Unidad 3. Enzimas PDF

BIOQUÍMICA MÉDICA UNIDAD 3. ENZIMAS Dra. Rosa Martha Pérez Serrano y Dr. Juan Carlos Solís Sáinz Última actualización: septiembre 2022  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Las enzimas son biopolímeros que catalizan las reacciones químicas y hacen posible la vida como la conocemos. Con...

BIOQUÍMICA MÉDICA UNIDAD 3. ENZIMAS Dra. Rosa Martha Pérez Serrano y Dr. Juan Carlos Solís Sáinz Última actualización: septiembre 2022  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Las enzimas son biopolímeros que catalizan las reacciones químicas y hacen posible la vida como la conocemos. Con excepción de las ribozimas, las enzimas son proteínas extremadamente especializadas con un gran poder catalítico. Las enzimas catalizan la conversión de uno o más compuestos (substratos) en uno o más compuestos diferentes (productos).  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Catalizador: Una sustancia que incrementa la velocidad de una reacción química al reducir la energía del estado de transición y así disminuir la energía de activación Estado de transición: Una forma activada de una molécula que ha sufrido una reacción química parcial; El punto más alto de una coordenada de reacción. Energía de activación (ΔG ) La cantidad de energía (en joules; J) requerida para convertir todas las moléculas en 1 mol de una substancia reactante del estado basal al estado de transición.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Sitio activo La región de una enzima encargada de unir una molécula de sustrato y cataliza su transformación. También se le llama sito catalítico. Sustrato Compuesto específico sobre el que actúa una enzima.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Las enzimas aceleran las reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Catalizador: Una sustancia que incrementa la velocidad de una reacción química al Estado de transición: reducir la energía del Una forma activada de una molécula que ha sufrido una estado de transición y así reacción química parcial; El punto disminuir la energía de más alto de una coordenada de reacción. activación  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Velocidad de reacción (106-1012). Condiciones de reacción menos extremas (temperatura, pH, presión atmosférica, etc.) compatibles con la vida. Especificidad en la reacción (substratos y productos). Poseen capacidad de regulación.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Los enlaces peptídicos pueden ser hidrolizados en ausencia de enzimas exponiéndolos a ácidos o bases fuertes. Sin embargo, las enzimas son las únicas que pueden realizar ambas reacciones  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis Ácido-base. Covalente. Por proximidad. Por ion metálico. Por fijación del estado de transición.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis Los grupos funcionales ionizables de las cadenas laterales de los aa y de grupos prostéticos, además de participar en el sitio activo para unir sustratos, pueden contribuir a la catálisis actuando como ácidos o bases. La catálisis general ácida es un proceso en el que la transferencia de protones desde un ácido reduce la energía libre del estado de transición de una reacción. Una reacción también puede estimularse por catálisis general básica si se aumenta la velocidad por eliminación de protones mediante una base.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis Algunas reacciones pueden ser objeto de ambos procesos al mismo tiempo; son reacciones ácido-base de catálisis concertadas. Las cadenas laterales de los aminoácidos Ac. Aspártico (Asp), Ac. Glutámico (Glu) , Histidina (His), Cisteína (Cys), Serina (Ser), Arginina (Arg) Tirosina (Tyr) y Lisina (Lys) actúan como catalizadores ácidos o básicos. La capacidad de las enzimas para disponer varios grupos catalíticos alrededor de sus sustratos hace que la catálisis ácido-base sea un mecanismo enzimático común.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis covalente Formación de un enlace covalente entre la enzima y uno o más sustratos (catálisis nucleofílica). La enzima modificada se convierte en un reactivo. La modificación es transitoria y reversible. Finalizada la reacción, la enzima regresa a su estado original. La catálisis covalente es común entre las enzimas que catalizan reacciones de transferencia de grupos. Los aa participan en la catálisis covalente por lo general son Lisina (Lys), Cisteína (Cys), Serina (Ser) y Histidina (His) y los grupos prostéticos con Tiamina Difosfato o Tiamina Pirofosfato (TPP) y Piridoxal Fosfato o Piridoxal-5- fosfato (PLP). La catálisis covalente a menudo sigue un mecanismo de “ping-pong”.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis covalente La base de Schiff implica el producto formado por la reacción entre una amina primaria y un aldehído o cetona, los cuales también son conocidos como iminas N- sustituidas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis covalente  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis por ion metálico Aproximadamente un tercio las enzimas conocidas requiriere de iones metálicos para la actividad catalítica. Los iones metálicos participantes en el proceso catalíticos de tres maneras principales: 1. Por unión a sustratos. 2. Por reacciones de oxido-reducción mediante cambios reversibles del estado de oxidación del ion metálicos. 3. Por estabilización electrostática o protección de las cargas negativas.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis por proximidad La alta concentración de moléculas favorece su interacción y la velocidad a la que reaccionan al reducir la distancia de formación de enlaces entre sí. Cuando un sustrato se une al sitio activo de la enzima se forma una región de alta concentración de sustrato en la que se orienta en una posición ideal para que interactúen químicamente. Esto mejora velocidad en al menos 1000 veces sobre la misma reacción no catalizada por enzimas.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis por proximidad  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Tipos de catálisis por fijación del estado transición Una enzima se puede unir al estado de transición de la reacción a la que cataliza con mayor afinidad que sus sustratos o productos.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas La reacción que cataliza la lisozima es una hidrólisis. La reacción en energéticamente favorable porque la energía libre de la cadena del polisacárido cortado es inferior a la cadena intacta. Sin embargo, un polisacárido en agua puede permanecer intacto durante mucho tiempo ¿Por qué?  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Este fenómeno es consecuencia a que la reacción tiene una barrera energética. Una molécula de agua debe colisionar en el enlace del polisacárido. Si se encuentra distorsionado, las colisiones al azar deberían aportar la energía suficiente de activación para que se lleve a cabo la reacción. En solución acuosa y a temperatura ambiente, casi nunca se excede la energía de activación. Por lo anterior el proceso se produce de forma muy lenta o ni siquiera se realiza.