sustratos - Profesora Maribel Arnes

1 Características generales
1.
• Los enzimas son p
proteínas q
que catalizan reacciones
químicas en los seres vivos.
• Los enzimas son catalizadores, es decir, sustancias
que, sin consumirse en una reacción, aumentan
notablemente su velocidad.
• No hacen factibles las reacciones imposibles, sino
que solamente aceleran las que espontáneamente
podrían producirse.
• Ello hace posible que en condiciones fisiológicas
t
tengan
l
lugar
reacciones
i
que sin
i
catalizador
t li d
requerirían condiciones extremas de presión,
temperatura o pH.
2. Ca
Características
acte st cas de la
a enzima
e
a
• Proteínas
altamente
especializadas
p
como
catalizadores
• Macromoléculas
• Son muy específicas respecto a sus sustratos
• Funcionan en solución acuosa en condiciones
limitadas de temperatura y pH
• Su actividad depende de la integridad de su
conformación
• Hay enzimas que requieren de un grupo químico
adicional llamado cofactor o coenzima
Cofactores
Co
acto es y Coe
Coenzimas
as
• Son sustancias no proteicas, requeridos a veces por
una enzima
i
para su función,
f
ió puesto
t que colaboran
l b
en la catálisis
• Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como
ell Fe++,
F ++ Mg++,
M ++ Mn++,
M ++ Zn++
Z ++ etc.
t Casi
C i un tercio
t
i de
d los
l
enzimas conocidas requieren cofactores.
• Cuando el cofactor es una molécula orgánica se
llama coenzima.
coenzima Muchos de estas coenzimas se
sintetizan a partir de vitaminas.
• Cuando los cofactores y las coenzimas se
encuentran unidos covalentemente a la enzima,
enzima se
llaman grupos prostéticos.
cofactor
PROTEÍNA
coenzima
apoenzima o
apoproteína
grupo prostético
HOLOENZIMA
O
PROTEINA CONJUGADA
Molécula de hemoglobina
g
(proteína q
(p
que transporta
p
oxígeno) y su coenzima (el grupo hemo).
3. Nomenclatura
3
o e c atu a de las
as enzimas
e
as
Hay varias formas mediante las cuales se asigna un
nombre a un enzima:
• nombres particulares
Estos eran asignados por su descubridor. Al ir
aumentando
t d ell número
ú
d enzimas
de
i
conocidos,
id
se
hizo necesaria una nomenclatura sistemática que
informara sobre la acción específica
p
de cada enzima
y los sustratos sobre los que actuaba.
• nombre sistemático
El nombre sistemático de un enzima consta
actualmente de 3 partes:
1.- el sustrato preferente
2.- el tipo de reacción realizado
3.- terminación "asa"
Un ejemplo
U
j
l
sería
í
l
la
glucosa
l
f f
fosfato
isomerasa que cataliza la isomerización de la
glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.
• código
g
de la comisión enzimática ((enzyme
y
comission)
El nombre de cada enzima puede ser identificado
por un código
ódi
numérico,
éi
encabezado
b
d por las
l
l t
letras
EC (enzyme commission), seguidas de 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,
grupo el tercero y el cuarto se refieren a los
grupos químicos específicos que intervienen en la
reacción.
4. Clasificación de las enzimas
CLASIFICACION INTERNACIONAL DE LAS ENZIMAS
OXIDORREDUCTASAS
TRANSFERASAS
HIDROLASAS
LIASAS
ISOMERASAS
LIGASAS
TRANSFERENCIA DE ELECTRONES
( iones hidruro o átomos de hidrogeno
TRANSFERENCIA DE GRUPOS
REACCIONES DE HIDRÓLISIS
ADICION DE GRUPOS A DOBLES ENLACES
FORMACION DE DOBLES ENLACES
TRANSFERENCIA DE GRUPOS DENTRO DE UNA MOLECULA
FORMACION DE ENLACES ( C-C // C-S // C-O// C-N)
MEDIANTE REACCIONES ACOPLADAS DE ATP
5. S
5
Sitio
t o Activo
ct o
• La reacción catalizada enzimáticamente tiene lugar
en una zona de
d la
l enzima
i
d
denominada
i d sitio
iti activo
ti
y
la molécula que es fijada en el sitio activo y sobre la
cual actúa la enzima se denomina sustrato
• El sitio activo comprende
(1) un sitio de unión formado por los aminoácidos
que están en contacto directo con el sustrato
q
(2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos
directamente implicados en el mecanismo de la
reacción
6. Mecanismo
6
eca s o de ac
ación
ó e
enzimática
át ca
Para q
que una reacción q
química tenga
g lugar,
g , las
moléculas de los reactantes deben chocar con una
energía y una orientación adecuada.
