Bioquímica Sesión 8 Prope (PDF)

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO FACULTAD DE MEDICINA LICENCIATURA EN MEDICINA CURSO PROPEDÉUTICO 2024 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE BIOQUÍMICA ENZIMAS D.C. Sarahí Rodríguez González Definición de enzimas y clasificación según su función Enzimas Ø Las enzimas son biopolímeros que catalizan las reacciones...

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO FACULTAD DE MEDICINA LICENCIATURA EN MEDICINA CURSO PROPEDÉUTICO 2024 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE BIOQUÍMICA ENZIMAS D.C. Sarahí Rodríguez González Definición de enzimas y clasificación según su función Enzimas Ø Las enzimas son biopolímeros que catalizan las reacciones químicas y hacen posible la vida. Ø Con excepción de las ribozimas, las enzimas son proteínas extremadamente especializadas con un gran poder catalítico. Ø Las enzimas catalizan la conversión de uno o más compuestos (substratos) en uno o más compuestos diferentes (productos). Definición de enzimas y clasificación según su función Enzimas Ø Las enzimas aceleran las reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Ø La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Ø Velocidad de reacción (106-1012). Ø Condiciones de reacción menos extremas (temperatura, pH, presión atmosférica, etc.), compatibles con la vida. Ø Especificidad en la reacción (substratos y productos). Ø Poseen capacidad de regulación. Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Ø Los enlaces peptídicos pueden ser hidrolizados en ausencia de enzimas exponiéndolos a ácidos o bases fuertes. Ø Sin embargo, las enzimas son las únicas que pueden realizar ambas reacciones. Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Ø La reacción que cataliza la lisozima es una hidrólisis. Ø La reacción es energéticamente favorable porque la energía libre de la cadena del polisacárido cortado es inferior a la cadena intacta. Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Ø Sin embargo, un polisacárido en agua puede permanecer intacto durante mucho tiempo. Ø Este fenómeno es consecuencia a que la reacción tiene una barrera energética. Ø Una molécula de agua debe colisionar en el enlace del polisacárido. Ø Si se encuentra distorsionado, las colisiones al azar deberían aportar la energía suficiente de activación para que se lleve acabo la reacción. Ø En solución acuosa y a temperatura ambiente, casi nunca se excede la energía de activación. Ø Por lo anterior, el proceso se produce de forma muy lenta o ni siquiera se realiza. Definición de enzimas y clasificación según su función Características de las Enzimas Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción pero NO alteran la constante de equilibrio o la energía libre de la reacción. La velocidad de la reacción NO depende de los cambios de energía entre los reactantes y productos. La velocidad de la reacción SI depende de la energía de activación, que es la energía que se requiere para iniciar la reacción. Definición de enzimas y clasificación según su función Clasificación y nomenclatura Inicialmente se designaba a los enzimas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, o bien a una palabra que describe su actividad: Ø Ureasa, cataliza la hidrólisis de la urea a CO2 y agua. Ø Arginasa cataliza la hidrólisis del aminoácido arginina. Ø DNA polimerasa cataliza la síntesis del DNA. Definición de enzimas y clasificación según su función Clasificación y nomenclatura Cada enzima es designada de tres modos: 1) Un nombre recomendado, generalmente corto y apropiado para su uso habitual. 2) Un nombre sistemático que identifica la reacción que cataliza. 3) Un número de clasificación, que se emplea cuando se precisa una identificación inequívoca del enzima. Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Ø Las enzimas son proteínas formadas exclusivamente por secuencias de aminoácidos. Ø Determinan la especificidad de la reacción enzimática. Ø Se pueden distinguir 4 tipos de aminoácidos según la función que desempeñen en la actividad enzimática: a) No esenciales: No intervienen en el proceso catalítico. Si se eliminan de la cadena, la enzima no pierde la actividad enzimática. b) Estructurales: Mantienen la estructura tridimensional de la proteína. No intervienen directamente en la actividad enzimática, pero si se alteran pueden cambiar la posición del grupo activo. c) De unión o de fijación: Establecen enlaces débiles con el sustrato orientándolo para aproximar la parte del mismo que ha de ser atacada por la enzima. d) Catalíticos: Se unen al sustrato mediante un enlace covalente debilitando su estructura y favoreciendo su ruptura. Definición de enzimas y clasificación según su función Ø Las reacciones en organismo son altamente dinámicas. Ø Las células tienen que contrarrestar los procesos inevitables de degeneración que promueven que las macromoléculas se muevan a la entropía. Ø Si las velocidades de las reacciones deseables no fueran