ENZIMAS II y III Proyecciones de la clase teórica CURSO DE B.M.C. 2014 Dr. Marcelo Rodríguez Piñón (DMTV-MSc) Prof. Adj. de Bioquímica Area Bioquímica Departamento de Biología Molecular y Celular Facultad de Veterinaria Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Reacciones químicas: Molecularidad 1)A → P + Q Monomolecular 2)A + B → O +P + Q Dimolecular 3)A + B + C → P Trimolecular Reacciones químicas: Cinética: Velocidad de reacción d[A] d[P] v = - ──── = ──── dt dt v = k [A]n Orden de reacción = n Concepto experimental que representa la relación entre v y concentración de los reactivos: Orden 0, n=0 v = k [A]0 = k v k Primer orden, n=1 v = k [A] v Segundo orden, n=2 v = k [A]2 v cte k [A] [A] [A] Reacciones enzimáticas: Cinética: Velocidad de reacción S+E ES La E no se gasta (se reutiliza). El complejo E-S es transitorio. P+ E Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Influencia del tiempo sobre la v de reacción ≠ tiempos [S] cte. [E] cte. Ta cte. pH cte. iones cte. S E S E S E S ES E Baño a 36oC 2 [P] (Abs) 4 8 16 32 min. Vo cte 2 4 8 16 32 min. Influencia del tiempo sobre la v de reacción Vo = velocidad inicial “condiciones experimentales (tiempos cortos) en las que la v permanece constante en el tiempo”. S+E ES [P] (Color) Abs v0 cte 2 4 8 16 P+ E Condiciones de Vo (cinética en “tiempos cortos”): • • • la unión del P a la E es despreciable. la disminución de la S es despreciable. la E no se desnaturaliza o degrada. 32 min. Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Influencia de la concentración de sustrato sobre la v de reacción ≠ [S] tiempo cte. [E] cte. Ta cte. pH cte. iones cte. S5 E S10 E S20 E S40 E S80 E Baño a 36oC, Tiempo: 5 min 5 10 20 40 80 [S]mM Vo [P]/min 5 10 20 40 80 [S]mM mM μM, nM, pM S E S = sustrato E = enzima P = producto E-S P E Cinética enzimática S+E k1 k-1 ES k2 P+ E k -2 v = k [A]n 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. Vo = velocidad inicial “condiciones experimentales (tiempos cortos) en las que la v permanece constante en el tiempo”. En los primeros minutos de la reacción: • • • la unión del P a la E es despreciable. la disminución de la S es despreciable. la E no se desnaturaliza o degrada. Cinética enzimática S+E k1 k-1 ES k2 v = k [A]n P+ E 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: ? Vo = k2 [ES] (ec. 1) Cinética enzimática S+E k1 k-1 ES k2 v = k [A]n P+ E 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: ? Vo = k2 [ES] (ec. 1) 3) La reacción enzimática alcanza un estado estacionario donde: [ES] es constante Condiciones de Vo (cinética en “tiempos cortos”): • • • la unión del P a la E es despreciable. la disminución de la S es despreciable. la E no se desnaturaliza o degrada. Estado estacionario: símil hidráulico flujo de entrada volumen = cte. si: flujo de entrada = flujo de salida flujo de salida Cinética enzimática S+E k1 k-1 E-S k2 v = k [A]n P+ E 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: ? Vo = k2 [ES] (ec. 1) 3) La reacción enzimática puede alcanzar un estado estacionario donde: [ES] es constante vf = k1 [S][E] vf [ES] = vd [ES] vd = k-1 [ES] + k2 [ES] k1 [S][E] = k-1 [ES] + k2 [ES] k1 [S][E] = k-1 [ES] + k2 [ES] k1 [S][E] = (k-1 + k2 )[ES] [S][E] = (k-1 + k2 )[ES] k1 Si (k-1 + k2 ) = Km (ec. 2) k1 [S][E] = Km [ES] dado que: [S] [Si] y que: [E] = [ET] - [ES] [S] = [Si] - [ES] [Si] 1 0.001 k1 [S][E] = k-1 [ES] + k2 [ES] k1 [S][E] = (k-1 + k2 )[ES] [S][E] = (k-1 + k2 )[ES] k1 Si (k-1 + k2 ) = Km (ec. 2) k1 [S][E] = Km [ES] dado que: [S] [Si] y que: [E] = [ET] - [ES] [S] ([ET]- [ES]) = Km [ES] [S][ET]- [S][ES] = Km [ES] [S][ET] = Km [ES] + [S][ES] [S][ET] = (Km + [S]) [ES] [ES] = [S][ET] Km + [S] (ec. 3) [ES] = [S][ET] Km + [S] (ec. 3) 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: ? Vo = k2 [ES] (ec. 1) Vo = k2 [S][ET] considerando que Vm = k2 [ET] (ec. 4) k1 k2 Km + [S] S + E k E-S P+ E -1 Vo = Vm [S] Km + [S] (Michaeles-Menten, 1913) Ecuación de Michaelis - Menten Influencia de la concentración de sustrato sobre la v de reacción ≠ [S] tiempo cte. [E] cte. Ta cte. pH cte. iones cte. S5 E S10 E S20 E S40 E S80 E Baño a 36oC 5 10 20 40 80 mM Vo Modelo de [P]/min Michaelis - Menten “cinética michaeleana” Vo = Vm [S] Km + [S] 5 10 20 40 80 mM Modelo de Michaelis - Menten Vm Vo Vo = Vm [S] Km + [S] [P]/min Vm 2 •Vm 100% •Km = [S] a 50% de saturación 5 10 20 Km Vm = cte Km = cte [S] << Km [S] >> Km 40 80 mM para un sistema E y S cuando la [E] cte. para un sistema E y S, es específica para cada reacción E-S. reacción de primer orden. reacción de orden 0. Km: [S] en la cual la E trabaja al 50% de la saturación Vo = Vm [S] Km + [S] Vo = Vm 2 (el 50%) Vm = Vm [S] 2 Km + [S] 1 = [S] 2 Km + [S] Ecuación de Michaelis - Menten Km + [S] = 2 [S] Km = 2 [S] - [S] Km = [S] donde la Vo = Vm (el 50% 2 de sat.) Vo = Vm [S] Km + [S] Vm = cte Km = cte para un sistema E y S cuando la [E] cte. para un sistema E y S, es específica para cada reacción E-S. S+E k1 k-1 E-S k2 P+ E (ec. 2) Km = k-1 + k2 k1 Ctes. Disociación Ctes. Asociación ≈ 1 Afinidad Km de algunos sistemas enzima - sustrato Enzima Sustrato Km (mM) Hexoquinasa (cerebro) D-Glucosa D-Manosa D-Fructosa D-Alosa ATP 0.05 0.08 1.5 70.0 0.4 Glucoquinasa (Hígado) D-Glucosa ATP 5.0 0.1 Isoenzimas: “Enzimas que catalizan una misma reacción, pero tienen una estructura molecular y origen distintos.” Isoenzimas: Glucokinasa y Hexokinasa Vo mM/min Vm Vm [Glc] sanguínea (monogástricos) • ≈ 4 mM ayuno • ≈ 10 mM post-ingesta Glucokinasa Hexokinasa [S] mM Km Km 0.05 5.0 ENZIMAS II y III Proyecciones de la clase teórica CURSO DE B.M.C. 2014 Dr. Marcelo Rodríguez Piñón (DMTV-MSc) Prof. Adj. de Bioquímica Area Bioquímica Departamento de Biología Molecular y Celular Facultad de Veterinaria Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Cinética enzimática S+E k1 k-1 E-S k2 k-2 P+ E 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: Vo = k2 [ES] (ec. 1) 3) La reacción enzimática puede alcanzar un estado estacionario donde: vf [E-S] = vd [E-S] 4) Cte. de Michaelis-Menten Km = k-1 + k2 k1 5) Velocidad máxima de reacción Vm = k2 [ET] 6) Modelo de Michaelis-Menten Vo = Vm [S] Km + [S] (ec. 2) (ec. 4) Estudio cinético de la Invertasa Reacción catalizada: Sacarosa + H2O → Glucosa + Fructosa [S] (Sacarosa, mM) Vo de reacción (∆ poder reductor/min) 0 0 5 0.165 10 0.300 20 0.610 40 0.930 80 1.100 160 1.150 [E] (Invertasa) = cte. CH2OH H H O OH H HO O O H H OH CH2OH OH H H OH OH CH2 OH Sacarosa (1-2) + H2O Invertasa (Sacarasa) CH2OH H H HO OH H OH CH2OH C + H O OH O H CH2 OH C OH H C C H OH OH D-glucosa D-fructosa OH Vo (poder reductor/min) Sacarosa - Invertasa Método reductimétrico Vm 1,4 1,2 1 0,8 Vm = 1.20 PR/min Km = 20 mM Vm/2 0,6 0,4 0,2 Km 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Sacarosa (mM) Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Vo (poder reductor/min) Sacarosa - Invertasa Método reductimétrico Vm 1,4 1,2 1 0,8 Vm = 1.20 PR/min Km = 20 mM Vm/2 0,6 0,4 0,2 Km 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Sacarosa (mM) Para rectificar una hipérbola rectangular: aplicar el inverso a ambas variables (1/y , 1/x). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk (1934) Vo = Vm [S] Km + [S] 1 = Km + [S] Vo Vm [S] 1 = Km + [S] Vo Vm [S] Vm [S] 1 = Km + 1 Vo Vm [S] Vm 1 = Km Vo Vm y = b 1 + 1 [S] Vm . x + a Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk (gráfico de los dobles recíprocos) 1 = Km 1 + 1 Vo Vm [S] Vm y = b . x + a 1/Vo (min/mM) Km Vm 1/Vm -1/Km -1.0 -0.05 .05 .10 .15 .20 .25 1/[S] (1/mM) .30 .35 Modelo de Lineweaver - Burk 1 = Km 1 + 1 Vo Vm [S] Vm y = b . x + a cuando y = 0, x = -1/Km cuando x = 0, y = 1/Vm 1 1/Vo = 1 + Km . 0 (min/mM) Vo Vm Vm 1 = 1 Vo Vm 1/Vm -0.05 = 1 + Km Vm Vm - 1 = Km 1 Km Vm Vm [S] Vm Vm . - 1 = Km Vm -1/Km -1.0 0 .05 .10 1 [S] 1 = .30Km.35 1 .15 .20 - .25 1/[S] (1/mM) [S] - 1 = 1 Km [S] 1 [S] Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk (gráfico de los dobles recíprocos) 1 = Km 1 + 1 Vo Vm [S] Vm y = b . x + a 1/Vo (min/mM) Km Vm 1/Vm -1/Km -1.0 -0.05 .05 .10 .15 .20 .25 1/[S] (1/mM) .30 .35 Vo 3,5 Vm=3.0 3 Vm=2.5 2,5 Enzima A 2 Enzima B 1,5 Enzima C Vm =1.3 1 0,5 0 Km Km Km 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Sustrato (mM) 3 1/Vo 2,5 2 1,5 1 1/Vm=0,77 0,5 1/Vm=0,4 1/Vm=0,33 0 -0,5 -1/Km -1/Km 0 -1/Km 0,5 1 1,5 2 1/Sustrato (1/mM) Estudio cinético de la Invertasa Reacción catalizada: Sacarosa + H2O → Glucosa + Fructosa [S] (Sacarosa, mM) Vo de reacción (∆ poder reductor/min) 1/[S] (Sacarosa, 1/mM) 1/vo de reacción (min/∆ poder reductor) 0 0 - - 5 0.165 0.2 6.061 10 0.300 0.1 3.333 20 0.610 0.05 1.639 40 0.930 0.025 1.075 80 1.100 0.0125 0.909 160 1.150 0.00625 0.870 [E] (Invertasa) = cte. S a c a rosa - Inve rta sa Mé todo re duc tim é tric o 7 1/V o (m in/pode r re duc tor) 6 5 4 Vm = 1.54 PR/min 3 1/Vm = 0.65 min/PR 2 -1/Km = -0.025 1/mM 1 + 0,5002 Kmy ==27,647x 40 mM R 2 = 0,9943 0 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 1/S a c a rosa (1/m M) V o (pode r re duc tor/m in) S a c a rosa - Inve rta sa Mé todo re duc tim é tric o Vm 1,4 1,2 1 0,8 Vm = 1.20 PR/min Km = 20 mM Vm/2 0,6 0,4 0,2 Km 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 S a c a rosa (m M) Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Influencia de la concentración de enzima sobre la v de reacción ≠ [E] tiempo cte. [S] cte. Ta cte. pH cte. iones cte. S E1 S E2 S E4 S E8 S E16 Baño a 36oC 1 2 4 8 16 3 Vo Vm 4 4 nM [E] 2,5 Vm 2 2 Vm 4/2 Vm 2/2 2 nM [E] 1,5 Vm 1 1 nM [E] 1 Vm 1/2 0,5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Km Sustrato (mM) nM Efecto de la [E] sobre la velocidad de reacción 3 Vo Vm 4 4 nM [E] 2,5 Vm 2 2 2 nM [E] Vm 4/2 1,5 Vm 1 1 nM [E] Vm 2/2 1 Vm 1/2 0,5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Km Sustrato (mM) 2 1/Vo 1,8 1 nM [E] 1,6 1,4 1,2 2 nM [E] 1 0,8 4 nM [E] 0,6 1/Vm1 0,4 0,2 -1/Km -0,02 1/Vm2 1/Vm4 0 0,0 3 1/Sustrato (1/mM) Efecto de la [E] sobre la velocidad de reacción Vm 10 (P/t) Vm = k2 [ET] k2 0 0 1 2 3 4 ET (nM) Cinética enzimática S+E k1 k-1 E-S k2 k-2 P+ E 1) Si estamos en Vo, k-2 puede ser despreciable. 