T7 BQ-Fisio Exam Paper 2024-25 PDF

Tema 7: ENZIMAS Naturaleza y función Función: favorecer las reacciones químicas biológicas en condiciones fisiológicas. Características generales: - Casi exclusivamente PROTEÍNAS (solo algunos casos de ARN (ribozimas)): - Son catalizadores que recuperan su estado inicia...

Tema 7: ENZIMAS Naturaleza y función Función: favorecer las reacciones químicas biológicas en condiciones fisiológicas. Características generales: - Casi exclusivamente PROTEÍNAS (solo algunos casos de ARN (ribozimas)): - Son catalizadores que recuperan su estado inicial tras cada ciclo catalítico. - Elevada eficacia catalítica: aumentan la velocidad 106-1017 veces y actúan en condiciones “suaves” y constantes de pH y temperatura. Incrementos de velocidad de algunas enzimas * Anhidrasa carbónica: 106 EC 4.2.1.1 * Triosa fosfato isomerasa: 109 EC 5.3.1.1 * Carboxipeptidasa A: 1011 EC 3.4.17.1 * Succinil-CoA transferasa: 1013 EC 2.8.3.5 * Ureasa: 1014 EC 6.3.4.6 - Muy potentes: pueden realizar miles de ciclos catalíticos por segundo. - Específicas de sustrato y tipo de reacción. - Regulación por mecanismos celulares: la velocidad de las reacciones enzimáticas cambia según las características del entorno y permite adaptarse a las necesidades metabólicas o ambientales..  Enzimas como catalizadores El desarrollo y la velocidad de una reacción dependen de factores termodinámicos y factores cinéticos. Factores termodinámicos: determinan que una reacción sea espontánea (posible) o no espontánea (según ∆G): ∆G0 Reacción no espontánea: imposible Reacción espontánea: posible Reacción en S → P S  P el equilibrio agua sólida → agua líquida agua líquida → agua sólida Tªamb Tªamb Sólo las reacciones con ∆G < 0 son espontáneas Catálisis enzimática: las enzimas aceleran la velocidad de una reacción biológica espontánea, pero NO alteran la dirección de la Al inicio: S → P Durante la reacción: S → P reacción ni la posición final de un equilibrio. ΔG Al final (equilibrio): S → P Keq = [P]/[S] ∆G = -RT ln Keq ΔG < 0 Teoría del Estado de Transición La barrera de energía entre S y P, llamada energía de activación, es la energía requerida para alcanzar el estado de transición  formación de cargas inestables, reagrupamientos de enlaces, alineamiento de los grupos reaccionantes y otras transformaciones necesarias para la reacción. La velocidad de la reacción es inversamente proporcional a la energía de activación. Las enzimas disminuyen la energía de activación de una reacción y aumentan así su velocidad. Esto se consigue por la formación de enlaces transitorios entre los sustratos y el centro activo de la enzima, gracias a una orientación adecuada, características físico-químicas favorables y la presencia de grupos químicos que participen en la reacción en el propio centro activo de la enzima. SP Estado de transición (≠) Estado de transición (≠) +E Energía (∆G) Energía (∆G) Estado basal Estado final El centro activo - Bolsillo o hendidura de la enzima donde tiene lugar la catálisis: se constituye el complejo enzima-sustrato por formación de enlaces transitorios entre las cadenas laterales de los aminoácidos con los sustratos. - Específico, incluso de estereoisómero. Interacción entre el S y el - Desnaturalización  pérdida de la función. centro activo de la ribonucleasa Especificidad de isómero Modelos que explican la interacción en el centro activo: 1. Modelo de Fischer (llave-cerradura) Enzima: estructura rígida complementaria al sustrato. 