Enzimas I, IV y V

INÉS SACCHI
ÁREA BIOQUÍMICA
Cinco clases de Enzimas
Enzimas I
Introducción a las enzimas
Enzimas II
Cinética enzimática
Enzimas III
Cinética enzimática
Enzimas IV
Inhibición de las enzimas
Enzimas V
Regulación de las enzimas
Enzimas I:
Importancia de las enzimas
Definición
Localización celular
Estructura molecular
Características
Clasificación
Mecanismos de acción
Importancia de las Enzimas
Seres vivos
Las enzimas son necesarias
para la vida:
- participan en casi todas las
reacciones de los
seres vivos.
-permiten reacciones dirigidas
a determinados productos,
en tiempo útil y en condiciones
compatibles con la vida.
Importancia de las Enzimas
Farmacología y terapéutica
Las enzimas son blanco de la
farmacología (muchos
medicamentos son
inhibidores o activadores de
enzimas): anti-inflamatorios,
antibióticos, antiparasitarios,
insecticidas, etc.
Importancia de las Enzimas
Biotecnología e industria de los alimentos de
origen animal
Las enzimas son herramientas
fundamentales para la biotecnología de
los alimentos de origen animal:
leche, quesos, yogures, etc.).
terneza, procesados).
manipulación genética.
Definición de Enzimas
Las enzimas son catalizadores de las reacciones de
los sistemas biológicos.
Aumentan la velocidad de las reacciones que
catalizan, disminuyendo la energía de activación de
las mismas.
No modifican la constante de equilibrio (Keq) ni la
variación de energía libre ( G) de la reacción.
¿Cómo actúan las Enzimas?
Energía de activación y Velocidad de
reacción
Energía libre (G)
Estado de Transición
G
= Energía de Activación
Sustrato
Gi
G°
Producto
Gf
Coordenada de la reacción
Formas de incrementar la Velocidad
de Reacción
Calentar
Aumento de la
temperatura
Aumento de la
concentración
Baja velocidad
de reacción
Aumento de la
concentración
X
X
Temp. = Cte
No es posible a nivel
biológico
Aumento de la cantidad
Vol = Cte
No es posible a nivel
biológico
Disminución del
Volumen
Posible a nivel biológico
¿Cómo es posible a nivel biológico?
ENZIMA
Sitio Catalítico
Pequeño volumen
Elevada concentración
Dimensiones moleculares
Reactivos
SC
Pequeño Volumen
Elevada concentración
Reactivos en
Estado activado
Producto
Energía de activación Reacción
Enzimática
Estado de transición
G
= Energía de Activación
G = Energía de Activación
E
Reaccion enzimática
Sustrato
Gi
G°
Producto
Gf
Coordenada de la reacción
Localización de Enzimas
EXOCELULARES:
actúan fuera de las células que las producen.
ENDOCELULARES:
actúan en las propias células que las producen.
I. Exocelulares
Enzimas Digestivas:
Se descargan en el tubo
digestivo y participan en la
digestión (degradación de
los alimentos).
Amilasas (carbohidratos)
Proteasas y peptidasas
(proteínas y péptidos)
Lipasas (lípidos)
Enzimas de la Coagulación:
Se descargan fuera de los
vasos sanguíneos y
provocan la coagulación de
la sangre (formación del
coágulo de fibrina).
Factores II a XIII, se activan
en cascada y convierten el
FRIBRINÓGENO en
FIBRINA
II. Endocelulares
II. Endocelulares
Membrana
Metabolismo
intermediario
Síntesis de
Proteínas y otras
sustancias
Transmisión de
mensajes, intercambio
con el medio
extracelular
Citosol
RE
Núcleo
Ribosomas
Mitocondria
Metabolismo, Procesos
oxidativos y producción de
energía
Lisosoma
Conservación y
utilización de la
información genética
Recambio y destrucción de
productos de desecho
Estructura Molecular
PROTEÍNAS - a excepción de las Ribozimas.
Proteínas complejas de elevado Peso Molecular (PM).
Tiene estructuras terciaria y generalmente
cuaternaria.
