8.- Clasificación enzimas y coenzimas (1) PDF

BLOQUE III. ENZIMOLOGÍA Prof. Vanesa Jiménez Ortega 8.- Enzimas y coenzimas 9.- Cinética e inhibición enzimática 10.- Regulación de la actividad enzimática. Alosterismo 11.- Coagulación sanguínea Tema 8: CLASIFICACIÓN ENZIMÁTICA Y COENZIMAS 8- Enzimas y coenzimas Clasificaci...

BLOQUE III. ENZIMOLOGÍA Prof. Vanesa Jiménez Ortega 8.- Enzimas y coenzimas 9.- Cinética e inhibición enzimática 10.- Regulación de la actividad enzimática. Alosterismo 11.- Coagulación sanguínea Tema 8: CLASIFICACIÓN ENZIMÁTICA Y COENZIMAS 8- Enzimas y coenzimas Clasificación enzimática Cofactores: metálicos, coenzimas, libres, grupos prostético Catálisis Especificidad y modelos de unión  Naturaleza Naturaleza RIBOZIMAS ENZIMAS ENZIMAS RNA PROTEÍCA SUSTRATOS PRODUCTOS CATALIZADORES BIOLÓGICOS Capaces de acelerar las reacciones químicas Más eficaces y específicos conocidos Aumentan la velocidad de una reacción No se consumen No se modifican No modifican la constante de equilibrio de una reacción, ni las características termodinámicas. Hacen que se aproximen más rápidamente a su equilibrio. P.ej. Cada molécula de anhidrasa carbónica hidrata un millón de moléculas de CO2 por segundo, casi 107 veces más rápido que la reacción no catalizada. CLASIFICACIÓN ENZIMÁTICA NOMENCLATURA  Comisión Enzimática: Establece normas que nombrar las enzimas. Así, el nombre de cada enzima consiste en un código alfanumérico, encabezado por las letras EC (de Enzyme Commission), seguido de cuatro números separados por puntos (clase. subclase. sub-subclase. nº de orden). Tipo de sustrato, el donador de electrones, Subclase 1 de las 6 clases Clase el enlace afectado Enzyme Comission EC 2.7.1.1 Enzima Número concreto que ocupa Sub-subclase Aspectos específicos de la reacción: sustrato, grupo funcional que participa ATP: hexosa fosfotransferasa Nombre común: Hexokinasa Todas las enzimas se identifican por un número de cuatro dígitos, así como por un nombre sistemático.  NOMBRE SISTEMÁTICO: 1º sustrato (s) preferente (s) 2º acción típica (tipo de reacción) 3º terminación "asa" Aceptor Donador Grupo transferido ATP: hexosa fosfotransferasa PECULIARIDADES o SALVEDADES - Reacciones reversibles. - Cuando la acción típica del enzima es la hidrólisis del sustrato, el segundo componente del nombre se omite y, por ejemplo, la lactosa hidrolasa se llama simplemente lactasa. - Persisten nombres consagrados por el uso. P.ej.: glucoquinasa en vez de ATP:glucosa fosforiltransferasa.  CLASES DE ENZIMAS 1.-Oxidorreductasas: Reacciones de oxido-reducción 2.- Transferasas: Transferencia de grupos intactos de una molécula a otra. 3.-Hidrolasas: Reacciones de hidrólisis (ruptura de enlaces con participación del agua) 4.-Liasas: Acción o eliminación no hídrica de grupos de los sustratos (normalmente C-C, C-N, C-O, C-S) 5.-Isomerasas: Transferencia intramolecular de grupos (cis/trans, L/D, aldehído/cetona) 6.-Ligasas: Unión de dos sustratos a expensas de la hidrólisis del ATP.  1.- OXIDORREDUCTASAS Catalizan reacciones de oxidorreducción En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a la vez el Ared + Box ⇆ Aox + Bred aceptor y el dador electrónico. A : es el agente reductor o dador electrónico; en el curso de la reacción se oxida (pierde electrones). B: es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso de la reacción se reduce (gana electrones) Típicamente participan en numerosas reacciones de oxido-reducción: O2 FAD (Dinucleótido de Flavina y Adenina), Nombre sistemático: NAD+ (Dinucleótido de Adenina y Nicotinamida), NADP + (Dinucleótido fosfato de Nicotinamida y adenina) Donador: Aceptor oxidorreductasa Glucosa : O2 oxidorreductasa DESHIDROGENASA OXIDASA Donador Aceptor EC 1.1.3.4 REDUCTASA Subclases PEROXIDASA Nombre común: CATALASA Glucosa oxidasa OXIGENASA HIDROXILASA  2.