Tema 7. Enzims i Catàlisi

Tema 7. Enzims i Catàlisi

• Els enzims són el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc a les cèl·lules per obtenir matèria per créixer, i energia per dur a terme les funcions vitals (nutrició, reproducció i relació).
• Les reaccions químiques, si no hi ha enzims es donen molt lentament.
• Els enzims acceleren les reaccions químiques per tal que es donin a velocitats compatibles amb les necessitats dels organismes vius.
• Els enzims són catalitzadors, augmenten la velocitat de les reaccions químiques.
• El catalitzador no es consumeix durant el procés.
• Els enzims biològics actuen a una temperatura de 37ºC i un pH 7.
• Els enzims no es consumeixen amb la reacció.
• Classificació i Nomenclatura d'enzims.
• Cofactors, coenzims i paper de les vitamines.
• Mecanisme d'acció dels enzims.
• Inhibició i regulació enzimàtica.
• Regulació al·lostèrica.
• Regulació per modificació covalent.

Història

• Segle XVIII. Digestió de la carn per les secrecions de l'estómac.
• Segle XIX. Estudi de la digestió del midó per la saliva.
• 1850. Louis Pasteur: fermentació del sucre en alcohol pels llevats estava catalitzat per ferments i que aquests no podien funcionar fora de la cèl·lula.
• 1897 Eduard Buchner: extractes de llevat fermenten l'alcohol.
• Frederic William Kühne: els anomena enzims
• 1926 James Summer: cristal·litza el primer enzim (la Ureasa) i postula que tots els enzims són proteïnes
• 1930 John Northrop i Moses Kunitz: cristal·litzen la pepsina, la tripsina i altres enzims digestius i van demostrar que també eren proteïnes.
• 1930 J.B.S. Haldane: escriu un tractat sobre els enzims on postula que les interaccions dèbils entre el substrat i l'enzim són responsables de la catàlisi de les reaccions.

Característiques dels enzims

• La majoria són proteïnes amb l'excepció dels ribozims (una minoria rRNA).
• Els enzims poden ser monomèrics o oligomèrics.
• L'activitat catalítica depèn de la conformació nativa.
• L'enzim es troben a tots els compartiments cel·lulars: proteïnes del citosol, al nucli, membrana i mitocondris.
• Incrementen la velocitat de reacció (10⁶-10¹²).
• Treballen en condicions fisiològiques (pH=7 i 37°C).
• Els enzims són altament específics:
  • Sobre el substrat (S) el qual actuen (també estereoespecífics).
  • Per la reacció que catalitzen.
• Els enzims es regulen (la capacitat catalítica depèn de diferents senyals químics, nivells d'enzims, substrats, etc.).

Cofactors

• Alguns enzims requereixen grups químics addicionals per ser actius, anomenats cofactors.
• Els cofactors poden ser cations metàl·lics (Zn²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺ o Mg²⁺).
• Les molècules orgàniques (NAD⁺, FMN, FAD⁺, NADP⁺, etc) i moltes vitamines són coenzims.
• L'enzim sense el cofactor es diu apoenzim (enzim inactiu).
• El complex format per l'enzim i el cofactor es diu holoenzim.
• Quan el cofactor/coenzim es troba unit a l'enzim esdevé el grup prostètic de la proteïna.

Vitamines del Complex B

• Les vitamines del complex B formen molts coenzims.
• Les vitamines del complex B són hidrosolubles i no s'emmagatzemen al cos.

Classificació i Nomenclatura

• Nomenclatura: nom de la reacció que catalitzen + sufix ASA o -asa.
• Pepsina del grec pepsis (digestió)
• Lisozima pel seu paper a la lisis bacteriana.
• Tripsina del grec Tryein (desgastar)
• EC (Comissió dels Enzims): 6 Grups principals:
  • Oxidoreductases.
  • Transferases.
  • Hidrolases.
  • Liases.
  • Isomerases.
  • Lligases/Sintases.

Funcionament dels enzims

• La unió E-S és fonamental per tal que els enzims catalitzin les reaccions.
• Centre Actiu: lloc de fixació del substrat on es dóna la catàlisi.
• E+S units per unions Covalents transitòries i NO covalents (ponts H, Vder W, electrostàtiques...).
• Els enzims són específics per substrats i reaccions.
• Unió ES indueix:
  • Reducció de l'Entropia.
  • Eliminació dels Ponts Hidrogen.
  • Afavoreix la distorsió necessària per les reaccions
  • Alineament de les molècules.
• 1864, FISCHER. Hipòtesi de pany i clau.
• 1960, Koshland. Hipòtesi de l'encaix induït.

