado a modificar su estructura y adopta una más próxima al estado de transición

3. Existencia de grupos funcionales catalíticos en el centro activo del enzima

ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS 



Es la capacidad de una enzima de unirse solo a uno, o a muy pocos sustratos, thereby catalizando solo una unica reacción. Compare estas 2 reacciones: Ureasa es muy específica o tiene un alto grado de especificidad

La especificidad puede ser: • Absoluta: enzima reacciona con solo un sustrato • Grupo: enzima cataliza la reacción de moléculas con el mismo grupo funcional • Enlace: enzima cataliza la formacion o ruptura de solo cierto tipo de enlace • Estereoquímico: enzima reconoce solo uno de dos enantiómeros

TEORÍAS DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA MODELO DE LLAVE Y CERRADURA (Emil Fischer) • El sustrato y la enzima se aco-

plan de forma estereoespecífica, de la misma manera que una llave se ajusta a su cerradura.

TEORIA DEL AJUSTE INDUCIDO (Koshland) • Considera a la enzima como una estruc-

tura dotada de plasticidad y flexibilidad. • Cuando el sustrato se une a la enzima,

induce cambios conformacionales en la molécula de ésta, que recién entonces acomoda los grupos funcionales críticos para asegurar la ubicación más efectiva.

FACTORES QUE MODIFICAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 1. CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO Si se mantiene constante la concentración de la enzima y se varia la concentración de sustrato se obtiene una curva hiperbólica como la de la figura.  Al principio un aumento de la concentración de sustrato produce un aumento rápido de la velocidad de reacción, pero si se sigue aumentando la concentración de sustrato, la velocidad comienza a disminuir y a muy altas concentraciones de sustrato se observa que no cambia la velocidad de reacción, se dice que los sitios catalíticos de la enzima se encuentran saturados.

L

2. CONCENTRACIÓN DE LA ENZIMA La velocidad inicial es proporcional a la concentración de enzima. Esta es la situación en la mayoría de los casos, donde en los gráficos velocidad versus concentración total de enzima se obtiene una recta que pasa por el origen

3. EFECTO DE LA TEMPERATURA Si bien el aumento de la temperatura incrementa la velocidad de una reacción catalizada por una enzima esto resulta válido sólo en un intrevalo de T° estrictamente limitado. Inicialmente, la velocidad de reacción se incrementa conforme la T° aumenta, debido al incremento de la energía cinética de las moléculas reactantes. Finalmente, sin embargo, la E° cinética de la enzima excede la barrera energética, para la ruptura de los enlaces débiles, los cuales conservan la estructura secundaria, terciaria de dicha enzima, provocando la desnaturalización. Temperatura óptima para una típica enzima humana

Temperatura óptima para enzima de termófila (Bacteria termotolerante)

   d   a    d    i   v    i    t   c    A

0

20

40

Temperatura (Cº)

Temperatura óptima para dos enzimas

80

100

4. EFECTO DEL PH Para la mayoría de las enzimas, la actividad óptima se encuentra entre valores de pH de 6 a 8. Por debajo o por encima de esos valores, la velocidad de reacción cae más o menos rápidamente. Se sabe que los cambios de pH del medio afectan el estado de ionización de ciertos grupos funcionales en la molécula de la enzima y también en la del sustrato.

Por otra parte, los pH extremos provocan desnaturalización de la molécula enzimática, con la consiguiente inactivación. ENZIMA Fosfatasa alcalina Lipasa pancreática Quimotripsina Tripsina Catalasa Carboxipeptidasa  Amilasa salival Fosfatasa ácida Pepsina

pH óptimo para pepsina (enzima del estómago

pH 9.5 8.0 8.0 7.9 7.6 7.5 6.8 5.0 1.5

pH óptimo para tripsina (enzima intestinal)

   d   a    d    i   v    i    t   c    A

0

1

2

3

4

pH óptimo para dos enzimas

5

6

7

8

9

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA INHIBICIÓN REVERSIBLE: REVERSIBLE: INHIBICION NO COMPETITIV COMPETITIVA. A. El inhibidor se une a la enzima en un lugar de la molécula diferente del sitio catalítico, a menudo deformándola de modo que ésta no forme el complejo ES a su velocidad normal. - No existe competencia entre entre el sustrato y el inhibidor inhibidor.. - El Inhibidor presenta presenta poco parecido parecido estructural o ninguno con el S. - Ej. Isoleucina que actúa sobre enzima treonina deshidratasa