- TRANSFERASAS Catalizan reacciones de transferencia de un grupo funcional: A-X + B ⇆ A + X-B Nombre sistemático: ATP: D-Hexosa Fosfotransferasa Nombre común: hexokinasa Donador Aceptor Grupo transferido Los subgrupos se forman según la naturaleza del grupo trasferido: 2.1 grupo de una unidad de carbono: METILTRANSFERASAS 2.2 grupo ceto o aldehido: TRANSCETOLASA, TRANSALDOLASA 2.3 grupo acilo: ACILTRANSFERASA 2.4 grupo glicosídico: GLUCOSILTRANSFERASA 2.5 grupo alquilo: ALQUIL- O ARILTRANSFERASAS 2.6 grupo nitrogenado: TRANSAMINASAS 2.7 grupo fosfato: FOSFOTRANSFERASA (QUINASAS) 2.8 grupo sulfato: SULFOTRANSFERASAS 3.- HIDROLASAS Catalizan reacciones de hidrólisis El sustrato es roto y sus fragmentos son transferidos a los A-B + H2O ⇆ AH + B-OH componentes del agua (H y OH) No se suelen utilizar nombres sistemáticos en las hidrolasas. Muchas de ellas conservan el nombre primitivo: Tripsina, Pepsina, Papaína, etc. Los subgrupos se forman según la naturaleza del grupo hidrolizado: 3.1 enlace ester ESTERASAS (carboxiesterasa, fosfoesterasa, sulfoesterasa) 3.2 enlace glicosídico GLICOSIDASAS 3.3 enlace éter ÉTER HIDROLASA 3.4 enlace peptídico PÉPTIDO HIDROLASAS (peptidasas) etc 4.- LIASAS Catalizan reacciones reversibles de adición de un grupo a un doble enlace o eliminación con escisión de enlaces CC, CO, CN en las que se forma un doble enlace. También rupturas que implican reordenamiento electrónico, típicamente relacionadas con la adición o extracción de H2O, NH3 o CO2. 4.1 enlace C = C 4.2 enlace C = O 4.3 enlace C = N 4.4 enlace C = S DESCARBOXILASAS * ALDOLASAS HIDRATASAS * DESHIDRATASAS SINTASAS *  A=B + X ⇆ AXB 5.- ISOMERASA Catalizan reacciones de isomerización de distintos tipos: Interconversiones cis-trans, formas D-L, ceto-enol y aldosa-cetosa RACEMASA EPIMERASA ISOMERASAS MUTASAS Isómeros: moléculas con igual fórmula química (igual proporción relativa de los átomos que conforman su molécula), pero con estructuras moleculares distintas y, por ello, diferentes propiedades. 6.- LIGASAS Catalizan la unión de dos grupos químicos a expensas de la hidrólisis de un enlace de alta energía (ATP). SINTETASAS A+B + ATP ⇆ A-B + ADP + Pi CARBOXILASAS C+D + ATP ⇆ C-D + AMP + PiPi  Vitamina B8-Biotina Carnitina BIOTINA Grupo acilo Transferencia de grupos acilo. P.ej.: transporte para  oxidación Función: Reacciones de carboxilación/decarboxilación P.ej.: Piruvato carboxilasa, Acetil-CoA carboxilasa COFACTORES METALES Y COENZIMAS En función de si la enzima requiere o no la participación de más moléculas, se distinguen enzimas: SIMPLES: Catálisis mediada por aminoácidos de la cadena polipeptídica. CONJUGADAS: Catálisis mediada con la colaboración de otras moléculas llamadas COCATALIZADORES o COFACTORES. Una enzima conjugada sin cofactor se denomina apoenzima (no funcional). A la enzima completa, catalíticamente activa, se le denomina holoenzima. Casi un tercio de las enzimas necesitan la participación de un cofactor. En ocasiones el cofactor no tiene función catalítica directa, sino estructural. COFACTORES Iones Coenzimas Activadores (leve) Grupo prostético Coenzimas Grupo prostético (Fuerte) Cosustratos (Leve) Metales (fuerte) Ácido lipoico en piruvato DH NAD, FAD, ATP.. Metaloenzimas Requieren volver a su estado original. Salen modificados del ciclo catalítico y por lo general requieren otra enzima para volver al estado original.  TIPOS DE COFACTORES A.- Metales Necesarios a bajas cantidades para ciertas reacciones (grupo de los oligoelementos). Función principal: reacciones de oxido-reducción. Las enzimas que requieren cofactores metálicos se denominan metaloenzimas. Frecuentemente son grupo prostético. Zn2+ Anhidrasa carbónica, peptidasa, Alcohol DH, DNA polimerasa Mg2+ Enzimas dependientes de ATP (hexoquinasa, Glucosa 6 Fosfatasa, piruvato quinasa, etc) Ni2+ Ureasa Mo2+ Nitrato reductasa, nitrogenasa Mn2+ Superóxido dismutasa, Arginasas Fe2+/Fe3+ Citocromos, ciclooxigenasas, catalasas, peroxidasas, prolina hidroxilasa Cu2+ Citocromo oxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, plastocianina, lisil oxidasa B.