2. Modelo de Koshland-Neet (guante-mano o ajuste inducido) Enzima-Sustrato: cambio en la conformación de la E que favorece la interacción entre la E y el estado de transición. Nomenclatura: Nombre trivial o común Trivial: Pepsina, tripsina, papaina,… Descriptivo: Sustrato sobre el que actúan con el sufijo –asa Tirosinasa, catalasa, ureasa, etc. Nombre recomendado: sustrato-tipo de reacción Sustrato sobre el que actúan, seguido de la clase general de la reacción química catalizada, con el sufijo –asa. Oxidorreductasa: Alcohol Deshasa Transferasas: Hexoquinasa Hidrolasas: Quimotripsina Liasas: Piruvato descarboxilasa Isomerasas: Alanina isomerasa Ligasas (sintetasas): Piruvato carboxilasa Nomenclatura: Nombre sistemático: de acuerdo con la Clasificación de Enzimas Las enzimas se clasifican por el tipo y mecanismo de la reacción que catalizan, en 6 clases, cada una de las cuales tiene de 4 a 13 subclases. Cada enzima tiene asignado un código de identificación o número sistemático (EC) de cuatro números: Ejemplo: Número: EC 2.7.1.1. 2: Clase (transferasa). 7: Subclase (transferasa fosfato). 1: Subsubclase (el aceptor es un alcohol). 1: Número de orden (hexoquinasa). Nombre: ATP:D-hexosa 6 fosfotransferasa Reacción: Glucosa + ATP  Glucosa-6-fosfato + ADP EC 1. Oxidorreductasas Reacciones de oxidación-reducción (transferencia de electrones). EC 2. Transferasas Transferencia de un grupo químico de un donador a un aceptor. EC 3. Hidrolasas Ruptura hidrolítica de algún enlace del sustrato. EC 4. Liasas Ruptura no hidrolítica de enlaces. EC 5. Isomerasas Reacciones de isomerización. EC 6. Ligasas (sintetasas) Formación de enlaces covalentes entre 2 sustratos con hidrólisis de ATP. Nomenclatura: Clasificación de Enzimas EC 1. Oxido-reductasas EC 2. Transferasas EC 3. Hidrolasas Alcohol Deshidrogenasa Hexoquinasa Quimotripsina EC 4. Liasas EC 5. Isomerasas EC 6. Ligasas Aminotransferasas Glucosa Isomerasa Piruvato carboxilasa Factores que intervienen en la catálisis: a) Proximidad y orientación en la hendidura. b) Polaridad de los aminoácidos del centro activo. c) Presencia de grupos catalíticos:  Catálisis covalente: Formación de enlaces covalentes transitorios entre E y S que estabilizan el estado de transición.  Catálisis general ácido-base: Transferencia de protones desde o hacia el sustrato. Modelo de cintas de la enzima lisozima con los componentes del centro activo en colores diferentes.  Reacciones acopladas Energía libre (G): parámetro bioenergético característico de cada molécula. Depende de la composición atómica y estructura de la molécula; Cambia cuando la molécula se transforma. A  B GA GB ΔG = GB – GA ΔG0 reacción no espontánea: endergónica (necesita aporte energético) ΔG=0 reacción en equilibrio: isoergónica En la célula ocurren tanto las reacciones exergónicas como endergónicas gracias a las reacciones acopladas. Glucosa + Pi  Glucosa-6-P + H2O ∆G= 14 KJul/mol No espontánea ATP + H2O  ADP + Pi ∆G= -31 KJul/mol Espontánea Glucosa + ATP  Glucosa-6-P + ADP ∆G= -17 KJul/mol ESPONTÁNEA Reacción de hidrólisis de ATP ATP + H2O  ADP + Pi ∆G= -31 KJul/mol Reacción muy exergónica que impulsa a otras  Cinética enzimática Cinética enzimática  Estudia la velocidad de las reacciones enzimáticas y factores que la afectan. Cómo medimos la velocidad de una reacción: S→P Observando cómo desaparece el sustrato (unidades de concentración: mg/ml, mM) Observando cómo aparece el producto (unidades de concentración: mg/ml, mM) Para una reacción monosustrato: S→P V = -d[S]/dT = d[P]/dT La velocidad depende de: - capacidad catalítica de la enzima - [S] y [E] - Condiciones ambientales (T, pH)  Regulable en función de estímulos presentes en el interior o el exterior de las células. La modulación (normalmente inhibición) de la actividad de algunas enzimas mediante fármacos tiene una gran importancia terapéutica en patologías muy variadas. Relación entre la velocidad de reacción y la [S] [S]: concentración de sustrato en el medio Modelo cinético de Michaelis-Menten Reaction velocity Enzyme concentration 1- Para una [E] = constante, dependencia de V vs 2- Para una [S] = cte, dependencia de V vs [E] [S] hiperbólica: lineal A [S] bajas  V aumenta de forma casi lineal A [S] elevadas (plateau)  V = Vmax (constante) En la célula, normalmente [E] es cte, [S] es variable. Cálculo