Enzimas: Conceptos Básicos y Cinéticos PDF

Enzimas: conceptos básicos y cinéticos  ENZIMAS CATALIZADOR BIOLÓGICO Poder catalítico Especificidad S + E  ES  E + P S= Sustrato P= Producto ES= Complejo enzima-sustrato  Enzyme Nonenzymatic half-life Uncatalyze...

Enzimas: conceptos básicos y cinéticos  ENZIMAS CATALIZADOR BIOLÓGICO Poder catalítico Especificidad S + E  ES  E + P S= Sustrato P= Producto ES= Complejo enzima-sustrato  Enzyme Nonenzymatic half-life Uncatalyzed rate (kun, s-1) Catalyzed rate (kcat, s-1) Rate enhancement (kcat/kun) OMP decarboxylase 78,000,000 years 2.8 × 10-16 39 1.4 × 1017 Staphylococcal nuclease 130,000 years 1.7 × 10-13 95 5.6 × 1014 AMP nucleosidase 69,000 years 1.0 × 10-11 60 6.0 × 1012 Carboxypeptidase A 7.3 years 3.0 × 10-9 578 1.9 × 1011 Ketosteroid isomerase 7 weeks 1.7 × 10-7 66,000 3.9 × 1011 Triose phosphate 1.9 days 4.3 × 10-6 4,300 1.0 × 109 isomerase Chorismate mutase 7.4 hours 2.6 × 10-5 50 1.9 × 106 Carbonic anhydrase 5 seconds 1.3 × 10-1 1 × 106 7.7 × 106 Abbreviations: OMP, orotidine monophosphate; AMP, adenosine monophosphate. Source: After A. Radzicka and R. Wofenden. Science 267 (1995):90-93  1. Anhidrasa carbónica Transporte de CO2 - 14% es transportada unida a la Hemoglobina - Como bicarbonato (HCO3-) en la sangre. A pesar que está reacción ocurre a velocidad razonable en ausencia de catálisis, existe la enzima anhidrasa carbónica que cataliza este proceso. La enzima es requerida ya que la hidratación de CO2 y deshidratación de HCO3-, está asociada a procesos rápidos. Particularmente de transporte, donde el HCO3- debe deshidratada en el pulmón. CO2 debe ser convertido en HCO3- para la generación del humor acuoso y de otras secreciones. CO2 y HCO3- son sustratos y productos de varias enzimas. 2.Enzimas proteolíticas Tripsina (enzima digestiva) Trombina (coagulación sanguinea) La especificidad de una enzima se debe a la precisa interacción del sustrato con la enzima. Esta precisión es el resultado de la intrincada estructura tridimensional de la enzima (proteína).  Clasificación Class Type of reaction Example 1. Oxidoreductases Oxidation-reduction Lactate dehydrogenase 2. Transferases Group transfer Nucleoside monophosphate kinase (NMP kinase) 3. Hydrolases Hydrolysis reactions (transfer of functional Chymotrypsin groups to water) 4. Lyases Addition or removal of groups to form Fumarase double bonds 5. Isomerases Isomerization (intramolecular group Triose phosphate isomerase transfer) 6. Ligases Ligation of two substrates at the expense of Aminoacyl-tRNA synthetase ATP hydrolysis  Enzimas Sitio activo: lugar en la enzima donde ocurre la catálisis. Sitio catalítico Sitio de Unión E-S SITIO ACTIVO - PUENTES DE H - INTERACCIONES IÓNICAS - ENLACES COVALENTES Formación complejo enzima-sustrato Grupos catalíticos Puentes de H, refuerza la especificidad Sustratos Productos Sustratos Productos S + E ES EP E + P COFACTORES 1.- GRUPOS PROSTÉTICOS: i.- Están fuertemente unidos a la E (covalentemente) ii.- Forman parte del sitio activo. 2.- COENZIMAS. i.- Pequeñas moléculas orgánicas consideradas co-sustratos que no están permanentemente unidas al sitio activo. Muchas derivan de vitaminas. ii.- Debe reaccionar con la E. iii.- Debe unirse al sitio activo. iv.- Cambia químicamente y se separa del sitio activo.  Cofactores Cofactor Enzyme Coenzyme Thiamine pyrophosphate Pyruvate dehydrogenase Flavin adenine nucleotide (derivado de vitamina B2) Monoamine oxidase Nicotinamide adenine dinucleotide Lactate dehydrogenase Pyridoxal phosphate (derivado de vitamina B6) Glycogen phosphorylase Coenzyme A (CoA) Acetyl CoA carboxylase Biotin (vitamina B1) Pyruvate carboxylase -Deoxyadenosyl cobalamin (derivado de vitamina B12) Methylmalonyl mutase Tetrahydrofolate (vitamina B9) Thymidylate synthase Metal Zn2+ Carbonic anhydrase Zn2+ Carboxypeptidase Mg2+ EcoRV Mg2+ Hexokinase Ni2+ Urease Mo Nitrate reductase Se Glutathione peroxidase Mn2+ Superoxide dismutase K+ Propionyl CoA carboxylase Vitaminas Sustratos Productos Modelos del complejo Enzima-sustrato "I think that enzymes are molecules that are complementary in structure to the activated complexes of the reactions that they catalyze, that is, to the molecular configuration that is intermediate between the reacting substances and the products of reaction for these catalyzed processes. The attraction of the enzyme molecule for the activated complex would thus lead to a decrease in its energy and hence to a decrease in the energy of activation of the reaction and to an increase in the rate of reaction.