ENZIMAS Y ACTIVIDAD ENZIMATICA

Profesores: Mauricio Torres G.

Patricia Mackenney

ENZIMAS

Son catalizadores eficaces y muy específicos

• Aceleran notablemente una reacción.• Aceptan sustratos (moléculas que sufrirán las

reacciones) altamente específicos , es decir catalizan una sola reacción o un grupo pequeño de reacciones muy parecidas.

• Permiten que los equilibrios químicos se establezca n muy rápido.

• Las enzimas son de naturaleza proteíca, a excepción de un grupo de RNAs catalíticos ( Ribozimas ).

• La actividad catalítica de las enzimas, depende de la integridad de su conformación nativa

Descubrimiento de las ENZIMAS

1897: Eduard Buchner demuestra que el extracto de levadura puede fermentar azúcar a alcohol

1926: James Sumner aisló y cristalizó la enzima ureasa encontrando que era una proteína. Postula que todas las enzimas son proteínas.

1930: J.B.S Haldane sugiere en su tratado “Enzimas”que interacciones débiles entre la enzima y el sustrato podrían ser usadas para distorsionar a éste último e inducir la catálisis.

ENZIMAS

ENZIMA: son proteínas que catalizan reacciones químicas.

SUSTRATO: es la molécula que se une al sitio activo de la enzima generando un complejo enzima-sustrato. La enzima transforma el sustrato en un producto que esliberado, dejando el sitio activo libre para recibir otro sustrato.

E + S ⇌⇌⇌⇌ ES → EP ⇌⇌⇌⇌ E + P

ENZIMAS

Aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.

Para que una reacción se lleve a cabo las moléculas deben alcanzar un estado energético determinado (energía de activación).

ENZIMAS

La temperatura aumenta el estado energético de las moléculas, superando la energía de activación

Sin embargo, las enzimas se desnaturalizan a esa temperatura y la energía debe venir de otra reacción, lo que aumenta el gasto energético.

ENZIMAS

Aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.

ENZIMAS

Aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.

En ausencia de la enzima, la reacción tomaría mucho tiempo en ocurrir.

ENZIMAS: Anhidrasa carbónica

Ácido carbónico

La enzima Anhidrasa carbónica cataliza esta reacción a una velocidad de 10 millones de

veces más rápida que sin enzima

ENZIMAS: tasa de aumento

Nomenclatura de enzimas

• Nomenclatura histórica:– SUSTRATO + SUFIJO(asa)

(Ej. ureasa)

– SUSTRATO + ACTIVIDAD + SUFIJO(asa)(Ej. glucoquinasa)

– DONADOR + ACEPTOR + ACTIVIDAD + SUFIJO(asa)

(Ej. oxalacetilaminotransferasa)

Clasificación de enzimas

• Se clasifican de acuerdo al tipo de reacción que catalizan. Existen seis grandes grupos de enzimas:

• Oxidoreductasas (reacciones de óxido-reducción)

• Transferasas (transfieren un grupo de una molécula a o tra)

• Hidrolasas (hidrolizan)

• Liasas (separan o adicionan moléculas)

• Isomerasas (transfieren grupos intramolecularmente)

• Ligasas (unen dos moléculas a expensas de la hidróli sis del ATP)

Clasificación de enzimas

Sin transferencia de hidrógenos

• Regulan reacciones REDOX

• Existen dos tipos esenciales:

• Con transferencia de hidrógenos

• Sin transferencia de hidrógenos

1. OXIDORREDUCTASAS

Con transferencia de hidrógenos

Reacciones redox que ocurren en la mitocondria

Clasificación de enzimas

2. TRANSFERASAS

• Transfieren grupos funcionales

Clasificación de enzimas

3. HIDROLASAS

•Ruptura de enlaces por medio de agua

Clasificación de enzimas

4. LIASAS

•Ruptura o formación de moléculas sin intervención de agua.