de parámetros cinéticos -Ecuación de Michaelis – Menten (enzimas -Linearización de la ecuación  Lineweaver - Burk michaelianas o hiperbólicas) (dobles recíprocos): Cálculo de parámetros cinéticos KM indica la afinidad de la E por el S de forma inversamente proporcional: KM mayor: menos afín por un sustrato KM menor: más afín por un sustrato – KM es la [S] para cual V0 = ½Vmax (tiene unidades de concentración). Vmax es la velocidad en condiciones de saturación de la y=ax+b Ecuación de una línea recta enzima (se alcanza para [S] muy altas). Cuando [S] es muy alta, Vo = Vmax  Cómo calcular los parámetros cinéticos de una enzima (inversa) Michaelis-Menten: Lineweaver-Burk: [S] (µM) Vo (mM/s) 1/[S] 1/Vo......... …. …........... …. …........... …. ….. Km: Es una constante propia de cada enzima para un sustrato Tiene unidades de concentración (Molar, M) Normalmente varía entre 0.1 y 10 -7 M Indica la afinidad de una enzima por un determinado sustrato  Problema: Medida de la velocidad de una reacción enzimática. Calcula KM y Vmax a partir de los resultados experimentales. Michaelis-Menten: Lineweaver-Burk: [S] (µM) Vo (mM/s) 1/[S] 1/Vo 0,0 0,00 10,00 2,94 0,1 0,34 5,00 1,89 0,2 0,53 2,50 1,35 0,4 0,74 1,25 1,10 0,8 0,91 0,63 0,96 1,6 1,04 3.5 1.0 3.0 0.8 2.5 Vo (mM/s) 0.6 2.0 1/Vo 1.5 KM/Vmax 0.4 1.0 1/Vmax 0.2 0.5 0.0 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 [S] (µM) 1/[S] 1/Vo = 0,2112*1/[S] + 0,8296 KM = 0,25 µM Vmax = 1,21 mM/s Inhibición enzimática: Utilidad: - Medicina  fármacos. - Química  estudios de la enzima. Tipos: - Irreversibles: E (activa) + I → EI (inactivo) Competitivos - Reversibles: E (activa) + I ↔ EI (inactivo) No competitivos Acompetitivos Ejemplo de inhibidor irreversible: la penicilina: Mecanismo: inactivación de la enzima transpeptidasa, responsable de la síntesis de las paredes celulares bacterianas. Se queda unida al centro activo por enlace covalente irreversible. Estructura de la penicilina Peptidoglicano de la pared bacteriana de Staphylococcus aureus azúcares glicina tetrapéptido  Proteasa del VIH: Enzima del virus que rompe unas proteínas víricas y las activa, necesarias para la replicación del virus Crixivan (fármaco) Sustrato peptídico natural  Aumenta KM No varía KM Competitivo: No varía Vmax No competitivo: Disminuye Vmax afinidad catalítica Acompetitivo: Disminuye Km se unen a un complejo distinto del centro activo, y se da en el complejo-sustrato Disminuye Vmax Competitivo: No competitivo: Acompetitivo: Disminuye Km Disminuye Vmax Aumenta KM No varía KM No varía Vmax Disminuye Vmax Lineweaver-Burk: Competitivo: No competitivo: Acompetitivo:  Problema: Experimento de medida de la velocidad de una reacción enzimática en ausencia y presencia de un compuesto A. Determina las constantes cinéticas de la enzima sin/con A y qué tipo de sustancia es A para la reacción. 0.8 Michaelis-Menten: Sin A 0.7 Con A Vo (µmol/min) 0.6 Vo (µmol/min) 0.5 [S] (µM) Sin A Con A 0.4 0,0 0,00 0,00 2,5 0,32 0,20 0.3 3,3 0,40 0,26 0.2 5,0 0,52 0,36 10,0 0,69 0,56 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 [S] (µM) Lineweaver-Burk: 1/Vo Sin A Con A 5 1/[S] Sin A Con A KM (µM) Vmax 0,4 3,12 5,00 4 0,3 2,50 3,85 Sin A 7,1 1,25 0,2 1,92 2,78 1/Vo 3 Con A 12,5 1,25 0,1 1,45 1,78 2 INHIBIDOR COMPETITIVO 1/Vmax 1 -1/KM -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -1/KM (app) 1/[S] Regulada hormonalmente. Unión de moléculas distintas del S y P de reacción a sitios distintos del centro activo en enzimas oligoméricas. Dependencia de la velocidad de reacción con las condiciones ambientales. 1)pH. Los cambios en el pH pueden afectar a la afinidad de la enzima por el sustrato. -se ven alteradas las cargas de los aa que participan en la formación del complejo ES. 2)Temperatura. El aumento de T conduce a un aumento en la velocidad de reacción. -límite: temperatura de desnaturalización (pérdida de función).