superiores a las reacciones opuestas, la célula moriría. Definición de enzimas y clasificación según su función Ø El factor limitante de la velocidad de la reacción no es la velocidad intrínseca de la reacción enzimática, sino la frecuencia a la que la enzima interacciona con su sustrato. Ø De una reacción como esta se dice que esta limitada por la Difusión, su velocidad depende de las concentraciones de la enzima y del sustrato. Definición de enzimas y clasificación según su función Ø Dado el enorme número de reacciones diferentes que se realizan en la célula, las concentraciones de los sustratos y enzimas están limitados. Ø Entonces, ¿Cómo es posible mantener velocidades metabólicas muy elevadas? Ø La célula incrementa las velocidades de reacción sin aumentar la concentración al reunir las diferentes enzimas que estén implicadas en la misma ruta o secuencia en un complejo proteico llamado Complejo Multienzimatico. Definición de enzimas y clasificación según su función Ø En ocasiones las enzimas no pueden realizar sus funciones por si solas, requieren de la participación de otras moléculas para estabilizar las reacciones. Ø Con frecuencia estas enzimas presentan una molécula o un átomo metálico estrechamente asociado en su lugar activo que les asiste en sus funciones catalíticas. Cofactor. Es una molécula pequeña necesaria para la actividad de muchas enzimas. Los cofactores son iones metálicos o moléculas orgánicas (coenzimas) que participan con las enzimas en la realización de una actividad enzimática. Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Ø Zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo, es decir, no cataliza ninguna reacción como hacen las enzimas. Ø Para activarse, necesita de un cambio bioquímico en su estructura que le lleve a conformar un centro activo donde pueda realizar la catálisis. Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función Definición de enzimas y clasificación según su función 1. La reacción de catálisis se lleva a cabo en el sitio activo de la proteína: unión del sustrato a la enzima (interacciones altamente específicas entre el sustrato y los AA de la enzima que forman el sitio activo): a) modelo de llave y cerradura b) modelo de ajuste inducido (induced-fit) 2. El estado de transición necesita que el substrato se aproxime y oriente en la forma exacta y correcta dentro del sitio activo. 3. El paso final en la reacción enzimática es la liberación de producto. Definición de enzimas y clasificación según su función Ø La especificidad enzimática es una propiedad de las enzimas que se explica en parte por el modelo de llave y cerradura, propuesto por Emil Fischer en 1890. Ø Cada enzima se une a un único tipo de sustrato debido a que el sitio activo y el sustrato poseen estructuras complementarias Definición de enzimas y clasificación según su función En una variante moderna del modelo de llave y cerradura propuesta por Daniel Koshland, denominada modelo de acoplamiento inducido, se considera la estructura flexible de las proteína. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Ø En toda reacción enzimática el sustrato es transformado en producto para lo cual la enzima se une al sustrato formando un complejo enzima-sustrato. Ø Luego la enzima permanece inalterada y el sustrato transformado en producto. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Velocidad Máxima: La tasa o velocidad de una reacción (v) es el número de moléculas de sustrato que se convierte en producto por unidad de tiempo. Se expresa como moles de producto formado por minuto. La velocidad de una reacción catalizada por una enzima aumenta la concentración de sustrato hasta que se alcanza una velocidad máxima (Vmáx). Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Curva de cinética enzimática: La mayoría de las enzimas presentan un comportamiento similar a la cinética de Michaels-Menten, en la cual la grafica muestra la velocidad inicial de la reacción (V0) contra la concentración de sustrato. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Factores que regulan la actividad enzimática Temperatura: Cada enzima tiene una temperatura óptima en la cual la velocidad de reacción es máxima. Suele ser 40ºC. Si aumenta mucho, la enzima se desnaturaliza. El calor aumenta la energía cinética con lo que aumenta la movilidad de las moléculas facilitando su encuentro. La T óptima para la mayoría de las enzimas humanas esta entre 35 y 40 °C. Sin embargo, las bacterias termófilas pueden trabajar en cerca de los 70 a 90 °C. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Factores que regulan la actividad enzimática pH: Cada enzima presenta unos valores de pH entre los que son efectivos. Entre ambos existe un pH óptimo en el que la velocidad de la reacción es máxima. Fuera de los límites la enzima se desnaturaliza. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Factores que regulan la actividad enzimática Concentración de sustrato: Al aumentar la concentración del sustrato se aumenta la velocidad de reacción ya que, al haber más moléculas de sustrato, se facilita el encuentro de estas con el enzima, hasta alcanzar la velocidad máxima (Vmáx), a partir de ese momento se mantiene constante ya que todas las enzimas se encuentran en forma de complejo enzimasustrato. La Vmáx se alcanza cuando toda la enzima está ocupada por el sustrato. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática Ø La Constante de Velocidad (Km): Proporciona una medida directa de la rápidez con la que se produce una reacción. Ø Una Km elevada indica que la reacción es rápida, mientras que una Km baja es lo contrario. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética enzimática En la cinética enzimática se distinguen tres fases: Para una concentración baja de sustrato, la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración del sustrato (relación lineal), la cinética es de primer orden. Para una concentración alta de sustrato, la velocidad de la reacción se hace prácticamente constante e independiente de la concentración de sustrato, la cinética se considera de orden cero. Para concentraciones de sustrato intermedias la velocidad del proceso deja de ser lineal y a esta zona se la denomina de cinética mixta. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Orden de la reacción Reacción de 1er orden: Cuando la [S] es menor que la Km, la velocidad de la reacción es aprox. proporcional a la [S]. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Orden de la reacción Reacción de orden cero: Cuando la [S] es mayor a la Km, la velocidad es constante e igual a la Vmáx. Por lo tanto, la velocidad de la reacción es independiente de la concentración del sustrato (la enzima esta saturada de sustrato). Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Orden de la reacción Reacción de 2 orden cero: Cuando la [P] depende de la concentración de dos sustratos [A] y [B]. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Leonor Michaelis y Maude Menten propusieron un modelo simple que explica la mayoría de las características de muchas reacciones catalizadas por enzimas. En este modelo, la enzima combina de manera reversible con sus sustrato para formar el complejo ES que genera el producto P de forma irreversible y dejando libre nuevamente a la enzima E. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ø Con la ecuación anterior se puede expresar la rápidez o velocidad de una reacción, definida como la velocidad de formación de productos. Ø Si fuera posible medir la V y la [ES] nos proporcionaría la contante de velocidad de K2 para la anterior ecuación. Sin embargo, [ES] generalmente no es una concentración medible. Ø Lo que se puede medir son las concentraciones del sustrato o producto y la concentración total de la enzima, que debe ser la suma de la enzima libre y la enzima ocupada. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten La ecuación describe la manera en que la velocidad de la reacción varía con respecto de la concentración de sustrato: Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Las siguientes suposiciones se llevan a cabo al derivar la ecuación de velocidad de Michaelis –Menten Concentraciones relativas de enzima y sustrato: la [ ] de sustrato [S] es mucho mayor que la concentración de enzima, de manera que el porcentaje de sustrato total unido por la enzima en cualquier momento dado es pequeño. Suposición del estado estacionario: La [ ] del complejo ES no cambia con el tiempo, esto es, la velocidad de formación de ES es igual a la del rompimiento de ES (a E + S y a E + P). Lo anterior hace referencia a un intermediario en una serie de reacciones donde se encuentra en el estado estacionario cuando su V de síntesis es igual a su V de degradación. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Velocidad Inicial: Las velocidades de reacción inicial (V0) se usan en el análisis de las reacciones enzimáticas. Esto significa que la velocidad de la reacción se mide tan pronto como se mezcla la enzima y el sustrato. Definición de enzimas y clasificación según su función Cinética de Michaelis-Menten Ecuación de Michaelis-Menten Una Km pequeña o reducida: refleja una alta afinidad de la enzima por su sustrato. Esto se interpreta como que la enzima requiere de una baja [ ] del S para saturar la mitad de la enzima. Una Km grande o elevada: refleja una baja afinidad de la E por el S. Esto se interpreta como que la enzima requiere de una mayor [ ] del S para saturar la mitad de la enzima disponible. Definición de enzimas y clasificación según su función Cuando la [P] sube y la [S] baja demasiado, la reacción enzimática puede revertirse y generar S a partir de P, por esta razón las enzimas se reportan en sus condiciones iniciales (Vi), donde [S]>>[Et]. De esta forma en la situación anterior, cuando la enzima esta saturada por S, la Vmax es una medida indirecta de la [Et] presente en un tejido dado. La Km es una medida de la afinidad de E por S, a >Km la afinidad baja, a