Enzimas: características y clasificación - Grado en Medicina - Bioquímica I - PDF
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2024
Antonio J. Pazos Castelos
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Este documento resume los conceptos fundamentales sobre enzimas, incluyendo aspectos como características, clasificación, cinética y mecanismos de catálisis, en el contexto de un curso de bioquímica para medicina.
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Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular. Facultad de Medicina y Odontología Grado en Medicina - Bioquímica I - Curso 2024-25 ENZIMAS Enzimas: características y clasificación. Mecanismos de catálisis enzimática....
Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular. Facultad de Medicina y Odontología Grado en Medicina - Bioquímica I - Curso 2024-25 ENZIMAS Enzimas: características y clasificación. Mecanismos de catálisis enzimática. Cinética de las reacciones enzimáticas. Inhibición y regulación de la actividad enzimática. Prof. Antonio J. Pazos Castelos 1 Concepto de enzima Los enzimas son biomoléculas (proteínas principalmente) cuya función es acelerar la velocidad de las reacciones químicas que tiene lugar en los sistemas biológicos. La reacción tiene que ser energéticamente favorable, ya que el enzima no influye sobre este aspecto de la reacción. Velocidad de reacción (v) Velocidad máxima sustrato producto Con enzima enzima Sin enzima biocatalizador Concentración de sustrato [S] 2 Cinética de una reacción La velocidad de una reacción se mide como la desaparición de los reactivos o la formación de los productos en relación al tiempo. S P velocidad = -d[S]/dt = d[P]/dt Producto formado Producto formado Producto formado V V [S3] [E3] [S2] [E2] V0 V0 [S1] [E1] Tiempo Tiempo Tiempo La velocidad es la tangente de la curva. La velocidad cambia constantemente a medida que la reacción se aproxima al equilibrio y en el equilibrio es igual a cero. 3 Características Los enzimas no afectan al equilibrio químico no modifican la constante del equilibrio – Los enzimas aumentan la velocidad de reacción, tanto en un sentido como en el otro – La reacción tiene que ser energéticamente (termodinámicamente) favorable, ya que el enzima no influye sobre la energética de la reacción Los enzimas manifiestan una gran especificidad para el sustrato solo actúan con una determinada sustancia que posee una estructura química bien definida El enzima siempre se regenera al final del proceso que cataliza no se consume en el ejercicio de su función 4 La mayor parte de los enzimas son proteínas cuyas cadenas poseen estructura terciaria (monoamino oxidasa B) Human Monoamine Oxidase B. PDB DOI: 10.2210/pdb1GOS/pdb 5 Los enzimas son estereoespecíficos Son necesarios al menos tres puntos de unión entre el sustrato y el enzima para permitir reacciones estereoespecíficas. Los tres sitios de unión de un sustrato al sitio sustrato activo de una enzima. Los dos grupos representados en color azul C son idénticos. Pero cuando los grupos rojo y verde están unidos a sus sitios complementarios en el enzima, sólo uno de los grupos azules puede unirse. Una vez unidos a una enzima, los grupos representados en azul, aunque son iguales, están cada uno de ellos ligado a una posición enzima determinada, por lo que son distinguibles, esto permite una reacción estereoespecífica. 6 Los enzimas son estereoespecíficos, tanto para la unión del sustrato como para la formación del producto CH -COO - CH -COO - 2 2 aconitasa citrato C C - - CH-COO HO CH2-COO H - HO COO COO - isocitrato enzima 7 La especificidad de sustrato de los enzimas es consecuencia de la existencia de una complementariedad geométrica y electrónica de los grupos implicados en su unión al centro de fijación del sustrato Grupo hidrófobo Fig. 11-1. Fundamentos de Bioquímica, Voet y cols., Editorial Médica Panmericana, 2007 8 Especificidad de un enzima para un sustrato Modelo de llave y S cerradura (modelo de Fischer) Complejo ES E El sustrato encaja en su centro de