•Suele producirse adición a dobles enlaces: C=C, C=O, C=N

Clasificación de enzimas

5. ISOMERASAS

Cambio de posición de grupos dentro de la molécula

Clasificación de enzimas

6. LIGASAS O SINTETASAS

Formación de enlaces dependiente de ATP

Clasificación de enzimas

• Enzimas simplesEnzimas simples: Son aquellas que para su funci: Son aquellas que para su funcióón n catalcatalíítica no necesitan tica no necesitan cofactor o coenzimacofactor o coenzima..

•• Enzimas conjugadasEnzimas conjugadas: Enzimas que necesitan para : Enzimas que necesitan para su catsu catáálisis una lisis una coenzima o cofactor.coenzima o cofactor.

•• Una enzima junto a su coenzima y/o cofactor se Una enzima junto a su coenzima y/o cofactor se designa como designa como holoenzimaholoenzima. La regi. La regióón n proteproteíícaca de tal de tal enzima se denomina enzima se denomina apoenzimaapoenzima o o apoproteapoproteíínana. . Cuando la coenzima o iCuando la coenzima o ióón metn metáálico se unen lico se unen covalentementecovalentemente a la enzima, constituye un a la enzima, constituye un grupo grupo prostprostéético.tico.

•• Isoenzima:Isoenzima: Distinta estructura, misma funciDistinta estructura, misma funcióónn

Clasificación de enzimas

Metal

Clasificación de enzimas

Cofactores enzimáticos

• Pueden ser moléculas orgánicas pequeñas no peptídicas o iones inorgánicos

Apoenzima + cofactor = holoenzima

• Iones metálicos que son cofactores: Zn+2 (anhidrasacarbónica), Se (glutatión peroxidasa), Mg+2

(hexoquinasa), Fe+2 (citocromos)

• Los cofactores que son moléculas orgánicas pequeñas se llaman coenzimas. Si la coenzima estáunida fuertemente a la proteína se llama grupo prostético

Cofactores enzimáticos

A menudo las vitaminas son precursores de los cofactores:

COFACTOR FLAVÍNICO FAD

Cofactores enzimáticos

A menudo las vitaminas son precursores de los cofactores:

COFACTOR NICOTINAMÍDICO (NAD+)

El sitio activo de una enzima

Sitio ActivoSitio ActivoExisten reacciones quExisten reacciones quíímicas micas intracelulares que se intracelulares que se presentan en condiciones presentan en condiciones desfavorables. Sin embargo desfavorables. Sin embargo las enzimas solucionan el las enzimas solucionan el problema al proporcionar un problema al proporcionar un ambiente, donde una reacciambiente, donde una reaccióón n determinada es determinada es energenergééticamente mticamente máás s favorable. favorable. Binding of a substrate to an Binding of a substrate to an

enzyme at the active site.enzyme at the active site.

El sitio activo de una enzima

Es un ambiente favorable para que la reacciEs un ambiente favorable para que la reaccióón se produzca.n se produzca.

Especificidad del sitio activo

Especificidad del sitio activo

El sitio activo reconoce isómeros ópticos de las moléculas

Especificidad de enzimas

Ej: Enzimas proteolíticas: rompen enlaces peptídicos

Especificidad de enzimas

(A) Tripsina:enzima digestiva

(B) Trombina:enzima que participa en la coagulación sanguínea

(C) Subtilisina: rompe todos los enlaces peptídicos, independientemente de su naturaleza

Algunas enzimas proteolíticas:

ENZIMAS y MEDICINA

EnzimaEnzima AlteraciAlteraci óónn PatologPatolog ííaa

LactasaLactasa InhibiciInhibicióón de su sn de su sííntesis ntesis Intolerancia a la lactosaIntolerancia a la lactosa

Glucosa 6PGlucosa 6P--DeshidrogenasaDeshidrogenasa

Diversas mutacionesDiversas mutaciones FavismoFavismo (Destrucci(Destruccióón n eritrocitariaeritrocitaria))

ALT, GPT ALT, GPT (transaminasas)(transaminasas)

Aumento en los niveles Aumento en los niveles plasmplasmááticosticos

Indicio de ataque cardIndicio de ataque cardííaco aco o falla hepo falla hepááticatica