Tipus de Catàlisi

• Catàlisi Covalent: Unions covalents transitòries que permeten les reaccions químiques.
• Catàlisi Àcid-Base: transicions redox a través de residus funcionals com Histidina que donen o rep H+
• Catàlisi per lons Metallícs: ajuda a orientar el substrat i en reaccions redox.

Cinètica de l'activitat enzimàtica

• Permet estudiar l'activitat dels enzims.
• Reacció Enzimàtica a concentracions constants de E.
• Els enzims són saturables.
• Km Constant de Michaelis-Menten (Concentració de S per a una velocitat igual a la meitat de la Vmax.)
• Vmax velocitat màxima d'una reacció enzimàtica.

Afinitat dels enzims

• La Km és un indicador de l'afinitat de l'enzim pel substrat.
• Com més petita és la Km, més afinitat té l'enzim pel substrat.

Eficàcia Catalítica dels Enzims

• Kcat/Km ens permet conèixer l'eficàcia dels enzims.
• Representa la relació entre la velocitat (kcat) de l'enzim i la afinitat (Km) pel substrat.

Reaccions Multisubstrat

• Mecanisme Seqüencial: unió dels substrats a l'atzar o en ordre específic.
• Mecanisme Ping-Pong: catalització de les reaccions successives.

Inhibició Enzimàtica

• Tipus d'inhibidors: inhibidors específics i substàncies tòxiques/fàrmacs.
• Tipus d'Inhibició:
  • Reversible (unió no covalent):
    • Competitiva.
    • No competitiva.
    • Acompetitiva (incompetitiva).
  • Irreversible (unió covalent).
• Intoxicació per metanol: tractament amb etanol.

Inhibició Reversible

• Inhibició Competitiva: Inhibidor s'uneix al centre actiu.
• No afecta la Vmax.
• Augmenta la Km (disminueix la afinitat per S).
• Inhibició No competitiva: Inhibidor s'uneix a l'enzim en un lloc diferent del centre actiu.
• Disminueix la Vmax.
• Km no canvia.
• Inhibició Acompetitiva (incompetitiva): Inhibidor s'uneix només al complex ES.
• Disminueix la Vmax.
• Disminueix la Km (augmenta l'afinitat).

Influència del pH i la temperatura en l'activitat enzimàtica

• Els enzims treballen a un interval de pH i temperatura òptims.
• Aquestes solen ser a pH 7 i 37°C.
• El pH afecta als enzims no només per la desnaturalització sinó també degut a que afecta el nombre de H+ dels residus necessaris per realitzar la catàlisi.

Regulació de l'activitat enzimàtica

• Regulació de la quantitat d'E (lenta).
• Regulant l'activitat de l'E (ràpida).
  • Regulació al·lostèrica.
  • Modificacions covalents.
  • Proteòlisi.

Regulació per fosforilació

• És la més habitual. Addició d'un o més P sobre la molècula d'E.
• Quinases afegeixen P
• Fosfatases treuen P

Regulació per ruptura proteolítica

• Els enzims es sintetitzen en forma inactiva (Proenzims o zimògens).
• El proenzim es processa en enzims actius per ruptura proteolítica.
• Generalment aquestes reaccions són catalitzades per una proteasa o pel propi enzim inactiu, que trenca un dels enllaços peptídics de la cadena separant els segments peptídics de l'E actiu.
• Exemples de proteases digestives (zimògens).

Regulació Homotròpica

• Els enzims homotròpics són enzims amb subunitats proteiques, i un primer substrat canvia la conformació augmentant l'afinitat de les altres subunitats.
• Cooperativitat entre les unitats, el primer substrat varia la conformació de la subunitat, augmentant l'afinitat de l'E pel S.

Regulació Heterotròpica

• Els enzims heterotròpics contenen un centre al·lostèric que permet la seva regulació.
• Efectors al·lostèrics negatius disminueixen l'afinitat de l'E pel S. Incrementen K0.5, mentre que la Vmax no canvia.
• Efectors al·lostèrics positius augmenten l'afinitat de l'E pel S, disminuïx la K0.5 corba cap a l'esquerra mentre la Vmax no canvia.

Explora el fascinant món dels enzims i la seva funció vital com a catalitzadors de reaccions químiques. Aprendràs sobre la seva estructura, mecanisme d'acció, i la seva regulació enzimàtica. A més, analitzarem la importància dels cofactor i coenzims en les reaccions biològiques.