Módulo 5.3 Enzimas PDF

Módulo 5: PROTEÍNAS 5.1 Estructura y propiedades de los aminoácidos 5.2 Funciones y estructura de proteínas 5.3 Enzimas...

Módulo 5: PROTEÍNAS 5.1 Estructura y propiedades de los aminoácidos 5.2 Funciones y estructura de proteínas 5.3 Enzimas 5.4 Metabolismo de las proteínas FISIOLOGÍA HUMANA II – BIOQUÍMICA Profesora: Marta Benito Miguel 1 MÓDULO 5.3 ENZIMAS 1. Naturaleza química y función 2. Estructura: Centro activo (y cofactor) 3. Propiedades 4. Nomenclatura 5. Cinética enzimática 6. Moduladores enzimáticos:  Inductores  Inhibidores  Zimógenos 2  Conocimientos impartidos en la asignatura Si no te acuerdas, repasa: 1. Tipos de enlaces intra e intermoleculares. 2. Características de la estructural terciaria de las proteínas. 3. Naturaleza de los aminoácidos y reacciones que pueden realizar. 4. Definición de proteínas alostéricas. Conocimientos previos ¿Cuál es la función de las enzimas? ¿Qué significa inductor? ¿E inhibidor? 3  Objetivos del módulo 5.3 1. Conocer la función de las enzimas. 2. Entender cómo realizan su función. 3. Diferenciar entre centro activo y centro alostérico; entre sustrato y producto; entre enzima y reactivos; entre inductor e inhibidor. 4. Identificar el nombre de la enzima con su función. 5. Aprender lo qué significa las constantes cinéticas (Vmax y Km) 6. Reconocer los distintos tipos de inhibidores. 7. Identificar los mecanismos que tiene la célula para controlar el metabolismo. 8. Reconocer los tipos de hormona químicamente (lipídica o proteica) y la forma de actuación de cada una de ellas. 4  REACCIONES QUÍMICAS SUSTRATOS PRODUCTOS A+B C+D Las colisiones entre los SIN ENZIMA sustratos para obtener productos se realizan al azar. El estado de transición es Sustrato Estado de transición Productos muy inestable, para ello necesita mucha energía de activación. 5  1. Naturaleza química y función Naturaleza PROTEÍNAS: ENZIMAS RNA: RIBOZIMAS Función ENZIMAS: catalizador biológico SUSTRATOS PRODUCTOS A+B C+D Acelerar las reacciones químicas. Ejemplos: Degradan nutrientes Sintetizan macromoléculas biológicas Transforman formas de energía Otras transformaciones…. 6  2. Estructura: CENTRO ACTIVO (y cofactor) CENTRO ACTIVO de la enzima = zona de unión al sustrato. Muchas veces, para que sea activa requiere otro componente. Entonces la enzima se denomina Holoenzima: apoenzima (porción proteica) + cofactor Cofactor: componente fundamental para la función de la enzima 1. Cofactor inorgánico Catión metálico (Cu2+, Fe2+, Mg2+…) Molécula orgánica unida covalentemente 2. Cofactor orgánico o (grupo prostético) o no (cosustratos como las Coenzima coenzimas FAD, NAD+). Muchas derivan de las vitaminas. Referencia bibliográfica de las imágenes: Feduchi, E., Romero, C., Yáñez, E., Blasco, I., García-Hoz, C. (2010). Enzimas y catálisis. En Feduchi, E., Romero, C., Yáñez, E., Blasco, I., García-Hoz, C. (2º edición) Bioquímica. Conceptos esenciales, 151- 7 184. Madrid: Panamericana  Modelos que describen el acoplamiento (unión o interacción) de la enzima-sustrato La enzima alostérica modifica su estructura tridimensional al unirse el sustrato al centro activo. El centro activo es complementario al estado de transición y no al sustrato. Referencia bibliográfica de las imágenes: Teijón, J.M. y Blanco, M.D. (2017). Tema 13. Enzimas. En Teijón, J.M. y Blanco, M.D. 8 (3º edición). Fundamentos de Bioquímica Estructural, 217-230. Madrid: Tébar Flores  3. PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS Propiedades: Poder catalítico Recuperación de