TirosinasaTirosinasa Deficiencia en la Deficiencia en la ssííntesis de Melanina a ntesis de Melanina a

partir de tirosinapartir de tirosina

AlbinismoAlbinismo

Fenilalanina Fenilalanina hidroxilasahidroxilasa

ConversiConversióón de n de fenilalanina a tirosinafenilalanina a tirosina

FenilcetonuriaFenilcetonuria

Velocidad y equilibrio de una reacciVelocidad y equilibrio de una reacci óón enzimn enzim ááticatica

• E + S ES EP E + P

• La función de un catalizador es aumentar la velocidad de reacción.

• Los catalizadores NO modifican los balances energéticos ni los equilibrios de reacción (energía inicial y energía final).

• Cualquier reacción tal como S P, se puede describir por un diagrama de reacción coordinada.

ENZIMAS

Aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.

En ausencia de la enzima, la reacción tomaría mucho tiempo en ocurrir.

CinCin éética Enzimtica Enzim ááticatica

Estudio de velocidad y equilibrio de reacciones

TeorTeor íía de a de MichaelisMichaelis --MentenMenten

• Desarrollada en 1913 explica la acción y cinética de las enzimas. Supone que E se combina con S para formar el complejo E-S, el cual se escinde para formar E + P.

• El complejo E-S es una estructura intermedia entre el sustrato y el (los) producto(s). Esta estructura se denomina estado de transición.

•Cuando se alcanza el estado de transición se dice que el sustrato está activado, y el complejo pasa a ser E-S*.

•Luego la reacción puede ocurrir muy fácilmente para dar los productos, que normalmente “desencajan” con la enzima y son liberados al medio

Poder catalPoder catal íítico y la especificidadtico y la especificidad

•• Durante una reacciDurante una reaccióón catalizada ocurren muchas n catalizada ocurren muchas reacciones qureacciones quíímicasmicas entre grupos funcionales de S y E. entre grupos funcionales de S y E. Los grupos funcionales catalLos grupos funcionales catalííticos podrticos podríían formar enlaces an formar enlaces covalentes transientes o se podrcovalentes transientes o se podríían transferir algunos an transferir algunos grupos desde el S hasta E. Estas reacciones grupos desde el S hasta E. Estas reacciones disminuirdisminuiríían an la energla energíía de activacia de activacióónn de la reaccide la reaccióón.n.

•• Gran parte del Gran parte del poder catalpoder catalííticotico de las enzimas deriva de de las enzimas deriva de la la energenergíía libre liberadaa libre liberada en la formacien la formacióón de mn de múúltiples ltiples enlaces denlaces déébiles e interacciones no covalentes entre la biles e interacciones no covalentes entre la enzima y su sustrato.enzima y su sustrato.

•• La interacciLa interaccióón entre E y S (n entre E y S (Complejo EComplejo E--SS) es mediada ) es mediada por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura de por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura de la protela proteíína.na.

Definiciones termodinDefiniciones termodin áámicasmicas

•• La La velocidad de una reaccivelocidad de una reaccióónn es determinada por es determinada por la la concentraciconcentracióón de los reactantesn de los reactantes, y por una , y por una constante de velocidad (constante de velocidad (kk).).

•• V = V = kk[S[S]] ReacciReaccióón de 1n de 1ºº óórdenrden

•• V = V = kk[S[S11][S][S22]] ReacciReaccióón de 2n de 2ºº óórdenrden

•• La concentraciLa concentracióón de la enzima [E] es n de la enzima [E] es despreciable en una reaccidespreciable en una reaccióón catalizada.n catalizada.

CinCin éética Enzimtica Enzim ááticatica

La velocidad de reacción de una enzima depende de la concentración del sustrato

A concentraciones

bajas del sustrato, la

velocidad de la reacción

aumenta si aumenta el

sustrato

A concentraciones altas

del sustrato, la

velocidad de la reacción

es constante

TeorTeor íía de a de MichaelisMichaelis --MentenMenten

•La ecuación de Michaelis-Menten es la ecuación de velocidad para las reacciones catalizadas por enzimas frente a un sustrato. Cuando la velocidad inicial es exactamente igual a la mitad de la velocidad máxima, se deduce que la concentración de sustrato es igual a la constante Km.