fijación de igual manera que una llave entra o encaja en la cerradura S Modelo de encaje inducido (modelo de E Complejo ES Koshland) La interacción del sustrato con el enzima induce un cambio conformacional en el enzima que permite el encaje (unión) del sustrato 9 His 57 tríada catalítica de la tripsina Asp 102 Ser 195 El centro activo está formado por muy pocos restos aminoácidos, generalmente alejados, dentro de la estructura primaria de la proteína October 2003, David Goodsell, doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_10 10 Enzimas y energía de activación La velocidad de la reacción depende de la Para que se produzca la reacción las energía de activación. moléculas deben superar la barrera Estado de transición energética existente entre los sustratos y G‡ reacción el estado de transición (punto de máxima no catalizada ‡ G reacción catalizada energía libre y dónde la caída hacia la Energía libre (G) formación de sustratos o productos es Sustrato igualmente probable). reacción La diferencia entre los niveles de energía G del estado basal y el estado de transición se denomina energía libre de activación Producto G‡. Progreso de la reacción 11 Los enzimas aumentan la velocidad de reacción al disminuir la energía libre de activación Estado de transición (‡) La catálisis G‡ no catalizada enzimática puede pasar por la Energía libre (G) formación de más G‡ catalizada de un complejo ES EP reacción S de transición: ES, G EP P Progreso de la reacción 12 Mecanismos de catálisis La noción moderna de la catálisis enzimática dice que para que un enzima catalice una reacción ha de ser complementario al estado de transición de la reacción. Las enzimas funcionan facilitando la formación del estado de transición. Una vez unido el sustrato al enzima, grupos funcionales catalíticos situados adecuadamente colaboran en la rotura o formación de enlaces mediante diversos mecanismos: Catálisis ácido–base general: una molécula distinta al agua funciona como donante o aceptor de protones. Catálisis covalente (quimotripsina por ejemplo): transcurre con la formación de un enlace covalente transitorio entre el enzima y el sustrato. Catálisis por iones metálicos. Catálisis mediante aproximación y orientación. 13 Algunas formas para conseguir disminuir la energía de activación: mecanismo de la reacción Efecto de proximidad y orientación Distorsiones producidas por cambios conformacionales Ataque nucleofílico y transferencias de carga 14 Composición de los enzimas proteínas simples coenzima molécula orgánica enzimas proteínas complejas = apoenzima + o (holoenzimas) cofactor ion metálico Holoenzima: enzima que lleva una molécula asociada a sus cadenas polipeptídicas. Holoenzima = apoenzima + cofactor Apoenzima: cadena o cadenas polipeptídicas del enzima. Cofactor: molécula (orgánica o inorgánica) que va asociada a la cadena o cadenas polipeptídicas del enzima. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos o un complejo orgánico en este caso se denomina coenzima. Un coenzima o cofactor unido covalentemente a la proteína se denomina grupo prostético. Muchas vitaminas son precursores de coenzimas. 15 Sitios característicos de un enzima Sustrato: molécula o moléculas sobre las que actúa el enzima. Centro (sitio) de fijación del sustrato: región del enzima a la que se fija el sustrato de forma selectiva. Centro activo: región del enzima implicada en la catálisis enzimática, puede coincidir con el centro de fijación del sustrato o estar contiguo a él. Está formado por muy pocos aminoácidos. sustrato producto Centro alostérico: región, alejada del centro activo, a la que se une de forma selectiva una molécula pequeña (efector alostérico), enzima provocando un cambio en la centro activo y centro de conformación del enzima fijación al sustrato centro alostérico altera la actividad del enzima. efector alostérico (regulador de actividad) 16 Clasificación de los enzimas 1. Oxidoreductasas: catalizan reacciones de oxidación-reducción. D e s h id r o g e n a s a : H O R C O H + NA D + R C H + NA D H + H+ H 2. Transferasas: catalizan la transferencia de grupos de una molécula a otra. T ra n s a m in a sa : O O R CH COO + R' C COO R C COO + R' CH COO NH 3 NH 3 17 ……..clasificación de los enzimas 3. Hidrolasas: catalizan la ruptura de enlaces por adición de agua F o sfa ta sa : O O NH CH C + H 2O NH CH C + H OPO 3 CH 2 CH 2 OPO 3 OH 4. Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan o se añaden grupos D e s c a r b o xila s a : O O R C COO + H R C H + CO 2 18 ….…clasificación de los enzimas 5. Isomerasas: catalizan distintos tipos de reordenamientos intramoleculares. M u ta s a : COO COO HC O PO 3 HC OH CH 2 OH CH 2 O PO 3 2 -f o s fo g lic e ra to 3 -fo s f o g lic e ra to 6. Ligasas: catalizan la formación de un enlace entre dos moléculas de sustrato a expensas de ATP. C a r b o x ila s a : COO COO C O + ATP + CO 3 H C O + A DP + Pi CH 3 CH 2 COO p ir u v a to o x a la c e ta to 19 Nomenclatura de los enzimas: numeración según la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB) Grupo Subgrupo Número sistemático EC 2.7.1.1 Enzima Enzyme Comission Sub-subgrupo hexoquinasa Nombre sistemático: ATP:D-hexosa 6-fosfotransferasa 20 Cinética enzimática La cinética enzimática es la parte de la enzimología que estudia la velocidad de las reacciones catalizadas enzimáticamente y los factores que velocidad máxima Velocidad de reacción (v) afectan dicha velocidad con enzima Los factores más importantes son: concentración del enzima concentración del sustrato sin enzima presencia de inhibidores y activadores pH Concentración de sustrato [S] temperatura 21 Cinética de Michaelis-Menten La cinética de Michaelis-Menten trata de establecer la relación existente entre la velocidad de una reacción catalizada enzimáticamente y la concentración de sustrato Utiliza la siguiente expresión para la cinética de la reacción: k1 k2 E+S ES E+P k-1 Velocidad máxima (Vmax) k1 = constante de velocidad de formación del Velocidad de reacción (V0) complejo ES k-1 = constante de velocidad de disociación del complejo ES k2 = constante de velocidad de formación del producto P Concentración de sustrato [S] 22 Cinética de Michaelis-Menten Utiliza los siguientes supuestos: Primer supuesto: en la fase inicial de la reacción, la concentración del complejo ES permanece constante (estado estacionario) Segundo supuesto: en condiciones de saturación todo el enzima se encuentra como complejo ES, lo que ocurrirá cuando la concentración de sustrato (S) sea muy superior a la de enzima (E) Tercer supuesto: cuando todo el enzima se encuentre en forma de complejo ES, la velocidad de formación del producto (P) será máxima k1 k2 E+S k-1 ES E+P 23 Variación temporal de las concentraciones de los componentes de una reacción catalizada enzimáticamente: estado estacionario [S0] [S] concentración [E]t = [E] + [ES] [P] [E]t d[ES] 0 [ES] dt [E] Tiempo 24 Ecuación de Michaelis-Menten k1 k2 E+S ES E+P k-1 velocidad de formación de ES: v = k1 ([Et] - [ES]) [S] velocidad descomposición ES: v = k-1 [ES] + k2 [ES] En el estado estacionario la [ES] no varía k1 ([Et] - [ES]) [S] = k-1 [ES] + k2 [ES] k1[Et] [S] - k1 [ES] [S] = (k-1 + k2) [ES] k1[Et] [S] = k1 [ES] [S] + (k-1 + k2) [ES] [Et][S] k1[Et] [ S] = ( k1 [ S] + k-1 + k2) [ ES] [ES] = [S] + (k-1+k2/k1) k-1 + k2 k2 [Et][S] = KM Vmax [S] V0 = k2 [ES] = k1 V0 = [S] + (k-1+k2/k1) KM + [S] k2 [Et] = Vmax 25 Significado de la constante de Michaelis (KM) El valor de KM es el valor de la concentración de sustrato cuando la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. El valor de KM es independiente de la concentración del enzima. V0 = velocidad inicial Vmax [Et]2 Vmax [S] Velocidad de reacción (V0) Vmax = velocidad máxima V0 = [S] = concentración de sustrato KM + [S] Vmax/2 KM = constante de Michaelis-Menten ↑[Et] Vmax/2 Vmax [Et]1 1 V m ax [S ] 2 V m ax [S ] V m ax = K M + [S ] = 2 K M + [S ] V m ax Km K M + [S ] = 2 [S ] K M = [S ] Concentración de sustrato [S] 26 Representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten Velocidad máxima (Vmax) El