La actuación de la enzima permite:
• que los reactantes (sustratos) se unan a su sitio
activo con una orientación óptima para que la
reacción se produzca y
propiedades
p
químicas del sustrato
q
• modifica las p
unido a su sitio activo, debilitando los enlaces
existentes y facilitando la formación de otros
ue os
nuevos.
Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato
se une al sitio activo de la enzima:
• el modelo llave-cerradura
Este supone
p
que la estructura del sustrato y la del
q
sitio activo son complementarias, de la misma forma
que una llave encaja en una cerradura. Este modelo
es válido en muchos casos,
casos pero no es siempre
correcto.
• el modelo del ajuste inducido
En algunos casos, el sitio activo adopta la
conformación idónea sólo en presencia del sustrato.
La unión del sustrato al sitio activo de la enzima
desencadena un cambio conformacional que da
lugar a la formación del producto.
7. Co
Comportamiento
po ta e to cinético
c ét co de las
as e
enzimas
as
• En las reacciones espontáneas,
p
, los p
productos
finales tienen menos energía libre de Gibbs (ΔG) que
los reactantes. Por tanto, en las reacciones
espontáneas se libera energía de Gibbs (ΔG<0).
(ΔG<0)
• Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere un
aporte inicial de energía. Esta energía inicial que hay
que suministrar a los reactantes para que la
reacción transcurra se llama energía de activación
(Ea) Cuanto menor es la Ea más fácilmente
(Ea).
transcurre la reacción.
• La
acción
de
los
catalizadores
consiste,,
precisamente, en disminuir la Ea. Los enzimas son
catalizadores especialmente eficaces, ya que
disminuyen la Ea aún más que los catalizadores
inorgánicos.
• Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada
(H2O2) para dar H2O y O2 puede ocurrir sin
catalizador, con un catalizador inorgánico (platino),
o con un enzima específica (catalasa).
(catalasa) Las
respectivas Ea para cada proceso son 18, 12 y 6
Kcal/mol.
LOS GRUPOS
CATÁLITICOS DE
UNA ENZIMA
( CADENAS LATERALES DE LOS
AMINOACIDOS, IONES, COENZIMAS)
ªPueden interactuar de manera
transitoria con un sustrato activándolo
ªDisminuyen la energía de activación
de una reacción al proporcionar una
ruta alternativa de menor energía
g
ªLa energía requerida para disminuir la
energía
de
activación
proviene
generalmente de las interacciones débiles
no covalentes entre sustrato y enzima
ªla
formación
del
[ES] viene
acompañada de una pequeña liberación de
energía libre
ENERGÍA DE FIJACIÓN
Es la principal fuente de energía libre para
disminuir la energía de activación de las
reacciones
Ejemplo:
8. Actividad enzimática
• La actividad de una enzima se determina midiendo la
cantidad producto formado (o de sustrato
consumido) por unidad de tiempo.
• Una molécula de enzima no tiene por qué actuar
siempre a la misma velocidad. Su actividad puede
estar modulada por:
a) Concentración de enzima
b) Concentración sustrato
c)) Temperatura
T
t
d) pH
e) Inhibidores
a) Co
Concentración
ce t ac ó de e
enzima
a
• La
actividad
enzimática
es
directamente
proporcional a la concentración de la enzima,
cuando se mantienen los otros factores ambientales
constantes (temperatura y pH).
pH)
b) Concentración de sustrato
• Uno de los factores clave q
que afectan a la velocidad
de una reacción catalizada por una enzima es la
cantidad de sustrato presente, [S].