Vmax diferente KM igual

INHIBICIÓN REVERSIBLE: INHIBICION COMPETITIV COMPETITIVA: A: El inhibidor puede combinarse con la enzima libre, de tal modo que compite con el sustrato normal por unirse al sitio catalítico. La estructura química de un inhibidor (I), por lo general es semejante a la del sustrato (S). El inhibidor se combina de manera reversible, con la l a E para formar un complejo EI. Una característica de este tipo de inhibición está dada por el hecho de que puede ser  revertida aumentando la concentración de sustrato.

La sulfamida compite con el ácido para amino benzoico (PABA) (PABA) por la enzima dihidropteroato sintetasa, lo que porduce como resultado la formación de un producto que contiene sulfanil amida, que no puede ser transformado en ácido fólico.

Metotrexato (antileucémico) 

 Análogo estructural del tetrahidrofolato.



Inhibe la dehidrofolato reductasa, una enzima esencial en la vía de la biosíntesis de bases nitrogenadas (timidina monofosfato).



Se une 1000X mejor que el sustrato natural.



Las células leucémicas no se pueden dividir.



Etanol por anticongelante venenoso Inhibidor competitivo de la enzima alcohol deshidrogenasa



O

 Alcohol dehydrogenase

HO OH

HO

HO

O

O

O

OH

HO OH

ethylene glycol

glycoaldehyde

glycolic acid

O

glyoxylic acid

O

OH

oxalic acid

INHIBICION IRREVERSIBLE El inhibidor irreversible forma un enlace covalente estable con la enzima (ej. alquilacion or acilacion de la cadena lateral de un sitio activo) Nombre

Estructura

Fuente

Acción Inhibitoria

Cianuro

Almendras amargas

Se une a iones metálicos de enzimas de la cadena respiratoria

Sarin

Gas nervioso

Similar a Diisopropilfluorofosfato

Paratión

Insecticida

Similar a Diisopropilfluorofosfato

Penicilina

Hongo

Inhibe enzima que participa en síntesis de la pared celular  bacteriana

 Penicillium

Tokyo, 1995

INHIBICIÓN IRREVERSIBLE:

PROENZIMAS Varias enzimas se sintetizan y almacenan en forma de precursores inactivos denominados proenzimaso zimógenos. Los zimógenos se convierten en enzimas activas por la rotura irreversible de uno o varios enlaces peptídicos.

Zimógeno

Activador

Enzima

Proelastasa

Tripsina

Elastasa

Tripsinógeno

Tripsina

Tripsina

Quimotripsinógeno A

Tripsina + quimotripsina

Quimotripsina

Pepsinógeno

pH ácido + pepsina

Pepsina

Procarboxipeptidasa

Tripsina

Caroboxipeptidasa A, Carboxipeptidasa B

ENZIMAS NO CONVENCIONALES RIBOZIMAS Son moléculas de RNA que pueden tener capacidad catalítica y comportarse como biocatalizadores muy activos.

ABZIMAS Son anticuerpos que tienen propiedades catalíticas.

SINZIMAS Son enzimas artificiales.

ISOENZIMAS (ALOENZIMAS) Son formas moleculares distintas de una enzima, resultante de la presencia de más de un gen codificando cada una de estas formas moleculares en el genoma de un organismo.

Localización de las isoenzimas. 1.

2.

3.

4.

En la misma célula y en el mismo compartimento, compartimento, como ocurre con las isoenzimas de la enzima Lactato deshidrogenasa que se encuentra en todo el citosol. En la misma célula pero en diferentes compartimentos, como es el caso de Glutamato oxalacetato transaminasa que se encuentra en el citosol y en las mitocondrias. En diferentes tejidos de un mismo organismo, como es el caso de Glutaminasa activada por fosfato de la que existen dos tipos: tipo riñón (K) y tipo hígado (L). En el mismo individuo y en el mismo tejido, pero en diferentes fases del desarrollo, como es el caso de la Piruvato quinasa de la que se conocen dos formas: la fetal y la adulta.