valor de Km nos dice la afinidad del enzima por el sustrato. reacción (V0) Velocidad de A menor valor de la Km mayor Vmax/2 afinidad del enzima por el sustrato [E3] Aumento de la [E] Velocidad Km Concentración de sustrato [S] [E2] La velocidad máxima depende de la concentración de enzima [E1] La velocidad máxima se alcanza cuando el enzima está saturado por el sustrato [S] (todos los centros activos están ocupados) 27 Importancia clínica del valor de la KM: metabolismo del etanol Efectos variados sobre el CH3 CH2 OH NAD+ SNC y neurotoxicidad con etanol el consumo continuado alcohol deshidrogenasa (ADH) de altas dosis O NAD+ CH3 C H NADH + H+ acetaldehído aldehído deshidrogenasa (ALDH) CH3 COO- Efectos causantes de la NADH + H+ acetato “resaca” y de la hepatotoxicidad del consumo de alcohol HÍGADO 28 Importancia clínica del valor de la KM: aldehído deshidrogenasa metaboliza la mayor parte del acetaldehído derivado del etanol Su mayor afinidad por el ALDH mit Km 1 mM sustrato deja concentraciones muy bajas de acetaldehído en sangre ALDH cit Km 10 mM Su menor afinidad por el sustrato deja concentraciones más altas de Hepatocito acetaldehído en sangre Un 50% de los asiáticos poseen una ALDHmit mutante (LYS487GLU) con baja actividad un rechazo por el alcohol debido a los altos niveles de acetaldehído enrojecimiento de la cara, aumento del ritmo cardíaco, hipotensión 29 Efecto del disulfiram sobre el metabolismo del etanol CH3 CH2 OH NAD+ etanol alcohol deshidrogenasa (ADH) O NAD+ CH3 C H NADH + H+ acetaldehído aldehído deshidrogenasa (ALDH) - CH3 COO- NADH + H+ acetato El disulfiram al inhibir a la ALDH hace HÍGADO que se incremente la [acetaldehido) Causa efectos desagradables: rubor, cefalea, náuseas, vómitos, dolor en el pecho, debilidad, visión borrosa, confusión, transpiración, dificultad para respirar y ansiedad (“resaca”). Los efectos comienzan a los 10 min (incluso con una pequeña dosis de alcohol) y pueden durar 1 hora o más 30 Medida de la actividad enzimática Unidad internacional (UI) es la cantidad de enzima que transforma 1 mol de sustrato por minuto. Katal (kat) es la cantidad de enzima que transforma 1 mol de sustrato por segundo. 1katal = 6 x 107 UI Actividad específica es la actividad por unidad de masa de proteínas. El número de recambio o constante catalítica (Kcat) mide la velocidad del proceso catalítico, son los moles de sustrato convertidos en producto por unidad de tiempo y por mol de enzima cuando éste está saturado por el sustrato. Vmax = Kcat [Et] Kcat = Vmax / [Et] Vo = Kcat [Et] [S] / (Km + [S]) La eficiencia catalítica de dos enzimas o de un enzima para dos sustratos diferentes suele compararse utilizando la relación Kcat/Km, relación a la que a menudo se conoce como constante de especificidad. 31 Aumentos de velocidad de reacción producidos por enzimas anhidrasa carbónica 107 triosa fosfato isomerasa 109 fosfoglucomutasa 1012 succinil-CoA transferasa 1013 orotidina monofosfato descarboxilasa 1017 Valores de Km y Kcat (número de recambio) ENZIMA SUSTRATO Km (mM) Kcat (s-1) Acetilcolinesterasa Acetilcolina 0,09 14.000 anhidrasa carbónica HCO3- 26 400.000 Catalasa H2O2 1100 40.000.000 Fumarasa Fumarato 0,005 800 β-lactamasa Bencilpenicilina 0,02 2000 Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition – D. L. Nelson, M. M. Cox. Publisher H. Freeman 32 Ecuación de Lineweaver-Burk o de los dobles recíprocos Vmax [S] 1 KM + [S] 1 KM [S] V0 = = = + KM + [S] V0 Vmax [S] V0 Vmax [S] Vmax [S] 1 KM 1 1 Pendiente = Km/Vmax = + 1/V0 V0 Vmax [S] Vmax -1/Km 1/Vmax 1/[S] 33 Los enzimas catalizan la reacción directa e inversa en toda reacción reversible K eq S P Esta es una consecuencia directa del hecho de que los enzimas no alteran la constante de equilibrio de la reacción la dirección de flujo vendrá únicamente marcada por la relación de concentraciones de S y P Si P se fija fácilmente al centro activo del enzima P competirá con S por el centro activo P inhibirá la reacción a medida que aumente [P] (inhibición por producto) 34 Factores que afectan a la