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FACULTAD DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA
CURSO DE BIOQUÍMICA
(CLAVE 1508)
Licenciaturas de QFB y QA
Prof. Laura Carmona Salazar
Grupos: 03
Semestre: 13-I
Este material es exclusivamente para uso educativo y no de lucro
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE
LAS PROTEÍNAS
6. Funciones de las proteínas
UNA FUNCIÓN IMPORTANTE QUE PUEDEN DESEMPEÑAR
LAS PROTEÍNAS ES LA CATÁLISIS DE LAS REACCIONES
EN SISTEMAS BIOLÓGICOS:
ENZIMAS
LA ACTIVIDAD CATALÍTICA DEPENDE
DE LA INTEGRIDAD DE SU CONFORMACIÓN
PROTEICA NATIVA
ADEMÁS PUEDEN REQUERIR DE OTROS COMPONENTES
QUÍMICOS ADICIONALES
¿CÓMO SON?
QUIMOTRIPSINA LIBRE
SITIO ACTIVO
LOS ENZIMAS CATALIZAN REACCIONES DE MANERA EFICAZ Y ALTAMENTE
ESPECÍFICA
COMPLEJA ESTRUCTURACIÓN PROTEICA
INTERACCIÓN PRECISA DEL ENZIMA-SUSTRATO
ESPECIFICIDAD
ATAQUE NUCLEOFÍLICO SOBRE EL
CARBONILO DEL ENLACE PEPTÍDICO
INTERMEDIARIO TETRAHEDRICO
DE VIDA CORTA
SITIO ACTIVO
LAS PROTEASAS O PROTEINASAS O PEPTIDASAS
ENZIMAS QUE ROMPEN ENLACES PEPTÍDICOS DE OTRAS PROTEÍNAS
SERIN-PROTEASAS
ZINC-PROTEASAS
ASPARTIL-PROTEASAS CISTEIN-PROTEASAS
ROMPEN EN SITIOS ESPECÍFICOS
PROTEASAS DE SERINA
Tienen prácticamente el mismo mecanismo catalítico
Contienen la tríada catalítica: Ser, Asp, His
TRIPSINA rompe después de una Arginina o Lisina
QUIMOTRIPSINA rompe después de un aminoácido con R hidrofóbico
SUBTILISINA rompe después de un aminoácido con un R pequeño no polar
MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA
1.- CATÁLISIS ÁCIDO – BASE
2.- CATÁLISIS COVALENTE
3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
AMINOÁCIDOS IMPLICADOS EN CÁTALISIS ÁCIDO-BASE GENERAL
RESIDUO
DE AMINOÁCIDO
ÁCIDO GENERAL
(DADOR DE H+)
BASE GENERAL
(ACEPTOR DE H+)
CÁTALISIS COVALENTE
AMINOÁCIDOS Y COFACTORES SIRVEN COMO NUCLEÓFILOS PARA FORMAR
ENLACES COVALENTES TRANSITORIOS ENTRE EL ENZIMA Y EL SUSTRATO
ESTABILIZACIÓN DEL ESTADO
DE TRANSICIÓN EN LAS
PROTEASAS DE SERINA
CARBOXIPEPTIDASA A
CATÁLISIS
EL MECANISMO ES CONCERTADO
(VARIOS FENÓMENOS
SIMULTÁNEOS)
CARACTERÍSTICAS DEL SITIO CATALÍTICO O SITIO ACTIVO
* Región tridimensional de la proteína
* Es una región pequeña comparada con la magnitud
total de la proteína
Sitio activo
o
Sitio catalítico
* Es una hendidura en la estructura de la enzima,
localizada más o menos superficialmente en el
cuerpo de la enzima
* Une al sustrato específicamente, mediante un
reconocimiento estructural complementario
*Contiene a los grupos catalíticos y a los cofactores,
si los hay
*La interacción de éste, con el sustrato es no – covalente,
por tanto, es reversible
* Es hidrofóbico, aunque puede tener a.a. polares y
aún cargados
* Tiene capacidad de “orientar” al sustrato
LAS ENZIMAS PUEDEN REQUERIR DE COFACTORES PARA SU ACTIVIDAD
Uno o varios iones
Inorgánicos
COFACTOR
PEQUEÑA SE LLAMA COENZIMA
Una molécula orgánica
UNIÓN FUERTE SE LLAMA
GRUPO PROSTÉTICO
LAS COENZIMAS SE DERIVAN DE LAS VITAMINAS
VITAMINA
COENZIMA
REACCIÓN EN LA QUE ESTÁ
INVOLUCRADA
Tiamina (vitamina B1)
Tiamina pirofosfato
Activación y transferencia de aldehídos
Riboflavina (vitamina B2)
Flavin mononucleótido o
FMN; flavin adenin
dinucleótido o FAD+,
Oxidación-reducción
Niacina
Nicotin amida adenin
dinucleótido o NAD+; Nicotin
amida adenin dinucleótido
fosfato o NADP+
Oxidación-reducción
Ácido pantoténico
Coenzima A
Activación y transferencia de grupos acilo
Piridoxina
Fosfato de piridoxal
Reacciones que involucran la activación de
aminoácidos
Biotina
Biotina
Activación y transferencia de CO2
Ácido lipoico
Lipoamida
Activación del grupo acilo:oxidaciónreducción
Ácido fólico
Tetrahidrofolato
Activación y transferencia de grupos
funcionales de un sólo carbono
Vitamina B12
Adenosil cobalamina; metil
cobalamina
Isomerizaciones y transferencia de grupos
metilo
ESTRUCTURA DE LAS COENZIMAS
ESTRUCTURA DE LAS COENZIMAS
Biotina
Pirofosfato de tiamina
Ácido ascórbico
Nomenclatura de las enzimas
a) Nombre común: sustrato o producto + terminación asa
b) Nombre sistemático
a) Reacción que cataliza
b) Clase
c) Subclase
d) Número
Tipos de enzimas según la reacción que catalizan:
1) Oxidoreductasas.- Reacciones redox que involucran transferencia
de electrones
2) Transferasas.- Reacciones de transferencia de grupos funcionales
3) Hidrolasas.- Reacciones de hidrólisis
4) Liasas.- Crean dobles enlaces
5) Isomerasas.- Reacciones de isomerización
6) Ligasas.- Formación de puentes con rompimiento de ATP
¿QUÉ HACEN?
