Tema 7. Enzims i Catàlisi PDF

# Tema 7. Enzims i Catàlisi ## Classificació i Nomenclatura. Cofactors, Coenzims i paper de les Vitamines. Mecanisme d'acció dels Enzim. Inhibició i Regulació Enzimàtica. Regulació al·lostèrica. Regulació per modificació covalent. # Enzims - Metabolisme cel·lular: és el conjunt de reaccions quími...

# Tema 7. Enzims i Catàlisi ## Classificació i Nomenclatura. Cofactors, Coenzims i paper de les Vitamines. Mecanisme d'acció dels Enzim. Inhibició i Regulació Enzimàtica. Regulació al·lostèrica. Regulació per modificació covalent. # Enzims - Metabolisme cel·lular: és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l'interior de les cèl·lules i que condueixen a obtenir matèria per créixer i energia per dur a terme les tres funcions vitals (nutrició, reproducció i relació). - Les reaccions químiques, malgrat siguin exergòniques es donen molt lentament. - Els enzims acceleren les reaccions químiques per tal que es donin a velocitats compatibles amb les necessitats dels organismes vius - Les reaccions són possibles per la intervenció de catalitzadors. - Catalitzador és una substància que: - Augmenta la velocitat d'una reacció química, - No altera les propietats d'aquest equilibri - No es consumeix durant el procés. - Una manera d'incrementar la velocitat de les reaccions és incrementant la T (sistema de canalització) - Els Enzims (biocatalitzadors), incrementen la velocitat de les reaccions químiques a 37ºC i pH 7 (biològiques) - Els enzims no es consumeixen amb la reacció. # 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 catalitzats per ferments i que aquest no podien funcionar fora de la cèl·lula. - 1897 Eduard Buchner extractes de llevat fermenten l'alcohol. Els components del llevat realitzen la transformació inclòs fora de les cèl·lules. - 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 veure que eren també 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 - Enzims del grec ἔνζυμον que significa transformat - La majoria són proteïnes amb l'excepció dels Ribozims – RNA (una minoria) rRNA - Els enzims poden ser proteïnes: monomèriques, oligomèriques - L'activitat enzimàtica catalítica depèn de la conformació nativa. - Els enzims es troben a tots els compartiments cel·lulars: proteïnes del citosol, al nucli, membrana, mitocòndria, etc. - Incrementen la velocitat de reacció ($10^6-10^{12}$). Sense Enzims la reacció es dóna amb molta lentitud - Treballen normalment en condicions fisiològiques, pH=7 i 37°C - Els enzims són altament específics: 1. sobre el S el qual actuen (també estereoespecífics) 2. per la reacció que catalitzen - Els enzims es Regulen (capacitat catalítica depèn de diferents senyals químics, nivells d'enzims, substrat etc.) # Cofactors - Alguns enzims requereixen per a ser actius grups químics addicionals anomenats Cofactors - Els Cofactors poden ser: 1. Cations metàl·lics, $Zn^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$ o $Mg^{2+}$ 2. Molècules orgàniques $NAD^+$, FMN, FAD+, $NADP^+$, etc i moltes vitamines anomenats Coenzims - Quan l'enzim requereix d'un cofactor la Proteïna no funcional s'anomena APOENZIM (Enzim inactiu) - L'enzim més el cofactor s'anomena Holoenzim. - HOLOENZIM = APOENZIM + COFACTOR/COENZIM - Quan el cofactor o coenzim es troba unit a l'enzim esdevé el grup prostètic de la proteïna. # Vitamines del Complex B formen molts Coenzims - Vit B són juntament amb la vit C les Vit Hidrosolubles són solubles en aigua i no s'emmagatzemen al cos - Les Vit B són Coenzims o precursors de Coenzims | Coenzyme | Examples of chemical groups transferred | Dietary precursor in mammals | |---|---|---| | Biocytin | $CO_2$ | Biotin | | Coenzyme A | Acyl groups | Pantothenic acid and other compounds | | 5′-Deoxyadenosylcobalamin <br/> (coenzyme B12) | H atoms and alkyl groups | Vitamin B12 | | Flavin adenine dinucleotide | Electrons | Riboflavin (vitamin B2) | | Lipoate | Electrons and acyl groups | Not required in diet | | Nicotinamide adenine dinucleotide | Hydride ion (:H¯) | Nicotinic acid (niacin) | | Pyridoxal phosphate | Amino groups | Pyridoxine (vitamin B6)| | Tetrahydrofolate | One-carbon groups | Folate | | Thiamine pyrophosphate | Aldehydes | Thiamine (vitamin B1)| # Classificació i nomenclatura - Nomenclatura: nom de la reacció que catalitzen + sufix ASA. - Pepsina del grec pepsis (digestió) - Lisozima rep el nom de la capacitat per lisar parets bacterianes - Tripsina del grec Tryein (desgastar) es va aïllar fregant el teixit pancreàtic - EC, Comissió dels Enzims, per a la seva classificació➔ 6 Grups de principals: | Class | Reaction type | Important subclasses | |---|---|---| | 1 Oxidoreductases | $A_{red} + B_{ox} \rightleftharpoons A_{ox} + B_{red}$ | Dehydrogenases <br/> Oxidases, peroxidases <br/> Reductases <br/> Monooxygenases <br/> Dioxygenases | | 2 Transferases | $A-B + C \rightleftharpoons A + B-C$ | C₁-Transferases <br/> Glycosyltransferases <br/> Aminotransferases <br/> Phosphotransferases| | 3 Hydrolases | $A-B + H_2O \rightleftharpoons A-H + B-OH$| Esterases <br/> Glycosidases <br/> Peptidases <br/> Amidases| | 4 Lyases <br/> ("synthases") | $A \rightleftharpoons B + A-B$ | C-C-Lyases <br/> C-O-Lyases <br/> C-N-Lyases <br/> C-S-Lyases | | 5 Isomerases | $A \rightleftharpoons Iso-A$ | Epimerases <br/> cis trans Isomerases <br/> Intramolecular transferases | | 6 Ligases <br/> ("synthetases") | $X-A,G,U,C + B + XTP \rightleftharpoons XDP + A-B$ | C-C-Ligases <br/> C-O-Ligases <br/> C-N-Ligases <br/> C-S-Ligases | - 1. OXIDOREDUCTASES – transferència d'electrons, reaccions oxido-reducció. - 2. TRANSFERASES – transferència de grups funcionals o radicals. Quinases - 3. HIDROLASES – reaccions d'hidrolisi. Transfereixen el grup OH de l'aigua a un altre grup - 4. LIASES - catalitzen l'addició de grups a dobles enllaços, o formen dobles enllaços per eliminació de grups. - 5. ISOMERASES – transferència de grups dins la mateixa molècula generant formes isomèriques. Epimerases - 6. LLIGASES/SINTETASES – catalització de diferents enllaço senzills C-C mitjançant reaccions de condensació que estan acoblades a la hidròlisi de l'ATP (=moneda energètica del metabolisme). # Funcionament dels Enzims - Reacció, pas de S (Substrat) a P (producte). - Estat de transició: Quan es dóna una reacció química el substrat cal que arribi a un estat de Transició (més energia) on o bé retorna a S o canvia a P (SP). - L'energia que es requereix per arribar a l' Estat de transició és l' Energia d'activació i és el que manté les molècules estables. - Si la ∆G† és petita la velocitat de la reacció serà més gran (↑[P]/t or ↓[R]/t) - Si la AG+ és gran la velocitat serà més lenta (↓ [P]/t or ↑[R]/t) - Els enzims no canvien ∆G’°(energia lliure estàndard) de la reacció sinó que disminueixen la AG+ accelerant les reaccions químiques. # Funcionament dels Enzims - La unió E-S es fonamental per tal que els enzims catalitzin les reaccions - La unió E i S és el principal factor que permet la disminució de l'energia d'activació $E+S \rightleftharpoons ES \rightleftharpoons EP \rightleftharpoons E+P$ - CENTRE ACTIU (lloc de fixació del substrat on es dóna la catàlisi). - En el Centre actiu es troba la Zona d'interacció E-S, mitjançant els àtoms de les cadenes laterals dels residus aminoacídics. - E+S units per unions Covalents transitòries i NO covalents (ponts H, Vder W, electrostàtiques...). - Els enzims són específics: reconeixen substrats específics i catalitzen reaccions específiques - Aquesta Especificitat s'aconsegueix mitjançant la estructura tridimensional del enzim i les càrregues elèctriques de les molècules. - La unió ES indueix: 1. Reducció de l'Entropia: molècules més ordenades i per tant més fàcil donar-se la reacció 2. Eliminació dels Ponts Hidrogen que formen els substrats amb les molècules d'aigua 3. Afavoreix la distorsió que fa falta per realitzar les reaccions 4. Alineament de les molècules en una orientació determinada. # Unió E-S - 1864, FISCHER. Hipòtesi de Pany i Clau - 1960, Koshland. Hipòtesi de l'Encaix induït, Els enzims no són estructures rígides. La unió substrat Enzim inicial és poc complementària però indueix canvi conformacional que permet una unió més especifica en l'estat de transició. # Tipus de Catàlisi - Catàlisi Covalent: Unions covalents transitòries que permeten les reaccions químiques. - Catàlisi Àcid-Base: reaccions de oxido-reducció molts cops a través de la Histidina que dóna