actividad enzimática presencia de cofactores y coenzimas cambios de pH cambios de temperatura las concentraciones de los sustratos y de los productos finales presencia de inhibidores modulación alostérica modificación covalente activación por proteólisis isoenzimas 35 Coenzimas y cofactores Los coenzimas son moléculas orgánicas pequeñas, generalmente derivadas de las vitaminas, que participan de forma directa en el proceso catalítico: En algunos casos, el coenzimas se asocian de forma transitoria al enzima, actuando como cosustrato – En estos casos se puede incluso definir una KM para la unión del coenzima al enzima En otros casos, el coenzima va fuertemente unido al enzima mediante enlaces covalentes, constituyendo un grupo prostético Muchos iones metálicos (Fe2+, Cu2+, Zn2+) pueden actuar como cofactores enzimáticos, participando directamente en la catálisis enzimática Con este hecho está relacionada la necesidad de determinados oligoelementos, que deben ser aportados por la dieta También los efectos tóxicos producidos por determinados metales pesados (Cd2+, Hg2+, Pb2+), están generalmente relacionados con su capacidad para sustituir al Zn2+ 36 Efecto de temperatura y pH sobre actividad enzimática La velocidad de casi todas las reacciones Velocidad de Temperatura óptima químicas se incrementa con la temperatura. reacción Normalmente la velocidad de la reacción se duplica cuando la temperatura aumenta 10ºC 0 20 40 60 80 Temperatura °C La curva que representa la velocidad de la pH óptimo de pH óptimo de reacción (o la actividad del enzima) frente al Velocidad de la pepsina la tripsina pH tiene una forma de campana, existiendo reacción un pH óptimo. El cambio en el estado de ionización de los grupos del sitio activo es uno de los motivos del cambio de actividad 0 2 4 6 8 10 con el pH. pH 37 Inhibidores enzimáticos Un inhibidor es toda sustancia que al interactuar con un enzima reduce su actividad enzimática. Generalmente, los inhibidores constituyen una forma de regulación de las rutas metabólicas. Inhibidores reversibles se unen de forma no covalente al enzima (unión débil) fácilmente se disocian del enzima – Inhibidores competitivos – Inhibidores no competitivos – Inhibidores acompetitivos Inhibidores irreversibles se unen de forma covalente al centro activo del enzima (unión fuerte) anulan de forma permanente su actividad Algunos farmacos y algunos venenos son inhibidores de enzimas. La aspirina inhibe de forma irreversible el enzima ciclooxigenasa (por acetilación en un residuo de serina) que cataliza el primer paso de la síntesis de prostaglandinas, compuestos que intervienen en muchos procesos, entre ellos el dolor 38 Inhibición competitiva El inhibidor competitivo posee una estructura semejante al sustrato el inhibidor compite con el sustrato por el enzima. Al competir el inhibidor con el sustrato por el enzima el inhibidor competitivo aumenta el valor de la KM (se necesita más [S] para lograr una V0 = ½ Vmax) Cuando se mantiene la [I] y se aumenta la [S], el sustrato desplaza al inhibidor del centro activo la Vmax no se ve modificada. k1 k2 E + S ES P + E k -1 Inhibidor + sustrato competitivo I K i enzima enzima EI 39 Velocidad máxima (Vmax) Gráfica para la inhibición Vmax/2 reacción (V0) Velocidad de competitiva Con inhibidor Km Km ap. [I] 1/V Concentración de sustrato [S] Representación de -1/Km Sin inhibidor Lineweaver-Burk 1/Vmax 1/[S] 40 Ejemplo de inhibición competitiva La succinato deshidrogenasa se inhibe por el malonato COO- COO- FAD FADH2 CH2 CH CH2 CH COO- COO- succinato COO- fumarato CH2 COO- malonato 41 Inhibición no competitiva El inhibidor no competitivo se fija a un centro del enzima distinto del centro de fijación del sustrato la inhibición no es contrarrestada por altas [S]. Tras la unión del inhibidor, la actividad del enzima se ve anulada se formarán complejos binarios (EI) y ternarios (EIS) catalíticamente inactivos actúan como si se eliminase enzima se produce una disminución de la Vmax. Dado que la KM no depende de la concentración total de