• La forma hiperbólica
p
de esta curva se p
puede
expresar algebraicamente mediante la ecuación de
Michaelis- Menten:
V
* [S]
V = max
o Km + [S]
• donde
Vmax = Velocidad máxima
Vo = Velocidad inicial
[S] = Concentración del sustrato
Km = Constante de Michaelis-Menten
• Esta ecuación se p
puede transformar a una forma
más útil de representar los datos experimentales, la
ecuación denominada ecuación de Lineweaver-Burk
1
Km
1
1
=
*
+
[S] Vmax
V
V
o
max
• Para las enzimas que obedecen la relación de
Michaelis-Menten la gráfica de 1/Vo frente a 1/[S] da
una línea recta
Km UN PARÁMETRO CINÉTICO IMPORTANTE
• Para p
poder comparar
p
una enzima con otra en cuanto
a su poder catalítico debe estandarizarse al estado
estacionario
• En el estado estacionario la velocidad de formación
y desaparición del complejo ES se igualan.
S + E ↔[ES]→ E+P
k1
K2
k-1
• Se establece que Km = (k-1+k2)/k1
• Km es una relación de constantes de velocidad para
p
una determinada reacción.
• Km es la concentración de sustrato para la cual la
velocidad de reacción es la mitad de la velocidad
máxima. En efecto, si Km = [S], la ecuación de
Michaelis-Menten se reduce a: v = Vmax/2.
• El valor de Km da idea de la afinidad del enzima por
el sustrato: A menor Km, mayor afinidad de la
enzima por el sustrato, y a mayor Km, menor
afinidad.
c) Temperatura
• En las reacciones catalizadas p
por enzimas los
aumentos de temperatura aceleran las reacciones.
Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta
p
, se empiezan
p
a desnaturalizar p
por el
temperatura,
calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica
es máxima se llama temperatura óptima.
d) pH
•
Los enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH;
amino -NH2; tiol -SH, etc.) en las cadenas laterales de sus
aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener
carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de
las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH
en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad
catalítica. Este es el llamado pH óptimo.
d) Inhibidores
INHIBICIÓN REVERSIBLE
™ Unión no covalente entre un
compuesto y la enzima
™ El compuesto inhibidor puede
unirse al sitio activo de la enzima
o en otro sitio dejando libre el sitio
activo
1 - Inhibición
1.
I hibi ió Competitiva
C
titi
2.- Inhibición NO Competitiva
™
™
™
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
INHIBICIÓN IRREVERSIBLE
Unión
covalente
entre
un
compuesto y la enzima
Se unen al sitio activo de la
enzima en forma irreversible
Casi todos estos inhibidores son
sustancias tóxicas naturales o
i téti
sintéticas
Cianuro
Diisopropil fluorofosfato
Sarin
Penicilina
Paration
Fisostgmina
INHIBICION REVERSIBLE
Competitiva
No competitiva
™ El inhibidor compite con el ™ El inhibidor se fija a un sitio distinto
sustrato por el sitio activo de la
al sitio activo
enzima
™ Impide la formación del complejo ™ No se bloquea la formación del
enzima- sustrato
complejo enzima-sustrato
Competitiva
No competitiva
™ El inhibidor se parece al sustrato y ™ El inhibidor no se parece al
puede formar el complejo
sustrato
enzima-inhibidor
™
™ Impide
p
la formación del complejo
p j ™ No se bloquea
q
la formación del
enzima- sustrato
complejo enzima-sustrato
™ La enzima no puede unirse al
sustrato
™ La enzima se inactiva al unirse al
inhibidor estando o no unido el
sustrato
™ Puede anularse el efecto del
inhibidor aumentando la
concentración de enzima
™ No se p
puede anular el efecto con
el aumento del sustrato
™ Si aumenta la concentración de
sustrato, se minimiza la
probabilidad que se forme el
complejo enzima-inhibidor
™ El inhibidor disminuye la
concentración de enzima
™ La velocidad máxima de la
reacción es norma
™ Por lo tanto disminuye la
velocidad máxima
™ Aumenta Km
™ No tiene efecto sobre Km
1/V
1/V
inhibidor
inhibidor
Sin inhibidor
1/ Vmax
Sin inhibidor
1/ Vmax
-1/ Km
1/S
-1/ Km
1/S
9. Regulación de la actividad enzimática
• Dentro de las células se llevan a cabo infinidad de
procesos metabólicos, todos ellos relacionados
entre sí, de manera que deben estar controlados en
forma precisa.
precisa
• Para lograr esta coordinación metabólica es preciso
disponer de mecanismos de control o regulación
adecuados (enzimas reguladoras).