2) k2 es la mas lenta, por lo tanto limitante: Vo = k2 [E-S] (ec. 1) 3) La reacción enzimática puede alcanzar un estado estacionario donde: vf [E-S] = vd [E-S] 4) Cte. de Michaelis-Menten Km = k-1 + k2 k1 5) Velocidad máxima de reacción Vm = k2 [ET] 6) Modelo de Michaelis-Menten Vo = Vm [S] Km + [S] (ec. 2) (ec. 4) Efecto de la [E] sobre la velocidad de reacción S+E k1 k-1 E-S k2 Vm = k2 [ET] P+ E (ec. 4) k2 = Vm [ET] Rel= Concentración S que se transforma/min Concentración de E R= 1 mM/min 1 nM = 10-3 M/min = 1.000.000 10-9 M R = Número de recambio o poder catalítico Nº de recambio o actividad molecular: (nº mol S /s) /molec. E. Número de recambio Katales / mol E Catalasa 40.000.000 Anhidrasa carbónica 600.000 β– amilasa 16.000 LactatoDH 1.000 β– galactosidasa 200 Fosfoglucomutasa 20 Lisoenzima 0,5 - Catal o Katal: mol S /s- Actividad específica (AE): nº mol E /g. prot (o) Katales/g prot Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción 100 Activ. Enzim. 90 80 70 60 50 Temp. óptima 37oC 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temperatura (oC) Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Efecto del pH sobre la velocidad de reacción 120 Activ. Enzim. 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 pH óptimo= 7.4 9 10 11 pH 12 Efecto del pH sobre la velocidad de reacción 120 Activ. Enzim. G6Pasa 100 Pepsina Quimotripsina Lisozima 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 pH óptimo= 7.4 9 10 11 pH 12 Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Cofactores y Coenzimas “Sustancias no proteicas necesarias para la acción de muchas enzimas” 2 grandes grupos: Cofactores: Iones inorgánicos Mg2+, Mn2+, Ca2+, Fe2+/ Fe3+, Cu+/ Cu2+, Zn2+, Se2+, Co2+/ Co3+ Coenzimas: Compuestos orgánicos (la mayoría derivados de las vitaminas hidrosolub.) NAD+/ NADH NADP+/ NADPH FAD / FADH2 (ejemplo de grupo prostético) Coenzima A Coenzima Q Cofactores y Coenzimas Estabilizan la conformación nativa o activa de algunas enzimas. Participan en el reconocimiento de algunos sustratos y en la acción catalítica. Actúan en la transferencia de electrones (e-) y protones (H+). Actúan en la transferencia de radicales y grupos químicos. Enzimas II y III – Cinética enzimática •Cinética enzimática: conceptos generales •Factores que afectan la velocidad de reacción: Tiempo de reacción: Concepto de velocidad inicial (Vo). Concentración de Sustrato: Modelo de Michaelis-Menten (definición de los parámetros cinéticos Vm y Km). Modelo rectilíneo de Lineweaver – Burk. Concentración de la Enzima Temperatura, pH, medio iónico Cofactores y Coenzimas Inhibidores, Moduladores Bibliografía: A. Lehninger. Principios de Bioquímica. Ed. Omega de 2009. Voet D. and Voet J.G. Bioquímica. Tercera Edición. Ed. Médica Panamericana, Buenos Aires, 2006. Guía de Bioquímica. Ediciones de la Facultad de Veterinaria 2011.