enzima y la presencia de I no afecta a la afinidad de E por el S la KM no se ve alterada. k1 k2 sustrato E + S ES P + E sustrato + k -1 + I I enzima enzima Ki Ki k1 EI + S ESI Inhibidor no k -1 competitivo 42 Velocidad máxima (Vmax) Gráfica para la inhibición Vmax/2 reacción (V0) Velocidad de no competitiva Con inhibidor Km [I] 1/V Concentración de sustrato [S] Representación de -1/Km Sin inhibidor Lineweaver-Burk 1/Vmax 1/[S] 43 Inhibición acompetitiva El inhibidor acompetitivo solo se une al complejo ES, formando un complejo ternario ESI que es inactivo. El inhibidor produce una disminución en la [ES] es como si eliminase parte del enzima se produce una disminución en la Vmax. La formación del complejo ESI desplaza el equilibrio de la reacción hacia la formación de ES aumenta la afinidad del enzima por el sustrato el valor de la KM se ve disminuido. k1 k2 E + S ES P + E k -1 sustrato sustrato + I enzima enzima enzima Ki Inhibidor ESI acompetitivo 44 Gráfica para la Velocidad máxima (Vmax) inhibición Vmax/2 reacción (V0) Velocidad de acompetitiva Con inhibidor Pendiente = Km/ Vmax Km 1/V [I] Concentración de sustrato [S] -1/Km Representación de Sin inhibidor 1/Vmax Lineweaver-Burk 1/[S] 45 Esquema para la inhibición irreversible Un inhibidor irreversible se une covalentemente al centro activo del enzima. La inhibición solo podrá revertirse cuando el enlace covalente pueda romperse fácilmente (enlaces éster o tioéster) La inhibición irreversible se parece en cierto modo a la inhibición no competitiva disminuye la Vmax y no varia la KM. – Al unirse el inhibidor al enzima de forma irreversible y formar un complejo inactivo es como si se eliminara enzima disminuye la Vmax – Al no afectar la unión del inhibidor a la unión del sustrato la KM no se ve afectada k1 k2 E + S ES E + P k -1 + I EI 46 Diferencia entre inhibición irreversible e inhibición reversible no competitiva Vmax [E]=[I] Concentración total de enzima [E]t Existe una relación directa entre Vmax y [E] la recta pasa por el origen sin embargo, en la inhibición irreversible se alcanza la velocidad cero cuando [E]=[I] (es el E que ha inutilizado el I) 47 Sustratos suicidas Una clase especial de inhibidores irreversibles son los sustratos (inhibidores) suicidas, son poco reactivos hasta que se unen al centro activo del enzima, donde se transforman en un compuesto muy reactivo, inactivando irreversiblemente al enzima. Se trata de moléculas que se unen al centro activo de manera específica, igual que el substrato o los inhibidores competitivos Una vez unidos al centro activo, el enzima transforma la molécula en una especie química muy reactiva que modifica covalentemente al enzima, inactivándolo irreversiblemente. Tienen por tanto la especificidad del inhibidor competitivo y la potencia de los inhibidores irreversibles La penicilina es un ejemplo de sustrato suicida. Ejerce su efecto reaccionando covalentemente con el centro activo de la glucoproteína transpeptidasa, enzima que participa en las uniones cruzadas del peptidoglucano durante la síntesis de la pared celular bacteriana. 48 Mecanismo de acción de la penicilina Enlace tenso del anillo -lactámico, enlace reactivo penicilina OH Ser Enzima que cataliza la unión de la Glicopéptido O= C unidad de pentaglicina a la D-Ala transpeptidasa H O La penicilina reacciona covalentemente con un Ser residuo de serina en el centro activo de la Glicopéptido glucoproteína peptidasa, enzima que participa transpeptidasa en las uniones cruzadas del peptidoglucano Unión covalente entre la penicilina y el con el tetrapéptido, en la síntesis de la pared enzima ⟹ inhibición irreversible del enzima celular bacteriana complejo peniciloil- enzima inactivo 49 Peptidoglicano o mureína de la pared celular de las bacterias O O O O O O O O La alternancia de D- y L- N-AcMu N-AcGlu N-AcMu N-AcGlu aminoácidos evita que la Tetrapéptido pared pueda ser destruida por las peptidasas O O O O O O O O N-AcMu N-AcGlu N-AcMu N-AcGlu Pentaglicina O O O O O O O O N-AcMu N-AcGlu N-AcMu N-AcGlu La pared celular bacteriana está básicamente constituida por cadenas de polisacáridos unidas entre sí mediante péptidos, en los que se alternan D- y L-aminoácidos. Por ejemplo: (L-Ala)-(D-Glu)-(L-Lys)-(D-Ala). 