o rep $H^+$ per permetre la reacció. - Catàlisi per lons Metàl·lics: ló Metàl·lic ajuda a orientar el Substrat i molts cops també ajuden en reaccions oxido-reducció # Cinètica de l'activitat enzimàtica - Cinètica de l'activitat enzimàtica: Permet estudiar l'activitat dels enzims - Reacció enzimàtica a una [E] constant si s'incrementa la [S] la velocitat de la reacció incrementa (la probabilitat que E i S es trobin augmenta) - Els enzims són saturables. Si es segueix incrementant la [S], la velocitat ja no augmenta, velocitat màxima ($V_{max}$) (Tots l'Enzim estan units al S) - $K_m$ Constant de Michaelis-Menten - Representa la [S] on la V =1/2 $V_{max}$ o quan la meitat del enzim està unit al Substrat $V_o = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$ # Afinitat dels Enzims - $K_m$ és un indicador de l'afinitat de l'Enzim pel Substrat. Com més petita és la $K_m$, més afinitat té l'enzim pel S. - La [S] dins la cèl·lula sòl ser una mica més baixa que la $K_m$ # Eficàcia Catalítica dels Enzims - Eficiència Catalítica dels Enzims: es la relació entre la capacitat de dissociació E-P i la capacitat d'unió E-S. És a dir $k_{cat}/K_m$. $K_{cat}$ representa la $V_{max}$ i la capacitat de transformar una quantitat de S en producte per unitat de temps. - $k_{cat}/K_m$ ens permet conèixer la eficàcia dels enzims. Representa la relació entre la velocitat $k_{cat}$ de l'enzim i la afinitat pel seu substrat $K_m$ - Si la $k_{cat}/K_m$ és gran, l'enzim és molt eficient - Si la $k_{cat}/K_m$ és petita, l'enzim és poc eficient # Reaccions Multisubstrat - Alguns enzims poden catalitzar dos reaccions químiques - a) Mecanisme Seqüencial: 1. a l'atzar el S1 i S2 s'uneixen sense seguir un ordre 2. en ordre específic. Primer els S1 i després el S2 - b) Mecanisme del Ping-Pong: Els enzims catalitzen primer una de les reaccions i després la segona. Quinases # Inhibició enzimàtica - Inhibició enzimàtica: Hi ha substàncies que s'uneixen a l'Enzim i els fan perdre l'activitat. - Tipus d'inhibidors: 1. inhibidors específics d'E. que regulen les vies 2. substàncies tòxiques, fàrmacs. - Tipus d'inhibició: 1. Reversible, unió I-E no covalent: a) Competitiva b) No competitiva c) Acompetitiva (Incompetitiva) 2. Irreversible, unió I-E covalent o I modifica E fent-lo Inactiu # Inhibició Competitiva - Inhibició Reversible competitiva: Inhibidor s'uneix al centre actiu impedint la unió del S - Competència entre S i I per unir-se a E. - No afecta a la $V_{max}$ ja que en excés de S l’inhibidor es desplaçat. (unió reversible) - En canvi sí varia la $K_m$, aquesta augmenta (la afinitat pel substrat disminueix). - $k_{cat}/K_m$ disminuirà. Enzim menys efectiu. - Intoxicació per Metanol: tractament amb etanol que competeix pel Metanol per unir-se a l'alcohol deshidrogenasa. D'aquesta manera es redueix la formació de formaldehid mentre els ronyons eliminen el metanol. # Inhibició Reversible No competitiva - Inhibició reversible No competitiva: - I s'uneix a l'E en un lloc diferent al centre actiu. - No bloqueja el centre actiu però impossibilita la reacció. - Afecta a la $V_{max}$ L'enzim es satura amb menys quantitat de S ja que es troba inhibida la catàlisi EP. la $V_{max}$ disminueix. - La $K_m$ en canvi no canvia ja que l'enzim s'uneix d'igual manera al S. # Inhibició Reversible Incompetitiva - Inhibició Reversible Incompetitiva - Inhibidor s'uneix al complex ES proper al centre actiu. - No permet la reacció catalítica. Disminueix la $V_{max}$ - Redueix també la $K_m$ ja que l'Inhibidor incrementa l'afinitat de l'Enzim pel substrat # Inhibició Irreversible - Inhibició Irreversible: L’inhibidor s'uneix irreversiblement mitjançant enllaços dèbils o covalents inactivant l'enzim. - Inhibidors suïcides: Són substàncies poc reactives que només s'activen quan es produeix la interacció El. D'aquesta manera es converteixen en substàncies específiques. - Molts fàrmacs són d'aquest tipus. # pHiT - Influència del pH i T en l'activitat enzimàtica (Inhibició enzimàtica) - Els Enzims treballen en un interval de pH òptim i T òptima on l'activitat de l'Enzim és màx. - 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 l'activitat enzimàtica: - 2 mecanismes: 1. Control de la quantitat