ENZIMAS: TEMA 7 Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas. Término propuesto por...
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ENZIMAS: TEMA 7
Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas.
Término propuesto por Kühne en 1878 (zyme = levadura)
Las enzimas son necesarias para que las reacciones
bioquímicas:
• Se produzcan a una velocidad adecuada para la célula
• Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de
hacia reacciones colaterales que despilfarren energía
• Pueda regularse la producción de distintas sustancias
según las necesidades
Hay dos características importantes en la catálisis
1.- Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción sin
verse alteradas en el proceso, no se modifican en su
actuación: E + S ES E + P
2.- Las enzimas no modifican la constante de equilibrio de la reacción
Todas las enzimas son proteínas excepto las ribozimas (formadas por RNA sólo o asociado a proteínas)
Aumentan la velocidad de reacción hasta por un factor de 1014
CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS
1. Oxidoreductasas: transferencia de electrones
2. Transferasas: reacciones de transferencia de grupo (no
agua)
3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis
4. Liasas: adición de grupos a dobles enlaces o formación
de dobles enlaces por eliminación de grupos
5. Isomerasas: transferencia de grupos dentro de la misma
molécula para dar isómeros
6. Ligasas: formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por
reacciones de condensación acopladas a hidrólisis de ATP
NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA
El nombre de cada enzima puede ser identificado por:
• un código numérico, encabezado por las letras EC
(enzyme commission)
• cuatro números separados por puntos. El primer
número indica a cual de las seis clases pertenece la
enzima, el segundo se refiere a distintas subclases
dentro de cada grupo, el tercero y el cuarto se refieren
a los grupos químicos específicos que intervienen en
la reacción.
EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA:EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA:
Consta actualmente de 3 partes:
• el sustrato preferente
• el tipo de reacción realizada
• terminación "asa"
Ejemplo: Identificación EC 5.3.1.1.
Nombre sistemático Triosa fosfato isomerasa
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
BASES DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA: ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
Para que se de una reacción química tienen que verificarse 3
condiciones
1.- Los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben
colisionar
2.- La colisión molecular tiene que ocurrir con una
orientación adecuada (las enzimas aumentan la probabilidad)
3.- Los reactivos deben poseer suficiente energía para
alcanzar el estado de transición. Esta energía se llama
energía de activación
Las enzimas hacen que la reacción vaya más rápida
En las reacciones bioquímicas
1. Energía de activación: barrera de energía que hay que superar para que se produzca la reacción. Es la energía necesaria para:
• Alinear grupos reactivos
• Formar cargas inestables transitorias
• Reordenar enlaces
2. Superada esta barrera, se llega a un estado activado o
de transición en el que se produce la orientación y
condiciones adecuadas para la reacción.
LAS ENZIMAS ACELERAN LAS REACCIONES BAJANDO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
La enzima se une a la molécula de sustrato y la hace adoptar un estado intermediario semejante al de transición pero de menor energíaEsta energía de activación y la conversión del intermediario en producto son menores que la energía de activación de la reacción sin catalizar
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
Diagrama de energía libre Catalizador Enzima
CÓMO ACTÚAN LAS ENZIMAS
Una enzima une la molécula de sustrato de forma específica en una región denominada CENTRO ACTIVO que suele ser un bolsillo o una hendidura que se forma entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas cadenas:
• Facilitan la unión del sustrato (especificidad de sustrato)
• Intervienen en la catálisis (centro catalítico)
CENTRO CATALÍTICO: puede incluir también:
• Coenzimas (moléculas orgánicas derivadas de vitaminas)
• Cofactores (moléculas inorgánicas como iones metálicos)
Puede coincidir o no con el centro activo
CENTRO ACTIVO
1.- Supone una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima
2.- Es una entidad tridimensional
3.- Se unen a los sustratos por fuerzas relativamente débiles
4.- Son hoyos o hendiduras de las que suele quedar excluida el agua, salvo que sea un componente de la reacción
5.- La especificidad del enlace depende de la disposición de los átomos del centro activo
Región que se une al sustrato y contribuye con los residuos que participan en la formación y rotura de enlaces (grupos catalíticos)
Especificidad de acción
1.- Enzimas muy específicas: Ej. Sacarasa
Sustrato natural: sacarosa
Reconoce sustratos análogos (maltosa)
2.- Enzimas poco específicas: Ej. Proteasas digestivas
(quimotripsina)
Las enzimas catalizan reacciones con diferente grado de
especificidad
TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura
1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
Cambio conformacional inducido por glucosa en la hexoquinasa
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
MECANISMOS DE REACCIÓN ENZIMÁTICA
S + E ES E + P
1.- CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: Triosa fosfato isomerasa Se produce un intercambio de protones
Dímero: dos subunidades idénticasCilindro paralelo con hélices en los bucles de interconvexión
Lugar activo: cerca de la parte superior del cilindro. Puede acomodar G3P o DHAP
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
G3P se une alcentro activo
E + G3P
Intermediario enediol, se forma por transferencia de un protón de C2 al Glu 165 y un protón de His 95 al carbonilo
E- G3P E-enediol E- DHAP
Catálisis ácido-base: triosa fosfato isomerasa
E + DHAP
DHAP unida al centro activo
His 95
Glu 165
CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: SERINA PROTEASASHidrólisis del enlace peptídico (Quimotripsina, Tripsina)
QUIMOTRIPSINA
Carga sobre el carboxilato
Residuos hidrófobos
Bolsillo cerca de la serina del centro activo
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
Fenilalanina
Quimotripsina
Arginina
Tripsina
Residuos del centro activo de quimotripsina
Catálisis por quimotripsina
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
Lugar de ruptura
2 Se transfieren H+ desde Ser a His y luego al fragmento C-terminal
HNH----------(C)3
Intermediario acilo-enzima
4 Una molécula de agua se une a la enzima
5 El agua transfiere el H+ a la His y el OH al resto de S
HOOC----------- (N)
Ser 195-CH2-OH
6
1 Unión no covalente del S con cadenas del bolsillo hidrófobo
2.- CATÁLISIS COVALENTE
Se forman enlaces covalentes transitorios E-S para facilitar la formación de producto
A-B + X: A-X + B A + X: + B
X: = Núcleo nucleofílico de la enzima
GRUPOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA
a) Grupos nucleófilos en sus formas básicasb) Los grupos electrófilos contienen un átomo con
deficiencia de electrones (rojo)
(Voet)
3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
Los iones metálicos participan de diferentes formas en la
catálisis
• Orientación del sustrato para que reaccione
• Estabilizando estados de transición de compuestos
cargados
• Intervienen en reacciones redox cambiando su propio
estado de oxidación
SITIO ACTIVO DE LA ANHIDRASA CARBÓNICA HUMANA
CO2 + H2O HCO3- + H+
(VOET)
Un tercio de las enzimas requieren algún ión metálico para catalizar
Características de coenzimas comunes
(Voet)