su estado inicial Especificidad Regulable 9 Propiedades: Poder catalítico Son catalizadores muy eficaces: aumenta la velocidad o rapidez de una reacción química (no afecta a la posición del equilibrio, ni a su termodinámica) Las enzimas son necesarias para que las reacciones bioquímicas se produzcan a una velocidad adecuada para la célula. Ejemplo: 2H2O2 2H2O + O2 Velocidad de reacción: meses Ión férrico (hemoglobina): un millón de veces más rápida Catalasa: mil millones de veces más rápida 10  ¿Cómo consigue la enzima el poder catalítico? Los estados de transición poseen una conformación muy improbable (necesitan mucha energía para conseguir ese estado de tensión o distorsión) La enzima fuerza a la molécula a un estado intermedio similar al de transición, pero de menor energía. ES = complejo binario enzima-sustrato EP = complejo binario enzima-producto S +E ES EP P+E La proximidad y la orientación de los sustratos favorecen la + formación del estado de intermedio que Sustrato(s) Enzima Estado de Producto Enzima acelere la formación intermedio de los productos 1. Recuerda, ¿cómo se llama la zona de la enzima por donde se une el sustrato? 2. ¿Te acuerdas de las 2 características fundamentales de la unión? 11 No altera el equilibrio de la reacción sólo la velocidad de reacción ¿Qué consiguen al aproximar a los sustratos? La enzima reduce la barrera de energía para una reacción, con lo que aumenta el número de moléculas que tienen energía suficiente para alcanzar el “estado de transición” aumentando la velocidad de la reacción. Pero NUNCA modifica no modifican la estructura del producto final de la reacción, ni el cambio de energía libre entre sustrato y producto. SIN ENZIMA Estado de transición Estado de Productos Sustrato Energía libre, G transición (P) (S) Estado intermediario Estado Progreso de la reacción intermediario (ES-EP) 12 Propiedades: Recuperación su estado inicial La estructura global de la enzima no se altera ni se consume (degrada) al acabar la reacción global Productos ¿Qué pasará si una enzima se desnaturaliza? 13 Propiedades: ESPECIFICIDAD EL SUSTRATO ES ESPECÍFICO (el sustrato de una enzima es la sustancia sobre la que actúa, sobre la que ejerce el poder catalítico) ABSOLUTA: Reconoce a un único sustrato. Estereoespecificidad RELATIVA (de grupo, de reacción…) ¿Qué tipo de especificidad tiene una enzima que se denomina?: Isomerasa Lactasa Glucoquinasa ¿Cómo se puede llamar esta enzima? ¿Qué tipo de especificidad tiene? Éster Ácido Alcohol 14 Propiedades: Las enzimas son necesarias para que las reacciones Regulable bioquímicas: Pueda regularse la producción de distintas sustancias según las necesidades. Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de hacia reacciones colaterales que despilfarren energía. Proteína alostérica activada por ligando SITIO DE UNIÓN CENTRO (centro activo) ALOSTÉRICO (centro Inactiva Activa Sustrato regulador) Ligando Proteína alostérica inhibida por ligando CENTRO SITIO DE UNIÓN ALOSTÉRICO (centro activo) (centro regulador) Activa Inactiva Sustrato Ligando 15  4. NOMENCLATURA Utilización de nombres clásicos. Ejemplos: tripsina, pepsina (enzimas digestivas llamadas peptidasas cuya función es catalizar la hidrólisis de los enlaces peptídicos de las proteínas). Utilización de la terminación -- ASA (nombre sistemático): - Designarlas por el nombre del sustrato y añadirles el sufijo –ASA: Ureasa, Arginasa, Fosfatasa - Designarlas por el tipo de cambio químico que sufre el sustrato: Lactato deshidrogenasa, triglicérido hidrolasa