Km es la constante de Michaelis y Menten

TeorTeor íía de a de MichaelisMichaelis --MentenMenten

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• Es necesario regular la actividad enzimática para que haya un

equilibrio de sustratos y productos. La regulación puede ser por

inhibición o activación de la actividad enzimática.

•Por ej. ¿qué pasaría si el proceso de coagulación no se regulara?

• Existen varias formas de regular la actividad enzimática:

•pH, temperatura, disponibilidad cofactores, retro-inhibición.

•La regulación alostérica.

•Unión de una molécula específica (Fosforilación).

•Regulación proteína-proteína.

•Síntesis de Pro-enzimas.

• Regulación por pH:

Cada enzima tiene su pH óptimo de trabajo

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• Regulación por temperatura:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

La velocidad enzimática aumenta con la T hasta un valor crítico en el que la proteína se inactiva por

desnaturalización

• Regulación alostérica: inhibición o activación.

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

La unión no covalente de una molécula a la enzima, en un sitio diferente del centro activo (sitio alostérico ) provoca un cambio conformacionalque modifica la afinidad de la enzima por el sustrato.

El regulador alostérico puede ser activador o inhibidor

• Regulación alostérica por efecto cooperativo:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

Hemoglobina: al unirse las primeras moléculas de oxígeno se

producen cambios conformacionales que promueven la incorporación

de otras moléculas de oxígeno

Mayor afinidadMenor afinidad

• Regulación alostérica por efecto cooperativo:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

•La máxima velocidad de reacción se da cuando varios sustratos se han

unido. La unión del primer sustrato “facilita” la unión del segundo y se

facilita más la unión del tercer sustrato, etc. Este fenómeno se denomina

efecto cooperativo.

Proteína poco

activa

Proteína muy

activa

• Regulación alostérica por efecto cooperativo:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

Las enzimas alostéricas son grandes, oligoméricas y su cinética no se ajusta a la curva de Michaelis-Menten.

Pueden tener un efecto cooperativo positivo o negativo :

• Regulación alostérica por retro-inhibición:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

El producto final de una ruta metabólica puede inhibir el primer paso de la síntesis.

• Regulación no alostérica:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• El inhibidor o activador actúa sobre el centro activo.

• La enzima muestra una cinética de Michaelis-Menten, aunque alterada respecto de la gráfica normal.

• Puede ser:

• IRREVERSIBLE: si el enzima queda modificado covalentemente, alterando su estructura terciaria. Su reversión requiere la acción enzimática.

• REVERSIBLE: La inactivación no es permanente.

• Ej. Inhibición irreversible:

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

–Ejemplo: ligandos de coordinación de metales :• Cianuro : bloquea el Fe hemínico de la citocromoxidasa –enzima de la cadena respiratoria-, impidiendo toda modificación posterior, por lo que es muy tóxico• Agentes quelantes (EDTA): tetracetato de etilendiamina: quelación del calcio en la aterosclerosis; eliminación de metales pesados (Pb) de aguas, suelos y sangre; detergente, anticoagulante (captura calcio) e inactivación de enzimas que afectan al ADN

• INHIBICIÓN REVERSIBLE :

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

-La inactivación no es permanente.-Según su modo de actuación puede ser:

-Competitiva-No competitiva

• INHIBICIÓN COMPETITIVA– El inhibidor se fija al centro activo de la enzima libre,

impidiendo la fijación del substrato.– Los inhibidores compiten con el sustrato por el centro

activo, debido a su similar estructura espacial.– Se revierte su efecto aumentando la concentración de

sustrato.