- Pequeñas moléculas orgánicas que se denominan coenzimas. Muchas coenzimas derivan de vitaminas, es decir, compuestos orgánicos no proteicos que se requieren en mínimas cantidades (trazas), no pueden ser sintetizados y, por lo tanto, deben ser obtenidas de fuentes exógenas.  COENZIMAS Su naturaleza puede ser vitamínica o no derivada de vitaminas. COENZIMAS NO DERIVADAS DE VITAMINAS FUNCIÓN COENZIMA PAPS (3´-fosfoadenosil-5´-fosfosulfato ) Transferencia de grupos sulfato SAM (S-adenosil metionina) Transferencia de grupos metilo Carnitina Transportador de grupos acilo Glutatión Redox; transporte de aminoácidos Quinonas Redox Citocromos Redox Hemo Hemoenzimas, citocromos ATP (adenosin trifosfato) Transferencia de fosfato y/o de energía Ácido lipoico Reacciones redox y de transporte de grupos acilo AH2 A SAM Citocromos Quinonas COENZIMAS DERIVADAS DE VITAMINAS Hidrosolubles (vitaminas de la serie B y la C o ácido ascórbico) Liposolubles (como las vitaminas A, D, E y K) VITAMINA COENZIMA TIPO DE REACCIÓN Ejemplo Enzima Tiamina (B1) Pirofosfato de tiamina Transferencia de aldehído y Piruvato deshidrogenasa descarboxilaciones Riboflavina (B2) Flavina adenina dinucleotido Oxidación-reducción Monoaminoxidasa (MAO) (FAD) Ácido nicotínico Nicotinamida adenina Oxidación-reducción Lactato Deshidrogenasa (niacina)-B3 dinucleotido (NAD+) Ácido pantoténico (B5) Coenzima A (CoA) Transferencia de grupos acilo a-Cetoglutarato deshidrogenasa Piridoxina (B6) Piridoxal fosfato Transaminación, descarboxilación y Glucógeno fosforilasa deshidratación Biotina (B8) Biocitina (complejos biotina- Carboxilación dependiente de ATP y Piruvato carboxilasa lisina) transferencia del grupo carboxilo Ácido fólico (B9) Tetrahidrofolato Transferencia de compuesto de un Timidilato sintasa carbono 5’-Adenosil-cobalamina Transferencia de grupos metilo; Metil malonil mutasa Cobalamina (B12) Metil-cobalamina reestructuraciones intramoleculares Ácido ascórbico (C) Ácido ascórbico Antioxidante Prolin-hidroxilasa  Derivado de la vitamina B2-Riboflavina Derivado de la vitamina B3-Niacina o ácido nicotínico y nicotinamida Flavinas: FAD (Dinucleótido de flavina y adenina) NAD (Dinucleótidos de nicotinamida y adenina) FMN (Flavín mononucleótido) NADP (Dinucleótidos fosfato de nicotinamida y adenina) Función: reacciones redox Dinucleótidos de Piridina P.ej.: Complejo piruvato deshidrogenasa Función: reacciones redox P.ej.: Lactato deshidrogenasa +H+ Dos hidrógenos= dos electrones y dos protones Dos electrones y un protón  Derivado de la vitamina B5-ácido pantoténico Vitamina C COENZIMA A Ácido Ascórbico Función: transferencia de grupos acilo Función: agente reductor en reacciones de hidroxilación P.ej.: enzimas síntesis de ácidos grasos Biosíntesis de colágeno: lisil hidroxilasa, prolil hidroxilasa, Biosíntesis de serotonina, noradrenalina, metabolismo del hierro. Panteteína ADP NH2 OH H H H HO H N O O O N N N H2C C O HS C C O P O P O CH2 O N O H3C CH3 O- O- N O H H HO H H OH OH HO OH A AH2 Enlace tioéster OH H O H2C C O HO O O Derivado de la vitamina B6-Piridoxina, piridoxal,piridoxamina Vitamina B8-Biotina PIRIDOXAL FOSFATO (PLP) BIOTINA Función: Reacciones de transaminación, Función: Reacciones de carboxilación/decarboxilación descarboxilación y deshidratación P.ej.: Piruvato carboxilasa Acetil-CoA carboxilasa P.ej.: Aspartato aminotransferasa Grupo funcional aldehído CHO O HOH2C O P O- O- N CH3 Se une covalentemente mediante enlace amida con el grupo e-amino de restos específicos de lisina del centro activo. Ni todas las coenzimas son vitaminas, ni todas las vitaminas son coenzimas REACCIONES REDOX REACCIONES DE TRANSFERENCIA NAD+, NADP+ Piridoxal fosfato FAD, FMN Biotina Glutation Coenzima A (acetilos) Ácido ascórbico Pirofosfato de tiamina Quinonas y ferrodoxinas Cobalamina, PAPS, ATP Ácido lipóico Ácido lipóico, carnitina, SAM Coenzima Q  NATURALEZA DE LOS COFACTORES 1) Solubles. Requieren de una segunda reacción, independiente de la primera, para volver a su forma original. 