HEXOKINASA: Modelo espacial
Glucosa
Sitio Catalítico
Hendidura
Enzima: modelo de -Hélice (rulos) y Hoja- (cintas)
Sustrato: DNA modelo espacial
DNAasa: Endonucleasa, enzima de restricción
Características de las Enzimas
Eficientes: incrementan la velocidad de reacción
(102 -1014 ) y tienen acción dirigida.
No se consumen en la reacción.
Actúan en pequeña concentración.
Específicas.
Regulables.
Eficientes
1) Incrementan la velocidad de reacción
Glc + ATP
G6P + ADP
HEXOKINASA
vel. x 105
Tubo de ensayo
Sin Enzima = 350 días
- 16.72 kj/mol
Con Enzima = 5 min
Eficientes
2) Tienen acción dirigida
Cuando no está la Enzima
Glc + ATP
+ G2P + G3P + G4P + G6P +
ADP + AMP + Pi + PPi + A
Cuando está la Enzima
Glc + ATP
G6P + ADP
?
G6P +
ADP
CH2OHPO3
HEXOKINASA
H H
OH
HO
H
H
H
OH
OH
No se consumen
Reacción Enzimática:
S+E
[E-
E
Complejo Enzima-Sustrato
Transitorio
S: Sustrato (reactivo o reactante)
E: Enzima
P: Producto
La [E] siempre es menor a la [S].
La Enzima no se consume, puede volver a actuar.
Actúan en pequeña concentración
[S] = mM (10-3 M) a M (10-6 M)
[E] = M (10-6 M) - nM (10-9 M) - pM (10-12 M)
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
Específicas
Complementariedad
estructural y espacial
entre el sustrato y la
enzima
Una sustancia de
estructura diferente no
es reconocida por el
sitio catalítico de la
enzima
X
Especificidad
las enzimas reconocen un sustrato o a un conjunto de
sustratos de estructura muy similar.
Especificidad Absoluta: Reconocen un solo sustrato. Ej.
UREASA - solo Urea.
Especificidad Restringida: Reconocen un grupo restringido
de sustratos de estructura similar. Ej HEXOKINASA Glucosa, Fructosa, Manosa.
Especificidad Amplia: Reconocen una amplia gama de
sustratos. Ej. PROTEASAS - Proteínas y Péptidos;
RIBONUCLEASAS Ácido Ribonucleicos
Regulables
1) Concentración de las enzimas: depende de la
expresión génica y del balance entre la síntesis y la
degradación en cada célula y tejido.
2) Actividad enzimática: depende de diferentes factores
cinéticos ([S], pH, temperatura, inhibidores). Solo algunas
enzimas pueden tener regulación específica (alostérica,
covalente o proteólisis limitada).
Actividad
Menor o nula
Enzima
Conformación
nativa
Mayor Actividad
Regulación de enzimas:
La actividad de algunas enzimas puede ser modificada.
El grado de actividad de una enzima en un determinado
compartimento celular, está en función de su
conformación nativa.
La actividad de una enzima puede ser incrementada por
cambios en su conformación nativa que resultan en una
forma con mayor actividad catalítica.
La actividad de una enzima puede ser disminuida por
cambios en su conformación nativa que resultan en una
forma con menor o nula actividad catalítica.
Clasificación de Enzimas
1) Oxidorreductasas: reacciones de oxido-reducción,
transferencia de H+ y e-. Deshidrogenasas y Oxidasas.
2) Transferasas: transferencia de radicales (acilos, aminos,
fosfatos). Aciltransferasas, Aminotransferasas, Kinasas.
3) Hidrolasas: ruptura hidrolítica de enlaces, con H2O.
Esterasas, Glucosidasas, Peptidasas, Lipasas.
4) Liasas: ruptura no hidrolítica de enlaces y sin
oxidorreducción. Carboxilasas y Decarboxilasas.
5) Isomerasas: implican cualquier tipo de isomerización
(epimerización, Cis-Trans). Isomerasas, Mutasas,
Racemasas.
6) Ligasas: formación de compuestos por condensación de
dos, formación de enlaces acoplados a reacciones
exergónicas. Sintetasas y Sintasas.
Clasificación de Enzimas
A cada enzima se le asigna un número clasificatorio de cuatro
dígitos y un nombre sistemático, el cual identifica la reacción
catalizada.
De las clases y las sub-clases deriva el número de
clasificación propio para cada enzima.