Clasificación sistemática: International Enzyme Commission (IEC). Fundada en 1956 por el Prof. M. Florkin (International Union of Biochemistry) en donde se clasifica a las enzimas con: E.C. + código de 4 números con el que se clasifican. Ejemplo: E.C. 3.4.11.1 Enzyme Class 3 = Hydrolases 4 = Acting on peptide bonds (peptidases) 11= Aminopeptidases 1 = Leucyl aminopeptidase 16 IEC: El primer número de la clasificación enzimática es por la reacción que catalizan Clasificación Tipo de reacción que cataliza H A A Reacciones de oxido-reducción EC1. Oxidorre- (redox). Necesitan coenzimas FAD ductasas y NAD+. B H B Ej. Deshidrogenasa P A A Transferencia de grupos EC2. funcionales (de una molécula donadora a otra aceptora). Transferasas Ej. Quinasa, transfiere el grupo fosfato B P B del ATP al sustrato aa1 Reacciones de hidrólisis (rompen aa1 enlaces utilizando una molécula de EC3. H 2O agua. Hidrolasas Ej. Peptidasa aa2 aa2 17 IEC: El primer número de la clasificación enzimática es por la reacción que catalizan Clasificación Tipo de reacción que cataliza Grupo heterogéneo. En general producen C una ruptura reversible de enlaces C-C (a C veces, como consecuencia, se generan EC4. Liasas nuevos dobles enlaces). Si forman enlaces, es reversible y no requieren C C energía (sintasas) Ej. Aldolasas, hidratasas, sintasas… Transforma un isómero de un compuesto EC5. químico en otro. Isomerasas Ej. Mutasa, cambia la posición del grupo fosfato. C C Cataliza la formación de enlaces (une dos moléculas) acoplado con la hidrólisis de ATP. EC6. Ligasas C C Ej. Sintetasa, necesita energía para la formación del enlace C-C ATP ADP 18  5. CINÉTICA ENZIMÁTICA Estudia la velocidad de los procesos catalizados por las enzimas. En la cinética de las reacciones de un solo sustrato se distinguen 3 etapas en la reacción: 1. Al inicio de la reacción la cinética es de primer orden (lineal) 2. Seguidamente, se hace curvilínea (segundo orden) 3. Al final, la velocidad es constante (orden cero) = saturación de la enzima 3 2 1 Michaelis Menten 1913, Universidad de Berlín Las enzimas que siguen esta cinética hiperbólica reciben el nombre de michaelianas porque se ajustan a la ecuación de Michaelis-Menten. 19  Ecuación de Michaelis-Menten (MM) E+S ES E+P − Vmax: Si [S] = ∞, entonces V de la reacción es la Vmax. Por lo tanto, se produce en concentraciones saturantes de sustrato. − Km: La Km es una constante relacionada con la AFINIDAD de la enzima por el sustrato (de forma inversa): Cuando KM AFINIDAD − Vo = velocidad de la reacción − Vmax = velocidad máxima de la reacción − [S] = concentración de los sustratos − Km = constante MM 20  6. MODULADORES ENZIMÁTICOS (PROTEÍNAS ALOSTÉRICAS) + INDUCTORES: LIGANDO que al unirse a la enzima provoca que aumente la velocidad de la reacción. - INHIBIDORES ENZIMÁTICO: LIGANDO que al unirse a la enzima provoca que disminuya total o parcialmente la velocidad de la reacción. 21  Inhibición enzimática (I) Existen distintos tipos de inhibidores enzimáticos (inhibidor = molécula que al unirse a la enzima disminuye su actividad) · Irreversibles: unión covalente del inhibidor a la enzima. Impide su función definitivamente (tóxicos). · Reversibles (R): unión no covalente del INHIBICIÓN ENZIMÁTICA Inhibidor inhibidor a la enzima = enlaces reversibles. Sustrato competitivo Tipos: - I. R. competitivo: Unión del inhibidor al centro activo, por lo tanto, el inhibidor tiene que Enzima Enzima tener una analogía al sustrato (se tiene que parecer). El inhibidor y el sustrato compiten por el Sustrato Inhibidor no centro activo de la enzima. competitivo - I. R. no competitivo: Unión del inhibidor al centro alostérico. Enzima ¿En qué condición se puede formar el complejo Enzima-Sustrato (ES)? ¿Cuál inhibidor puede formar el complejo Enzima-Inhibidor (EI)? ¿En cuál se puede formar el complejo Enzima-Sustrato-Inhibidor (ESI)? 