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN 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 Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Inicialmente se designaba a los enzimas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, o bien a una palabra que describe su actividad. Por ejemplo, la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea a CO2 y agua, la arginasa cataliza la hidrólisis del aminoácido arginina y la DNA polimerasa cataliza la síntesis del DNA.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas 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. Veamos como ejemplo el del enzima que cataliza la siguiente reacción.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Las enzimas son proteínas formadas exclusivamente por secuencias de aminoácidos. Determinan la especificidad de la reacción enzimática. 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 Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Las reacciones en organismo son altamente dinámicas. Las células tienen que contrarrestar los procesos inevitables de degeneración que promueven que las macromoléculas se muevan a la entropía. Si las velocidades de las reacciones deseables no fueran superiores a las reacciones opuestas, la célula moriría  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Las reacciones en organismo son altamente dinámicas. Las células tienen que contrarrestar los procesos inevitables de degeneración que promueven que las macromoléculas se muevan a la entropía. Si las velocidades de las reacciones deseables no fueran superiores a las reacciones opuestas, la célula moriría 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. De una reacción como esta se dice que esta limitada por la Difusión.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Por lo anterior, la reacción enzimática está limitada por la difusión, su velocidad depende de las concentraciones de la enzima y del sustrato. Sin embargo, dado el enorme número de reacciones diferentes que se realizan en la célula, las concentraciones de los sustratos y enzimas están limitadas. Entonces, ¿Cómo es posible mantener velocidades metabólicas muy elevadas?  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas 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 Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas En ocasiones las enzimas no pueden realizar sus funciones por si solas, requieren de la participación de otras moléculas para estabilizar las reacciones. Con frecuencia estas enzimas presentan una molécula o un átomo metálico estrechamente asociado en su lugar activo que les asiste en sus funciones catalíticas.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas 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 Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas Zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo, es decir, no cataliza ninguna reacción como hacen las enzimas. Para activarse, necesita de un cambio bioquímico en su estructura que le lleve a conformar un centro activo donde pueda realizar la catálisis. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Características de las Enzimas 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 Y CLASIFICACIÓN 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. Cada enzima se une a un único tipo de sustrato debido a que el sitio activo y el sustrato poseen estructuras complementarias  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN Las enzimas son muy específicas en la fijación de sustratos quirales y en la catálisis de sus reacciones. Esta especificidad se debe a que las enzimas forman sitios activos asimétricos. Las enzimas tienen una quiralidad inherente, las proteínas son solo L-aminoácidos.  DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN 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 Y CLASIFICACIÓN  CINÉTICA ENZIMÁTICA En toda reacción enzimática el sustrato es transformado en producto para lo cual la enzima se une al sustrato formando un complejo enzima-sustrato. Luego la enzima permanece inalterada y el sustrato transformado en producto  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 umoles 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). Es la tasa máxima teórica que se obtiene en condiciones determinadas. Experimentalmente se obtiene un valor aproximado cuando la velocidad comienza a ser independiente de la concentración de sustrato  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 gráfica muestra la velocidad inicial de la reacción (V0) contra la concentración de sustrato. Definición de la kd Kd = K-1/K1, es una constante de la disociación del complejo ES, derivada de constantes de velocidad. Su valor es una referencia de la afinidad de la enzima por el sustrato.  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.  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 enzima-sustrato. La Vmáx se alcanza cuando toda la enzima está ocupada por el sustrato. La Constante de Velocidad (Km): Proporciona una medida directa de la rapidez con la que se produce una reacción. CINÉTICA ENZIMÁTICA  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.  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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].  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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).  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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].  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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 sustratos para formar el complejo ES que genera el producto P de forma irreversible y dejando libre nuevamente a la enzima E. CINÉTICA ENZIMÁTICA  CINÉTICA ENZIMÁTICA Con la ecuación anterior se puede expresar la rapidez o velocidad de una reacción, definida como la velocidad de formación de productos. 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. 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.  CINÉTICA ENZIMÁTICA [S0] = Concentración inicial de sustrato [E]T = Concentración total de la enzima [E]T = [E] + [ES] [S] = Concentración de sustrato [P] = Concentración de producto d = Δ = diferencia Estado pre- estacionario formación de ES Estado estacionario ES casi constante t = tiempo  CINÉTICA ENZIMÁTICA Ecuación de Michaelis-Menten La ecuación describe la manera en que la velocidad de la reacción varía con respecto de la concentración de sustrato:  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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.  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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. 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. CINÉTICA ENZIMÁTICA  CINÉTICA ENZIMÁTICA Cuando la enzima está principalmente en la forma EP en condiciones de saturación, Vmax = k3[E]T, es conveniente definir la Kcat. La kcat es la tasa limitante de cualquier reacción enzimática bajo condiciones de saturación. La constante catalítica (kcat) o número de recambio es el número de reacciones enzimáticas que puede catalizar una sola molécula de enzima saturada por unidad de tiempo; normalmente se expresa en s-1 CINÉTICA ENZIMÁTICA  CINÉTICA ENZIMÁTICA En la ecuación de Michaelis-Menten: CINÉTICA ENZIMÁTICA  CINÉTICA ENZIMÁTICA 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 está 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