LAS ENZIMAS MODIFICAN LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN PERO NO LOS
EQUILIBRIOS
LA ENERGÍA LIBRE (G) ES UNA FUNCIÓN TERMODINÁMICA QUE PERMITE
COMPRENDER A LOS ENZIMAS
DOS CONSIDERACIONES DE UNA REACCIÓN:
1) La diferencia de energía libre (∆G) entre los productos y reactantes
2) La energía requerida para iniciar la conversión de los reactantes a productos
S
P
Energía libre
Estado de transición
Estado
basal
Estado
basal
Coordenada de reacción
(cambios químicos)
DETERMINA
LA
ESPONTANEIDAD
DE LA REACCIÓN
EL ∆G ENTRE REACTANTES Y PRODUCTOS INDICA EL EQUILIBRIO
DE LA REACCIÓN
LOS ENZIMAS ACELERAN ESTE PASO
¿CÓMO LO HACEN?
S
P
BARRERA
ENERGÉTICA
Estado de transición S
Energía libre
Energía libre
de activación
MÁS
LENTA
Estado
basal
Energía
libre
Estado
basal
Coordenada de reacción
(cambios químicos)
LOS ENZIMAS FACILITAN LA FORMACIÓN DEL ESTADO DE TRANSICIÓN
Energía libre
(Proporcionando una superficie complementaria a su estereoquímica, polaridad
o carga)
Estado de transición S
Estado
basal
Energía
libre
Estado
basal
Coordenada de reacción
(cambios químicos)
• Las enzimas disminuyen la energía de activación
de las reacciones que catalizan, pero no
modifican la constante de equilibrio
• Por tanto aceleran en igual proporción la
velocidad de la reacción en las dos direcciones
AUMENTOS EN LA VELOCIDAD DE ENTRE
5 A 17 ÓRDENES DE MAGNITUD
¿CÓMO FACILITAN LOS ENZIMAS LA DISMINUCIÓN DE LA
ENERGÍA LIBRE DE ACTIVACIÓN?
FAVORECER LA FORMACIÓN DE ESTADOS DE TRANSICIÓN:
1) A TRAVÉS DE LA FORMACIÓN DE ENLACES COVALENTES
DURANTE LA CATÁLISIS
(ENTRE SUSTRATOS Y LAS CADENAS LATERALES DE CIERTOS
RESIDUOS DE AMINOÁCIDOS, IONES METÁLICOS Y COENZIMAS)
2) POR MEDIO DE INTERACCIONES NO COVALENTES ENTRE EL ENZIMA
Y EL SUSTRATO
ENERGÍA DE FIJACIÓN
Es aquella energía proveniente de la interacción
enzima-sustrato
ENERGÍA DE FIJACIÓN PERMITE:
LA ESPECIFICIDAD Y LA CATÁLISIS
LAS INTERACCIONES DÉBILES ESTÁN OPTIMIZADAS EN EL ESTADO
DE TRANSICIÓN
EL SITIO CATALÍTICO DE LOS ENZIMAS SON COMPLEMENTARIOS NO
A LOS SUSTRATOS per se SINO A LOS ESTADOS DE TRANSICIÓN
¿EN QUE PARTE DEL ENZIMA SUCEDE ESTO?