50 Enzimas alostéricos Los enzimas alostéricos se caracterizan por no ajustarse a la cinética de Michaelis- Menten. En su lugar, los enzimas alostéricos muestran una cinética cuya curva de velocidad es sigmoidal. – Esto hace que pequeñas variaciones en la concentración de sustrato impliquen importantes cambios en la velocidad de la reacción. Además, los enzimas alostéricos se caracterizan por poseer centros alostéricos (de activación y de inhibición). – La existencia de centros alostéricos permite un estrecho control de la actividad de estos enzimas. La cinética sigmoidal de estos enzimas es consecuencia de las interacciones existentes entre los centros alostéricos y el centro activo. La mayor parte de los enzimas alostéricos están constituidos por varias subunidades. 51 Enzimas alostéricos: características Velocidad máxima (Vmax) Velocidad máxima (Vmax) Velocidad de reacción Velocidad de reacción Vmax/2 S > S0,5 Actividad Vmax/2 (V0) (V0) alta S < S0,5 Actividad S0,5 Km baja Concentración de sustrato [S] Concentración de sustrato [S] Centro alostérico La concentración de (activación) sustrato fisiológica suele estar próxima a la S0,5 Centro activo Centro alostérico (inhibición) 52 Modificación de la cinética Velocidad máxima (Vmax) enzimática por los Vmax/2 reacción (V0) Velocidad de efectores alostéricos A I A =Activadores I = Inhibidores Los efectores alostéricos negativos desplazan la curva hacia concentraciones de sustrato mayores, S0,5 aumentando la forma sigmoidea. Concentración de sustrato [S] Vmax Los efectores alostéricos reacción (V0) Velocidad de Activadores positivos desplazan la curva Vmax hacia concentraciones de Inhibidores sustrato menores, y por tanto Vmax hacia curvas hiperbólicas de la S0,5 cinética de Michaelis-Menten. Concentración de sustrato [S] 53 Modificación covalente de enzimas fosforilación quinasa enzima fosfatasa enzima O OH O P O- O- proteína quinasa ATP ADP enzima enzima P Pi H2O fosfoproteína fosfatasa 54 Activación proteolítica del tripsinógeno inactiva 1 6 7 tripsinógeno 245 VAL-(ASP)4-LYS-ILE------ Péptido de activación enteropeptidasa activa 7 tripsina 245 55 Isoenzimas Hay distintas formas moleculares de un enzima, es decir, enzimas que catalizan la misma reacción pero con distinta estructura primaria o composición subunitaria Los distintos isoenzimas suelen presentar distinta afinidad por el sustrato (distinto valor para la KM) y distinta afinidad para los inhibidores. Pueden estar situados en distintos tipos de células. La lactato deshidrogenasa (LDH1, LDH2, LDH3, LDH4 y LDH5) Creatinquinasa (CPK1, CPK2 y CPK3) Pueden estar situados en distintos compartimentos celulares. La aldehído deshidrogenasa (ALDH1 citosólica y ALDH2 mitocondrial) 56 Isoenzimas en diferentes tejidos LDH Piruvato + NADH + H+ L-lactato + NAD+ LDH (lactato deshidrogenasa) tetrámero con dos tipos de subunidades M (predomina en el músculo esquelético e hígado) y H (predomina en el corazón): LDH1 H4 en miocardio y eritrocitos LDH2 H3M en miocardio y eritrocitos LDH3 H2M2 en cerebro y riñón LDH4 HM3 LDH5 M4 en hígado y músculo esquelético El patrón de isoenzimas de la LDH en el suero sanguíneo es representativo del tejido que liberó los isoenzimas. Esto se utiliza para diagnosticar transtornos como el infarto de miocardio, hepatitis, enfermedades musculares... Creatina + ATP CPK fosfocreatina + ADP Creatinquinasa (CPK) dímero con dos tipos de subunidades B y M CPK1-BB: Se encuentra principalmente en el tejido cerebral CPK2-MB: Se encuentra principalmente en el músculo del corazón (miocardio) CPK3-MM: Se encuentra principalmente en los músculos esqueléticos. 