22  Tipos de regulación enzimática más comunes: INDUCTOR A + 1. Activación por sustrato. A activa la enzima 1. Es decir, A es un inductor de la E1. + Enzima 1 + 2. Activación por un sustrato que participe en una (E1) reacción previa. A también activa la enzima 3. Es decir, A es un inductor de la E1 y de E3. Una B misma molécula puede actuar de diferentes maneras en enzimas distintas. + Enzima 2 (E2) INHIBIDOR - 3. Inhibición por producto. D inhibe a la enzima 3. C - Es decir, D es un inhibidor de la E1. 4. Inhibición por un producto que se libere en una Enzima 3 - - reacción posterior. D inhibe a la enzima 1. (E3) A además de sustrato también es un inductor D D además de producto también es un inhibidor Regulación Uno de los sustratos más importantes para activar o negativa (feed- inhibir al catabolismo es la concentración en el back negativo) 23 citoplasma de __________________________.  Tipos de regulación enzimática más comunes: ZIMÓGENOS: El zimógeno es un precursor inactivo de una enzima. En ciertos casos la forma activa de una enzima surge tras la ruptura de un fragmento de la cadena polipeptídica. Ejemplo: La síntesis de proteasas del estómago o pancreáticas como zimógenos inactivos protege al estómago o páncreas contra la autodigestión. Los zimógenos se activan por escisión proteolítica específica cuando se liberan y llegan al tubo digestivo para degradas las proteínas tomadas en la dieta. 24  Ejercicios prácticos 1. En la figura se observa un caso 2. En la figura se observa un caso de... de actuación de... a) un inhibidor no competitivo a) un inhibidor competitivo b) un inhibidor competitivo b) un inhibidor alostérico c) un activador c) un veneno d) un regulador alostérico d) un activador o inductor La unión del inhibidor a la enzima es por enlaces covalentes 25 3. En la figura se observa un caso de En la figura se observa un caso de actuación de... actuación de... a) un inhibidor competitivo a) un inhibidor competitivo b) un inhibidor no competitivo b) un inhibidor no competitivo c) un veneno c) un inhibidor irreversible d) un activador o inductor d) un activador o inductor La unión del inhibidor a la enzima es por puentes de hidrógeno 26  Ejercicio práctico 5 y 6 5. ¿Qué representa cada “flecha”? 6. En la figura se observa un caso de actuación de... a) un inhibidor competitivo b) un inhibidor no competitivo c) un inhibidor irreversible d) un activador o inductor 27  MÓDULO 5.4 METABOLISMO PROTÉICO 1. Catabolismo de los aminoácidos. 1.1. Eliminación del grupo amino. Ciclo de la urea 1.2. Metabolismo del esqueleto carbonado. 2. Biosíntesis y función precursora de los aminoácidos. 28  CATABOLISMO DE PROTEÍNAS 1. Digestión: recuerda lo visto en fisiología y acabamos de ver los zimógenos. Las proteasas digestivas rompen a las proteínas de la dieta se produciendo aminoácidos libres. Estos aminoácidos son los monómeros de proteínas celulares o son la base para sintetizar otras biomoléculas derivadas de los aminoácidos. 2. Interior celular: las proteínas endógenas se hidrolizan con proteasas celulares (actúan de forma similar a las digestivas). Así, se reciclan proteínas que no son útiles o dañadas y se generan nuevas proteínas (u otras biomoléculas a partir de aminoácidos precursores). 1. CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS 1. Eliminación del grupo amino 2. Eliminación o aprovechamiento del esqueleto carbonado 29  1.1. ELIMINACIÓN DEL GRUPO AMINO Para eliminar el grupo amino, los aminoácidos sufren 1º transaminación + 2º desaminación oxidativa: 1. Transaminación: las transaminasas (GOT, GPT, etc.) transfieren el grupo amino del aminoácido a un cetoácido (ácido con un grupo cetona adyacente al carboxilo) obteniendo un cetoácido que dará energía. Importante en el hígado y corazón. 2. Desaminación oxidativa: reacción que tiene lugar mayoritariamente en el hígado. El ion amonio (NH4+) es eliminado en el Ciclo de la urea. Desaminación oxidativa: glutamato deshidrogenasa 30  CICLO DE LA UREA Se realiza en la mayor parte de los tejidos, pero fundamentalmente en el hígado. Es una ruta que comienza en la mitocondria y finaliza en el citosol. Si el grupo amino no se elimina en forma de urea, se convierte en amoniaco que es una molécula muy tóxica (interfiere en el potencial de membrana de las neuronas, bloquea el Ciclo de Krebs y forma glutamina, cuya acumulación causa edema cerebral). Glutamato Glutamina 31  1.2. METABOLISMO DEL ESQUELETO CARBONADO 1. Catabolismo: destrucción de proteínas para aportar energía en situaciones metabólicas como el ayuno. 2. Anabolismo: precursores de ácidos grasos y glucosa. Depende del aminoácido a) Aminoácido glucogénicos: precursores de la glucosa al transformarse en piruvato o intermediarios del Ciclo de Krebs (solo en situaciones extremas). b) Cetogénicos: precursores de ácidos grasos al transformarse en acetil CoA o acetoacetato. CETOGÉNESIS GLUCONEOGÉNESIS 32  2. FUNCIÓN PRECURSORA DE LOS AMINOÁCIDOS. Ej. Adrenalina, NA, GABA… Ej. T3 y T4 Ej. síntesis del grupo hemo 33  Videos explicativos Estos vídeos os pueden ayudar a entender los módulos. 1. Título del video en youtube: Cómo actúan las enzimas https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk 2. Título del video en youtube: Inhibición Enzimática https://www.youtube.com/watch?v=qnoUBScknns 3. Título del video en youtube: Érase una vez... La vida. 17- Los riñones https://www.youtube.com/watch?v=I9aKootKjYY 34  Conceptos fundamentales 1. Las enzimas, en su mayoría proteínas, se agrupan en seis clase de mecánica. 2. La especificidad de una enzima por el sustrato depende de su centro activo. 3. Algunas enzimas catalizan reacciones con la ayuda de cofactores de iones metálicos o coenzimas orgánicas que actúan como cosustratos unidos de forma reversible o como grupos prostéticos con asociación permanente. Muchas coenzimas derivan de vitaminas. 4. La ecuación de Michaelis-Menten describe la relación entre la velocidad de la reacción y la concentración del sustrato. 5. Las constantes enzimáticas Vmax y Km están relacionadas con las relación específica de la enzima con el sustrato. 6. Los inhibidores reversibles reducen la actividad de una enzima mediante su unión al centro activo (inhibición competitiva) o su unión al centro alostérico (inhibición no competitiva). 7. El catabolismo de proteínas lo realizan distintas proteasas. 8. El ciclo de la urea es fundamental para eliminar el amoníaco del cuerpo. Referencia bibliográfica: Teijón, J.M. y Blanco, M.D. (2017). Tema 13. Enzimas. En Teijón, J.M. y Blanco, M.D. (3º edición). Fundamentos de Bioquímica Estructural, 217-230. Madrid: Tébar Flores Feduchi, E., Romero, C., Yáñez, E., Blasco, I., García-Hoz, C. (2010). Bioquímica. Conceptos esenciales. 35 Madrid: Panamericana