MODELO DE LA LLAVE-CERRADURA
Modelo de la llave – cerradura (Fisher)
Substrato
+
a
b c
Enzima
a
b c
Complejo
[enzima - sustrato]
Modelo del guante – mano (Koshland)
o Modelo de ajuste inducido
MODELOS DE RECONOCIMIENTO
ENZIMA - SUSTRATO
Sustrato
+
a
b c
Enzima
a
b
c
Complejo
[enzima - sustrato]
MODELO DEL AJUSTE INDUCIDO
Postulado por Daniel Koshland en 1958
Disminución de los movimientos de los sustratos que reaccionan
REDUCCCIÓN DE LA ENTROPÍA
La formación de enlaces débiles enzima-sustrato da lugar a la DESOLVATACIÓN
DEL SUSTRATO (las interacciones reemplazan los puentes de hidrógeno
que existan entre el sustrato y el agua en disolución)
CAMBIO CONFORMACIONAL del enzima cuando se fija el sustrato
FACTORES FÍSICOS O FISICOQUÍMICOS QUE
PUEDEN AFECTAR LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
1.
2.
3.
4.
pH
TEMPERATURA
FUERZA IÓNICA
CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MEDIO
Efecto de la temperatura en la actividad enzimática
Temperatura óptima
Actividad
de la
enzima
20º C
30º C
60ºC
Efecto del pH en la actividad enzimática
pH óptimo
Tripsina
A
C
T
I
V
I
D
A
D
8
pH
Pepsina
Colinesterasa
pH
8
2
pH
4
Papaína
5
pH
8
E+S
ES
E+P
Sustrato
[Enzima-sustrato]
Producto
Sitio activo
Enzima
Sitio activo
+
CINÉTICA ENZIMÁTICA.- Disciplina que se encarga de
estudiar el mecanismo de una reacción catalizada
enzimáticamente.
OBJETIVO.- Determinar la velocidad de la reacción y
evaluar como se ve modificada ésta en
respuesta a cambios en los parámetros
experimentales
VELOCIDAD= Cantidad de sustrato desaparecido o
producto formado por la enzima por unidad de tiempo
Por tanto sus unidades son
cantidad de compuesto sobre unidad de tiempo:
moles
µmoles
nmoles
gramos
miligramos
µgramos
hora
minuto
segundo
S
P
E+S
ES
E+P
ESTADO
PRE-ESTACIONARIO
1) ESTADO PRE-ESTACIONARIO = HAY EXCESO DE SUSTRATO Y AUMENTA
LA CONCENTRACIÓN DE ES
(ES RÁPIDO, DURA MICROSEGUNDOS)
2) ESTADO ESTACIONARIO = LA CONCENTRACIÓN ENZIMA-SUSTRATO
PERMANECE APROX. CONSTANTE
MODELO DE Leonor MICHAELIS -Maud MENTEN
E + S
k1
[ES]
k2
E + P
1
K-1
Relaciona velocidad de la reacción con [S] y [E]
Vo = k2 [ES]
2
Queremos saber cuánto ES se forma
Velocidad de formación de ES = k1 [E][S] 3
Velocidad de desaparición de ES = (k-1 + k2) [ES]
4
En el estado estacionario, las velocidades de formación y desaparición
de [ES] son iguales, donde [ES] es constante, mientras que [Reactivos] y
[Productos] cambian
k1 [E] [S] = (k2 + k3) [ES]
[ES] = [E] [S]
(k2 + k3)/k1
5
6
Definimos una nueva constante: (para el denominador)
Km = constante de Michaelis
Km = k2 + k3
k1
Km es independiente de la concentración del enzima
y la de sustrato
7
Sustituimos en
6
[ES] = [E] [S]
Km
8
Asumiendo que ponemos un gran exceso de S con respecto a E, entonces [S]
va a ser teóricamente la inicial o sea el total de [S].
Con respecto a [E], ésta se va a estar combinando con él. Va haber también E libre.
[E] = [Etotal] - [ES] 9
Sustituyendo para [E] en 8
[ES] = ([Etotal] - [ES] ) [S]
10
Km
[ES] = [Et] [S] / Km
1 + [S] / Km
11
[ES] = [Et]
12
[S]______
[S] + Km
Vo = k2 [ES]
V = k2 [Et]
[S]__
[S] + Km
13
Ya que la velocidad máxima (Vmax) se alcanza cuando los sitios de la enzima
están saturados con sustratos, o sea cuando [S] >> Km, y entonces
[S]____ Se aproxima a 1
[S] + Km
entonces
Vmax = k2 [Et]
sustituyendo 14
14
en
Km = [S] a la cual la velocidad de la reacción tiene
la mitad de su valor máximo
13
V = Vmax ___[S]
___
[S] + Km
VELOCIDAD DE LA REACCIÓN
V = Vmax ___[S]
___
[S] + Km
Concentración del sustrato
GRÁFICA DE DOBLES RECÍPROCOS O DE LINEWEAVER-BURK
(TRANSFORMACIÓN DE LA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN)
Vo = Vmax ___[S]
___
[S] + Km
INVERSO
1 = Km + [S]
Vo
Vmax [S]
Pendiente
1 =
Km
Vo
Vmax [S]
1 =
Km
Vo
Vmax [S]
+
[S]
Vmax [S]
+
1
Vmax
Ecuación de Lineweaver-Burk