- Primer dígito: indica el nombre de la clase
- Segundo dígito: la sub-clase
- Tercer dígito: característica diferencial de esa sub-subclase
- Cuarto dígito: identifica el descubrimiento de la enzima
dentro de la sub-subclase.
Mecanismos de acción enzimáticos
Existen 4 mecanismos diferentes por los cuales las
enzimas pueden catalizar las diferentes reacciones
del metabolismo.
Encaje inducido (Hexoquinasa).
Aproximación y deformación del sustrato (Proteasas).
Catálisis covalente (Transaminaciones).
Catálisis ácido-base.
Estos mecanismos no se dan de forma aislada.
Mecanismos de acción enzimático
Encaje Inducido
Mecanismo de la acción enzimática
Conteste si las siguientes afirmaciones son
verdadera o falsa y fundamente la respuesta:
1)
La Enzima convierte una reacción desfavorable
(+ Go) en favorable o espontánea (- Go).
V - F
2)
Todas las moléculas con actividad enzimática que se
conocen son cadenas de ácidos ribonucleicos.
V - F
3)
La actividad catalítica de las enzimas denominadas
regulables, puede ser incrementada o disminuida.
V - F
Resumen de las Enzimas
Esenciales para la vida.
Catalizadores biológicos más eficientes.
Naturaleza proteica.
No se consumen en la reacción que catalizan.
Actúan en pequeñas concentraciones.
Específicas.
Regulables.
Referencias Bibliográficas
Guía de Bioquímica, Curso Biología Molecular y
Celular. Facultad de Veterinaria, Bolsa del Libro
2011.
Lehninger, Nelson , Cox. Principios de Bioquímica,
Ed. Omega, 3a de 2000 - 4a de 2005 - 5ª de 2009.
Voet & Voet. Biochemistry, Ed. John Willey & Sons,
1995. Bioquímica, 3° Ed. año 2006.
INÉS SACCHI
ÁREA BIOQUÍMICA
Contenido:
Definición de Inhibidores
Tipos de inhibición:
- reversibles
- irreversibles
Importancia biológica y Aplicaciones
Inhibidores: Definición
Sustancias capaces de disminuir o anular la actividad
de una enzima. El inhibidor no es transformado por la
enzima.
La pérdida de la actividad enzimática en presencia de
un inhibidor puede ser: parcial o total, así como
transitoria o permanente.
Tipos de inhibición
Reversible: el inhibidor reduce la actividad enzimática en
forma transitoria. Esta puede ser recuperada por diferentes
procedimientos.
Existen tres tipos de inhibición reversible:
- Competitiva
- No competitiva - para un sustrato
- para mas de un sustrato (Acompetitiva)
- Mixta
Irreversible: el inhibidor reduce la actividad enzimática,
inactivándola en forma permanente. La actividad enzimática
no se recupera.
Inhibición Competitiva
S +
E
E-S
+
I
Inhibidor se une al S.C.
E-I
No da productos
P
+
E
Inhibición Competitiva
Vo (Abs/min)
Vm =Vmi
Vm/2
Vmi/2
Km Kmi
Modelo Michaelis - Menten
(S) mM
Inhibición Competitiva
1/Vo
1/Vmi
1/Vm
1/(S) mM-1
-1/Km -1/Kmi
Modelo Lineweaver - Burk
Inhibición Competitiva
COOC=O
CH2
COOOXALOACETATO
Reversible
COOCH2
Aumentando la
concentración de
sustrato.
COOMALONATO
Inhibición Competitiva:
características
El inhibidor competitivo tiene similitud estructural con
el sustrato.
El inhibidor disminuye la velocidad de la reacción
enzimática.
Se une al sitio activo o al sitio catalítico de la enzima y
compite con el sustrato.
La Vm de la reacción con o sin inhibidor es la misma.
El Km de la reacción con inhibidor es mayor que sin
inhibidor.
La inhibición puede ser revertida aumentando la
concentración de sustrato.
Inhibición No competitiva
(para enzimas monosustrato)
S +
E
E-S
P
+
I
Inhibidor no se une al S.C.