•
Existen
distintos
tipos
de
mecanismos
regulatorios de la actividad enzimática:
a) Control a nivel de sustrato
b) Inhibición por retroalimentación
c)) Moduladores alostéricos
d) Regulación por modificación covalente
e) Regulación genética
a) Control a nivel de sustrato
• Parte de la regulación
g
enzimática se p
produce de una
forma sencilla, mediante la interacción directa de los
sustratos y los productos de cada reacción
catalizada enzimáticamente con la propia enzima.
enzima
• Sin embargo, el control a nivel de sustrato no es
suficiente para la regulación de muchas rutas
metabólicas.
b) Inhibición por retroalimentación
• Las enzimas suelen estar dispuestas
p
en “líneas de
ensamblaje” para llevar a cabo los pasos
secuenciales necesarios en una ruta metabólica.
• Generalmente en estos casos el producto de la
última reacción de la vía metabólica, actúa
inhibiendo a las enzimas que intervienen en los
primeros pasos, retroalimentación negativa.
El producto final es un
inhibidor de la enzima
reguladora,
la
cual
cataliza la primera etapa
comprometida.
c) Moduladores alostéricos
• Este tipo
p de regulación
g
ocurre solo en las enzimas
alostéricas, que son enzimas que por lo general
tienen estructura cuaternaria y además del sitio
activo p
poseen otros capaces
p
de reconocer efectores
o moduladores, que se denomina sitios alostéricos..
• Las enzimas alostéricas son proteínas con múltiples
subunidades, con múltiples lugares activos (sitios
activos y sitios alostéricos))
• Presentan cooperatividad
p
de unión del sustrato
(homoaloterismo) y una regulación de su actividad
por otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).
• La principal ventaja del control alostérico se
encuentra en los efectores heteroalostéricos, que
pueden ser inhibidores o activadores.
activadores
• Los moduladores alostéricos se fijan
j
de forma no
covalente a las enzimas que regulan.
d) Por modificación covalente
• Algunas
g
enzimas están totalmente inactivas hasta
que la altera una modificación covalente.
• La enzima se une covalentemente a algún grupo
químico y de esta forma se activa o se inactiva la
enzima.
• El grupo que más frecuentemente interviene en este
tipo
p
de regulación
g
es el g
grupo
p
fosfato ((P))
(fosforilación y desfosforilación )
• Otro tipo
p de activación enzimática covalente es la
ruptura proteolítica.
• Pertenecen a este grupo la tripsina,
tripsina quimotripsina,
quimotripsina la
elastasa y la carboxipeptidasa.
• Todas se sintetizan en el páncreas en su forma
inactiva, moléculas ligeramente más grandes,
cataliticamente inactivas,, denominadas zimógenos.
g
• Los zimógenos deben romperse proteolíticamente
en el intestino para producir las enzimas activas.
• E
Estas
t enzimas
i
se degradan
d
d tras
t
h b cumplido
haber
lid sus
fines, por lo que no ponen en peligro el tejido
intestinal.
e) Regulación genética
• Involucra el control a nivel del ADN.
• El ADN es la molécula que almacena la información
para la síntesis de proteínas de acuerdo al siguiente
flujo de información:
• De manera que si podemos impedir el pasaje de ADN
a ARNm
ARN (transcripción)
(t
i ió ) impedimos
i
di
l síntesis
la
í t i de
d la
l
enzima y por ende no se catalizará la reacción en la
que dicha enzima interviene.
10. Conexiones bioquímicas
• Enzimas como marcadores de enfermedades:
Enzima lactato deshidrogenasa (LDH):corazón y
músculo esquelético
Enzima creatina cinasa (CK): cerebro,
cerebro corazón y
músculo esquelético
• Inhibición de enzimas en el tratamiento del sida:
Enzima VIH proteasa
• Tratamiento contra la adicción de la cocaína:
Enzima esterasa