“ - Linus Pauling Nature 161(1948):707 Nociones de Cinética Química (Recordatorio) B A Lodish, H., et al. Molecular Cell Biology, (W. H. Lodish, H., et al. Molecular Cell Biology, (W. H. Lodish, H., et al. Molecular Cell Biology, (W. H. Cinética Enzimática Velocidades iniciales de reacción en el estado estacionario  Ecuación de Michaelis-Menten Tiene unidades de concentración KM es una importante característica de la interacción E-S y es independiente de las concentraciones de enzima y sustrato  [S] > > KM, entonces V0 = Vmax [S] = KM, entonces V0 = Vmax/2 [S] < < KM, entonces V0 = (Vmax/ KM) [S] Por lo tanto, la KM es igual a la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de su velocidad máxima. O dicho de otra forma, la concentración de sustrato a la que la mitad de los sitios activos de la Enz están ocupados.  KM para algunas Enz y sustratos Enzyme Substrate KM(M) Chymotrypsin Acetyl-l-tryptophanamide 5000 Lysozyme Hexa-N-acetylglucosamine 6 -Galactosidase Lactose 4000 Threonine deaminase Threonine 5000 Carbonic anhydrase CO2 8000 Penicillinase Benzylpenicillin 50 Pyruvate carboxylase Pyruvate 400 HCO3- 1000 ATP 60 Arginine-tRNA synthetase Arginine 3 tRNA 0.4 ATP 300  Resumen Representación de la Ecuación de Michaelis-Menten Linearización de la Ecuación de Michaelis-Menten Significados de la KM Significados de Vmax y de k2 (kcat) Ejemplo: Una solución 10-6 M de anhidrasa carbónica cataliza la formación de 0,6 M H2CO3 por segundo cuando está saturada con sustrato. Por lo tanto, k2 es 6 x 105 s-1. Este número de recambio es uno de los mas grandes conocidos. Cada reacción catalizada toma lugar en un tiempo igual a 1/k2, lo cual es 1.7 s Eficiencia Catalítica (kcat/KM)  Eficiencia Catalítica (kcat/KM) kcat/KM está determinada por la velocidad de formación del complejo ES. Límite de k1 está dada por la difusión (108 y 109 s-1M-1) Enzyme kcat/KM (s-1M-1) Acetylcholinesterase 1.6 × 108 Carbonic anhydrase 8.3 × 107 Catalase 4 × 107 Crotonase 2.8 × 108 Fumarase 1.6 × 108 Triose phosphate isomerase 2.4 × 108 -Lactamase 1 × 108 Superoxide dismutase 7 × 109 Source: After A. Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding (W. H. Freeman and Company, 1999), Table 4.5.  Complejos multienzimáticos Proteínas andamio (scafolding) Microdominios de membrana  Sustratos Múltiples Desplazamiento secuencial. Lactato deshidrogenasa Doble desplazamiento (Ping-Pong). Efecto Temperatura y pH Inhibición Enzimática Inhibición Reversible Competitiva Inhibición Reversible Competitiva Inhibición Reversible No Competitiva Inhibición Reversible No Competitiva Análisis de las Inhibiciones Mecanismos moleculares de la regulación enzimática 1. 2. 3. 4. 1. Isoenzimas 2. Vida Media y disponibilidad de la Enzima 3. Control Alostérico 4. Modificación covalente Regulación de Rutas Metabólicas  Enzimas Alostéricas Enzimas que no responden a la cinética de Michaelis-Menten. Enzimas Alostéricas Aspartato Transcarbamoilasa Aspartato Transcarbamoilasa  Proteína Alostéricas Unión cooperativa de Oxígeno a la Hemoglobina. OJO esta es proteína y NO una enzima (no cataliza reacción) Grupo prostético Hem de la Hemoglobina. Grupo prostético Hem de la Hemoglobina. Estructura de la Hemoglobina y transición estado T a R.  Efecto de 2,3-Bifosfoglicerato Hemoglobina fetal Cadena  Estado T Efecto del pH y CO2 en la liberación de Oxígeno: Efecto Bohr  Efecto del pH y CO2 en la liberación de Oxígeno: Efecto Bohr Estabiliza la estructura de la deoxihemoglobina, favoreciendo la liberación de O 2