E-I
No da productos
+
E
Inhibición No competitiva
(para enzimas monosustrato)
Vo (Abs/min)
Vm
Vmi
Vm/2
Vmi/2
Km = Kmi
Modelo Michaelis - Menten
(S) mM
Inhibición No competitiva
(para enzimas monosustrato)
1/Vo
1/Vmi
1/Vm
1/(S) mM-1
-1/Km = -1/Kmi
Modelo Lineweaver - Burk
Inhibición No competitiva
Mg+2
+
Quelante
+ Quelante(Mg)2
Mg+2
EDTA = ácido etilendiaminotetraacético
quelante; atrapa iones bivalentes
(Mg2+, Ca2+)
Reversible
Aumentando la
cantidad de Mg+2.
Inhibición No competitiva (para
enzimas monosustrato):
características
El inhibidor disminuye la velocidad de la reacción
enzimática.
Se une a la enzima en un sitio diferente del sitio activo
o catalítico y no compite con el sustrato.
La Vm de la reacción con inhibidor es menor que la
presentada por la reacción enzimática sin inhibidor.
El Km de la reacción con o sin inhibidor es el mismo.
La inhibición no puede ser revertida aumentando la
concentración de sustrato, pero puede hacerse por
otros procedimientos.
Inhibición No competitiva - Acompetitiva
(para enzimas con más de un sustrato)
S +
E
E-S
P
+
E
+
I
ES-I
No da productos
Inhibición No competitiva - Acompetitiva
(para enzimas con mas de un sustrato)
1/Vo
1/Vmi
1/Vm
-1/Kmi -1/Km
Modelo Lineweaver - Burk
1/(S) mM-1
Inhibición Irreversible
El inhibidor inactiva la enzima en forma permanente. La
actividad enzimática no se recupera.
La unión del inhibidor con la enzima es estable (uniones
por metales pesados o por enlace covalente).
Ejemplos:
- intoxicación por Pb (iónica y estable).
- covalente: unión covalente con grupos SH y OH de
las enzimas.
Inhibición Irreversible
Ej. Yodoacetamida
Cys
HS
+ ICH2-CONH2
Cys
+
S-CH2 -CONH2
Ej. garrapaticidas, pulguicidas, piojicidas
anti-parasitarios, insecticidas
HI
Referencias Bibliográficas
Guía de Bioquímica, Curso Biología Molecular y
Celular. Facultad de Veterinaria, Bolsa del Libro
2010.
Lehninger, Nelson , Cox. Principios de
Bioquímica, Ed. Omega, 3a de 2000 - 4a de 2005.
Voet & Voet. Biochemistry, Ed. John Willey &
Sons, 1995.
INÉS SACCHI
ÁREA BIOQUÍMICA
Enzimas V:
Tipos de regulaciones de las enzimas:
- concentración enzimática
- actividad enzimática
Actividad Enzimática:
- Regulación alostérica
- Regulación covalente
- Regulación por proteólisis enzimática
La regulación de Enzimas se ejerce
sobre:
La concentración de las enzimas en una célula o
tejido.
La actividad de las enzimas en una célula o tejido.
Concentración celular o tisular de
enzimas
La regulación de la concentración celular o tisular de
las enzimas ocurre para todas las enzimas del
organismo.
La presencia o ausencia de una enzima en una célula
o tejido está determinada por factores reguladores de
la expresión génica.
La concentración de una enzima en una célula o
compartimento celular, es el resultado del grado de
síntesis y de degradación de esa enzima.
Regulación de la concentración de enzima:
Síntesis y Degradación
DNA = gen de una enzima
Región codificante
región
Región
reguladora
Transcripción
Traducción = síntesis
Conformación nativa
Ubicación celular
RNA m
Cadena peptídica
Enzima Activa
[E] en la célula
Degradación
Vida media - recambio
Actividad Enzimática
La actividad enzimática puede ser aumentada o
disminuida por diferentes factores
Actividad
Menor o nula
Enzima
Conformación
nativa
Mayor Actividad
Regulación de la Actividad Enzimática
Sólo se produce en algunas enzimas llamadas
reguladoras.
Regulación específica puede ser:
- Alostérica
- Covalente
- Proteólisis limitada
1. Enzimas Alostéricas
Son proteínas extremadamente complejas, con
estructura 3ª formada por varios dominios o 4ª
formada por varios sub-unidades.
Tienen sitio catalítico y además un sitio regulador
llamado Sitio Alostérico.