57 Aplicaciones clínicas de los enzimas: ayuda en el diagnóstico de determinadas enfermedades Lactato deshidrogenasa elevada tras un infarto de miocardio Creatinquinasa elevada tras un infarto de miocardio -Amilasa elevada en pancreatitis aguda e insuficiencia renal crónica Trasaminasas elevadas en enfermedades hepáticas (hepatitis y cirrosis) -Glutamiltranspeptidasa elevada enfermedades hepatobiliares y alcoholismo crónico Fosfatasa alcalina elevada en enfermedades hepáticas Fosfatasa ácida elevada en cáncer de próstata Enzima convertidora de la angiotensina elevada en cáncer de pulmón Acetilcolinesterasa disminuida en intoxicaciones con insecticidas organofosforados 58 Utilización terapéutica de los enzimas: estreptoquinasa La estreptoquinasa, proteasa del Stroptococcus pyogenes, se utiliza como “agente trombolítico” para digerir los coágulos sanguíneos en el infarto de miocardio agudo. La estroptoquinasa actúa como activador del plasminógeno (proenzima inactivo del sistema fibrinolítico de la sangre), transformándolo en plasmina (enzima proteolítico activo). Es capaz de recanalizar el 40-45% de las arterias coronarias ocluidas y reducir la mortalidad en un 25%. e s tr e p t o q u i n a s a p la sm in ó g e n o p la s m in a ( u n id o a la f i b r in a ) c o á g u lo d e f ib r in a f i b r in a d e g r a d a d a 59 Utilización terapéutica de los enzimas: asparaginasa La administración de asparaginasa se utiliza en el tratamiento de la leucemia linfoblástica aguda. Las células leucémicas linfoblásticas no son capaces de producir ASN, por lo que dependen de fuentes extracelulares (sangre). La asparaginasa consume la ASN en sangre, lo que priva a las células leucémicas de la ASN que necesitan para formar ADN, ARN y proteínas, frenando la proliferación celular. H 3N H C COO a s p a ra g in a sa H 3N H C COO CH 2 CH 2 C O COO NH 2 H 2O NH 4 ASN ASP 60 Enzimas responsables de toxicidad: metabolismo del paracetamol (consecuencias de las altas dosis de paracetamol) En los EEUU [Yoon et al., J Clin Trans Hepathol 4(2016)131-142]: 300.000 pacientes/año necesitan ingreso hospitalario 29% necesitaron un trasplante de hígado 300 muertes/año NAPQI = N-acetil-para-benzoquinonimina Yoon et al., J Clin Trans Hepathol 4(2016)131-142 (acetimidoquinona) doi: 10.14218/JCTH.2015.00052. 61 Formación de angiotensina y acción de los IECAs HÍGADO angiotensinógeno renina RIÑÓN angiotensina I Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu (inactiva) enzima conversor de la PULMÓN His-Leu angiotensina (ECA) angiotensina II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe IECAs (activa) La ECA es una peptidil- dipeptidasa que elimina dos aminoácidos de la angiotensina I 62 Utilización de los angiotensina II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe inhibidores como (activa) fármacos: tratamiento de la hipertensión con inhibidores del enzima CORTEZA ADRENAL CEREBRO VASOS SANGUÍNEOS conversor de sed angiotensina (IECAs) aldosterona vasopresina vasoconstricción Las acciones celulares de la angiotensina II están retención de sodio mediadas por los receptores RIÑÓN de la angiotensina de tipo 1 retención de agua (AT1) y de tipo 2 (AT2). Eleva la presión arterial por su La angiotensina II estimula la secreción de acción directa aldosterona por la corteza suprarrenal. La (vasoconstricción) sobre el aldosterona aumenta la presión arterial músculo liso vascular. porque reduce la excreción renal de sodio. 63 Papel de la ACE-2 en la regulación de la presión sanguínea y su relación con el SARS-CoV-2 La ACE-2 (ECA-2) actúa como receptor para la entrada del virus SARS-CoV-2 en las células de nuestro organismo en las que está presente (pulmones, sistema cardiovascular, intestino, riñones y sistema nervioso central) PDB DOI: ACE-2 10.2210/pdb7ZDQ/pdb Ni et al. Crit Care 24, 422 (2020). https://doi.org/10.1186/s13054 -020-03120-0 Dominio de unión al receptor: la unión de la proteína S del SARS-CoV-2 al receptor (ACE-2) permite la entrada del virus en la célula por endocitosis eliminación de ACE-2 aumento de los niveles de angiotensina II y reducción de los efectos SARS-CoV-2 RBD protectores de la angiotensina 1-7 (cardioprotector, antiinflamatorio pulmonar, antifibrolítico, reduce la producción ROS, etc.) 64