2) Grupos prostéticos: coenzimas unidas al enzima (incluso covalentemente), no se desprenden de ella durante la reacción. Requieren de una segunda reacción, en la misma enzima, para volver a su forma original. Koolman y Röhm. Bioquímica Humana. Ed. Panamericana, 2011  Herrera E. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014. CATÁLISIS ENZIMÁTICA En cualquier reacción química un compuesto debe alcanzar una configuración energética desfavorable (nivel energético más alto) que es el estado de transición, para ser transformado en un producto. Esta barrera energética, se denomina ENERGÍA DE ACTIVACIÓN. Las enzimas aportan el entorno necesario para reducir y superar esa barrera.  E + S ES EP E + P Sustrato El sustrato sufre la ruptura de ciertos enlaces entre los átomos, para formar los nuevos enlaces que originan los productos. Al estado intermedio entre S y P se le denomina estado de transición. No es el S ni el P No es una molécula estable (10-13 s) Para pasar a ese estado de transición se necesita energía, conocida como energía de activación (EA= G⁰‡). Que una reacción química alcance espontáneamente la energía de activación es poco frecuente. Las enzimas disminuyen la Energía de Activación (EA) necesaria para convertir al sustrato en producto. Sin catalizador, se requiere energía para pasar de sustratos a productos. Las enzimas permiten que ocurra la reacción química empleando menos energía La enzima proporciona una ruta de reacción alternativa, que requiere menos energía que la energía del estado de transición, sin modificar el cambio de energía total de la reacción.  Las enzimas aceleran las reacciones químicas creando vías alternativas de menor EA Interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato, que Enlaces covalentes o transferencia de grupos funcionales entre rebajan la energía de activación. enzima y sustrato. La enzima se une al sustrato y adoptan un estado intermediario semejante al de transición, pero de menor energía. Esta EA y la conversión del intermediario en producto son menores que la EA de la reacción sin catalizar. La acción catalítica de la enzima no modifica la energía del estado final de la reacción, de forma que el cambio de energía de la reacción permanece inalterado en presencia de la enzima. Estados intermedios  Los enzimas catalizan las reacciones químicas a mayor velocidad gracias a: 1.- Posicionamiento y orientación de los sustratos. Una reacción no catalizada supone que los Colisiones no productivas B B reactivos de una solución acuosa se A B encuentren al azar en una orientación A adecuada; algo poco probable e inusual. A A A B A B B B Colisión productiva A B Una reacción catalizada por una enzima supone que los reactivos se encuentran (COLISIONAN) en la orientación correcta y a una concentración local mucho mayor que en solución. La orientación y posicionamiento de los sustratos incrementa drásticamente la probabilidad de que se generen complejos productivos. A B Cualquier factor que incremente la frecuencia de las colisiones o la energía de las mismas entre los sustratos va a incrementar la velocidad Enzima de la reacción correspondiente (temperatura, concentración). 2.- Estabilización del estado intermedio a través de la interacción entre los aminoácidos de la enzima y sustratos. E + S ES EP E + P El o los sustratos (coenzima) se unen a una región concreta de la enzima conocida como CENTRO o SITIO ACTIVO, que contiene los residuos que participan directamente en la formación y ruptura de enlaces para la transformación del sustrato en producto. El centro activo es responsable de las dos propiedades básicas de las enzimas: 2.1 La acción catalizadora que transforma el sustrato en producto. 