Presentan cinética sigmoide (curva de saturación en
forma de ), no michaeliana (curva de saturación
hipérbola) como la mayoría de las enzimas.
ENZIMA ASPARTATOTRANSCARBAMILASA
Cinética de las Enzimas Alostéricas
Vm
Vo (Abs/min)
Vm/2
Vm
Vm/2
Km
K0.5
(S) mM
Regulación Alostérica (Homotrópica)
Sustrato
Enzima Tetrámero
forma mas activa
Conformación nativa
forma menos activa
El Sustrato al entrar en el sitio catalítico induce la
activación de otras sub-unidades de la enzima:
este efecto se llama Cooperativismo positivo.
Cinética de las Enzimas Alostéricas
Vm
Vm/2
K0.5
Regulación Alostérica (Heterotrópica)
MODULACIÓN ALOSTÉRICA
SA
M
SC
Forma
menos
activa
M
+
SC
SA
Forma más
Activa
M = modulador
Enzimas Alostéricas
La actividad enzimática se modifica por el SUSTRATO
(regulación Homotrópica).
La actividad enzimática es modulada por
MODULADORES positivos (+) y negativos (-)
(regulación Heterotrópica).
Los moduladores se unen a la enzima en el sitio
regulador llamado Sitio Alostérico.
Cinética de una Enzima Alostérica con
sus Moduladores
¿Que importancia tienen las enzimas alostéricas?
- Control energético de una vía metabólica
S
M (-)
[ATP]
A
B
= Cte
[ADP]
M (+)
ADP
ATP
P
irreversibles, unidireccionales (una sola dirección).
2. Enzimas que presentan Regulación
Covalente
Son proteínas de estructura 3ª o 4ª extremadamente
complejas y de elevado PM.
La actividad enzimática puede ser modificada por la
unión covalente de radicales o grupos químicos a la
estructura de la enzima.
Esa unión covalente de radicales o grupos químicos a
la estructura de la enzima, modifica su conformación
nativa, transformándola en una conformación más o
menos activa.
Regulación Covalente
Los radicales más utilizados en animales superiores
son fosfato (-OPO3 -), acetilo (CH3-CO-) y metilo (-CH3).
La fosforilación (unión de grupos fosfatos), es el
mecanismo más común de activación de enzimas en el
metabolismo. Consiste en la unión covalente de grupos
fosfato con grupos hidroxilo de los residuos
aminoacídicos, (serina, treonina) constituyentes de la
cadena polipeptídica de la enzima.
Los mecanismos de fosforilación y desfosforilación
son utilizados por las señales hormonales tanto para
activar como para inhibir enzimas.
Regulación Covalente
HO-
Inhibición
Hormonal
ATP
Pi
ADP
H2O
-
Estímulo
Hormonal
Kinasa
Fosfatasa
Inhibición
Hormonal
-OH
-OPO3-
3OPO-
Activa
Estímulo
Hormonal
Control Celular: Regulación de Enzimas
Estímulo
Hormonal
Inhibición
Hormonal
(- )
S
Regulación Covalente:
Fosforilación-Desfosforilación.
Señales extracelulares: responden a
necesidades del organismo en su conjunto
(+ )
Núcleo
M(-)
M(+)
P
Regulación Alostérica:
Moduladores positivos y negativos.
Señales intracelulares: responden a
necesidades locales o celulares
3.
Inactiva
Regulación de Enzimas por
Proteólisis Limitada
Activa
Proteólisis Limitada: Enzimas digestivas
pH ácido
Pepsina
Enteropeptidasa
Tripsina
Tripsina
Quimotripsina
Resumen
La concentración enzimática es un mecanismo de
regulación de todas las enzimas del organismo.
La regulación de la actividad enzimática sólo se
produce en algunas enzimas llamadas reguladoras.
Existen tres tipos de regulaciones específicas:
- Alostérica
- Covalente
- Proteólisis Limitada
Referencias Bibliográficas
Guía de Bioquímica, Curso Biología Molecular y
Celular. Facultad de Veterinaria, Bolsa del Libro
2010.
Lehninger, Nelson , Cox. Principios de
Bioquímica, Ed. Omega, 3a de 2000 - 4a de 2005.
Voet & Voet. Biochemistry, Ed. John Willey &
Sons, 1995.