• EJ. INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA :

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

COO-

CH2

CH2

COO-

FAD FADH2COO-

CH

CH

COO-

Succinato Fumarato

SDH

COO-

CH2

COO-

Malonato

COO-

C O

CH2

COO-

Oxalacetato

Inhibición de la succinato deshidrogenasa por malon ato u oxalacetato

• EJ. INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA :

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

Inhibición de la succinato deshidrogenasa por oxala cetato

COO-

CH2

CH2

COO-

Succinato

COO-

C O

CH2

COO-

Oxalacetato

• INHIBICIÓN REVERSIBLE NO COMPETITIVA :

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

– 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.

– Esta inhibición se caracteriza por que no se puede revertir el efecto del inhibidor, aumentando la concentración del substrato.

– Ejemplo : inhibición de la deshidrogenasa del gliceraldehido-3-fosfato por la yodo-acetamida:

Enzima-SH + I-CH2 - CONH2 Enzima-S-CH2 - CONH2 + IH

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• CINÉTICA DE LA INHIBICIÓN REVERSIBLE :

-Un inhibidor competitivo cambia la Km y no la Vmax.

-Un inhibidor no competitivo cambia la Vmax y no la Km.

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• Pro-enzimas o zimógenos :

Algunas enzimas se biosintetizan inicialmente inacti vadas y se activan cuando eliminan una parte del polipéptid o. Estas enzimas se conocen como zimógenos o proenzimas. La eliminación del polipéptido es irreversible.

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• Pro-enzimas o zimógenos :

El paso de zimógeno a

enzima activa se produce

cuando se rompe un enlace

peptídico específico por

acción de otra enzima,

como la enteropeptidasa en

el sistema digestivo

RegulaciRegulaci óón de la actividad enzimn de la actividad enzim ááticatica

• Pro-enzimas o zimógenos :

Cascada de activación de zimógenos por corte proteol ítico

ISOENZIMAS

• Es un modo de regulación que consiste en la existencia de distintas formas moleculares de una misma enzima que presentan o muestran especificidad por el mismo sustrato y realizan la misma función .

• Su distribución varía con los tejidos y la localización subcelular , de forma que unas se encuentran en el citoplasma, otras en las mitocondrias, algunas en cloroplastos, etc.

• Se diferencian entre sí por su composición de aminoácidos, al estar codificadas por genes distintos(con un origen evolutivo común, por duplicación génica)

Ej. DE ISOENZIMA

• La lactato deshidrogenasa cataliza la transformación de pirúvico a láctico, que se produce en condiciones de anoxia, dando lugar a una fermentación a partir de la glucosa.

Ej. DE ISOENZIMA

• Está formada por 5 isoenzimas, con el mismo peso molecular, con una estructura tetramérica: combinaciones de 2 tipos de cadenas, M y H.

LDH-1 (H4): en corazón , músculos y eritrocitos.

LDH-2 (H3M): en sistema retículoendotelial y leucocitos.

LDH-3 (H2M2): en pulmones.

LDH-4 (HM3): en riñones, placenta y páncreas.

LDH-5 (M4): en hígado y músculo esquelético .

Ej. DE ISOENZIMA

Ej. DE ISOENZIMA

V máx pequeña

Especializado en el uso aeróbico del pirúvico. Sólo se emplea la ruta anaeróbica en emergencias.

KM piruvato alta (afinidad baja)

H4

V máx alta

Tejido especializado en el uso anaeróbico de la glucosa con alta formación de lactato

KM piruvato baja (afinidad alta)

M4

• Estas isoenzimas presentan características cinéticas distintas.

Sistemas multi-enzimáticos

• Son asociaciones de enzimas que realizan funciones complementarias, actuando de modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas: el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente.

• La eficacia de la reacción aumenta, al favorecer el encuentro del enzima y el sustrato.

• Existen dos niveles de asociación:– Complejos multienzimáticos : existe unión

covalente entre las enzimas. Generalmente estas enzimas no funcionan fuera del complejo. Ej: sintetasa de ácidos grasos de levadura (7 enzimas)

– Asociación a membranas . Ej: cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna.

Sistemas multi-enzimáticos