d'E: Lenta. Regulació de la síntesi dels enzims 2. Regulant l'activitat de l'E: Ràpida i afecta a l'activitat de l'enzim. - Regulació al·lostèrica - Modificacions Covalents - Proteolisi # Regulació de l'activitat enzimàtica - Control de l'activitat enzimàtica, - Primer control és el nivell de S, la [S] regula la Velocitat. A més [S] més velocitat - Les cèl·lules però necessiten regular les vies metabòliques depenent de les necessitats concretes i no de la [S] Ex: Glucosa. Glicòlisi vs Glicogènesi - En aquesta cas la↑[P] inhibeix la reacció és una Inhibició en feedback - Alguns Enzims de les rutes metabòliques catalitzen reaccions irreversibles i generalment són els Enzims reguladors de les vies metabòliques - 2 tipus de Mecanismes reguladors: 1. Regulació al·lostèrica 2. Enzims regulats per modificació covalents i altres. # Regulació Al·lostèrica - Regulació Al·lostèrica: Enzims al·lostèrics formats per varies subunitats proteiques. - Enzims que canvien la seva conformació per la unió no covalent i reversible d'un modulador o efector al·lostèric. - Els enzims al·lostèrics són proteïnes amb diferent llocs d'unió, un d'unió al substrat (centre actiu i un centre regulador o al·lostèric. - Aquesta unió i el canvi conformacional que ha induït en l'E canvia l'activitat de l'E. - No segueixen l'equació de Michaelis-Menten - Els moduladors/ efectors al·lostèrics poden ser: 1. Activadors: augmenta l'activitat de l'E 2. Inhibidors: baixa l'activitat de l'E. # Regulació Al·lostèrica - La Regulació Al·lostèrica es dóna en enzims format per subunitats proteiques i pot ser - Regulació Homotròpica al·lostèrica: - Enzims Homotròpics: Modulats pel propi S que incrementa la seva afinitat al substrat, - Regulació Heterotròpica al·lostèrica. - Enzims Heterotròpics: Regulats per un compost diferent del S # Regulació Homotròpica al·lostèrica - Enzims Homotròpics: Són enzims amb subunitats que a l'unir-se un primer substrat canvia la conformació augmentant l'afinitat de les altres subunitats - El comportament sigmoïdal (NO segueix l'equació de Michaeis-Menden) Cooperativitat entre les unitats - Cooperativitat: Unió MODULADOR – SUBUNITAT El primer S varia la conformació de la subunitat i de les altres subunitats augmentant l'afinitat de l'E pel S. - A una [S] concreta augmenta molt l'afinitat. - El control de l'activitat enzimàtica és pel propi S. # Regulació Heterotròpica al·lostèrica - Enzims Heterotròpics: Contenen un centre al·lostèric que permet la seva regulació. - Efector al·lostèrics Negatiu. disminueixen l'afinitat de l'E pel S. Incrementa la $K_{0,5}$ mentre que la $V_{max}$ no canvia. - Els efectors heteroal·lostèrics negatius són els responsables de la inhibició per feedback de les rutes metabòliques. El producte final inhibeix al·lostèricament un enzim de la via - Efectors al·lostèrics positius. Incrementen l'afinitat, disminueix la $K_{0,5}$ corba cap a l'esquerra mentre que la $V_{max}$ no canvia. (a =[S]→↑ vel) # MODIFICACIÓ COVALENT - REGULACIÓ DE L'ACTIVITAT PER MODIFICACIÓ COVALENT: Se li afegeix per unió covalent un àtom a l'Enzim de manera reversible. - S'utilitza per activar o inactivar totalment l'activitat de l'E (canvi més dràstic de l'activitat). - S'uneix un grup fosfat, un adenina, una Uridina, una ADP-ribosa o un metil o. La Fosforilació és el sistema més utilitzat (2/3 a ½ dels enzims). # REGULACIÓ PER FOSFORILACIÓ - REGULACIÓ PER FOSFORILACIÓ - És la més habitual. Addició d'un o més P sobre la molècula d'E. - P pot ACTIVAR 0 DESACTIVAR - Quinases, enzims que afegeixen un P - Fosfatases, enzims que treuen un P _This is a very simplified view of the process_ # REGULACIÓ PER ROPTURA PROTEOLÍTICA - REGULACIÓ PER ROPTURA PROTEOLÍTICA - Els enzims es sintetitzen en forma inactiva: Proenzims o Zimògens - El ProE (forma inactiva) es processa en E (actius) i un pèptid - 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 - Proteases digestives en forma de Zimogen (inactiu). - Quimotripsina (zimogen), π-Quimotripsina (autòlisi), Quimotripsina activa (Ponts disulfur uneixen A, B i C) - Tots els factors que intervenen en la coagulació - Proteïnes presents de forma inactiva i només s'activen (perdent el fragment Pro) quan és necessari.