2.2 Especificidad de la unión enzima-sustrato 2.1 CENTRO ACTIVO Complementariedad geométrica Bolsillo o hendidura tridimensional múltiples interacciones débiles Relativamente pequeño respecto Complementariedad al Vtotal proteína. eléctrica En el centro activo existen residuos de aminoácidos esenciales, por su función: - Sitios de unión - Sitios de catálisis El agua quedará excluida del centro activo a menos que participe en la reacción.  RESIDUOS DE UNIÓN Intervienen en la unión del S a la E. Los sustratos se unen por fuerzas débiles Enlaces electrostáticos Puentes de hidrógeno Citosina Guanina Interacciones hidrofóbicas Fuerzas de Van de Waals Interacción por puentes de hidrógeno entre una endonucleasa y su sustrato DNA Timina Adenina RESIDUOS CATALÍTICOS Intervienen de forma activa en la transformación química del sustrato. Típicamente: Ser, Cys, Lys e His. De proximidad y orientación TIPOS O ESTRATEGIAS DE Catálisis general ácido-base CATÁLISIS Catálisis covalente Catálisis por ión metálico MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA DE PROXIMIDAD Y Característica intrínseca de la unión del sustrato y una parte del mecanismo catalítico de todas las enzimas. Las enzimas logran en su centro activo una elevada concentración local de reactivo y su ORIENTACIÓN fijación al centro activo se hace en la orientación correcta. ÁCIDO BASE Una forma de estabilizar las cargas que aparecen en un estado de transición mediante la transferencia de protones desde o hacia el sustrato. Por ejemplo, la histidina COVALENTE Se forman enlaces covalentes transitorios E-S para facilitar la formación de producto. POR IÓN METÁLICO Participan de diferentes formas en la catálisis: _ Fijando y orientando adecuadamente al sustrato para que reaccione. _ Estabilizando estados de transición de compuestos cargados. _ Intervienen en reacciones redox cambiando su propio estado de oxidación. EJEMPLO DE UNA CATÁLISIS ÁCIDO-BASE TRIOSA FOSFATO ISOMERASA Dímero: cilindro  con hélices alfa 2.2 ESPECIFICIDAD REACCIÓN ABSOLUTA P.ej.: L-glutámico deshidrogenasa, específica para el glutamato RELATIVA: La enzima reconoce a un cierto número de sustratos, con relación entre sí: De Grupo: Alcohol dehidrogenasa, puede catalizar la oxidación de diferentes alcoholes, aunque presenta preferencia por el etanol. De Reacción: Sustratos variados sobre los que se pueda realizar una reacción. P.ej.: las esterasas, hidrolizan enlaces éster. ESTEROESPECIFICIDAD Los enzimas son muy específicos en la unión con sustratos quirales, por lo que presentan estereoespecificidad absoluta en las reacciones que catalizan. P.ej.: la tripsina hidroliza con rapidez los polipéptidos compuestos por L-aminoácidos, pero no D-AA  MODELOS DE ACOPLAMIENTO MODELO DE FISCHER: LLAVE Y CERRADURA (1890) Especificidad de la catálisis enzimática No permite la comprensión del proceso. Enzima estática. MODELO DE KOSHLAND: AJUSTE INDUCIDO (1958) Catálisis. Liberación de “P” Recuperación enzima Interacción S-E Inducción cambio conformacional = inicial débil estabilización del estado transitorio La enzima no sólo acepta al sustrato (adaptación predeterminada), sino que exige que el sustrato se distorsione a algo cercano al estado de transición y la propia enzima también se distorsiona, local o completamente (adaptación inducida). Los enzimas catalizan las reacciones químicas a mayor velocidad gracias a: ❑ Posicionamiento y orientación de los sustratos. ❑ del Expulsión Estabilización agua. del estado intermedio a través de la interacción entre los aminoácidos de la enzima y sustratos. ❑ Expulsión del agua. Ej. quimotripsina