Enzimas - Fabián Rodríguez
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Universidad Central de Venezuela
Facultad de Medicina
Escuela de Medicina José María Vargas
Caracas, Agosto 2012
Enzimas
Fabián Rodríguez
Médico Cirujano - UCV
Contenido1. Generalidades
• Definiciones• Estructura de una Enzima• Cofactores
2. Clasificación y Nomenclatura de las Enzimas3. Mecanismo de Acción
• Sitio Activo• Curso de una reacción química• Curso de una reacción catalizada• Disminución de la Energía de Activación• Interacción Enzima-Sustrato• Uso de la Energía de Fijación• Grupos catalíticos específicos
4. Cinética enzimática• Velocidad de reacción y tipos de reacción• Efecto de la Concentración de la Enzima• Efecto del pH• Efecto de la Temperatura• Efecto de la concentración de sustrato• Reacciones con múltiples sustratos
5. Inhibición Enzimática• Inhibición Irreversible• Inhibición Reversible
• Competitiva• No competitiva• Acompetitiva
6. Regulación Enzimática• Control a nivel de Sustrato• Control por Retroalimentación• Aolsterismo• Modulación covalennte• Zimógenos• Isoenzimas
GENERALIDADES
Generalidades
• Catalizador:
Sustancia que aumenta la velocidad o la rapidez de una reacción enzimática sin verse alterada ella misma en el proceso global
• Enzimas:
Catalizadores biológicos de alta especificidad,
en su mayoría son proteínas
NO ALTERAN EL EQUILIBRIO DE
LA REACCIÓN CATALIZADA
Definiciones
Generalidades
Enzima simple
Enzima conjugado
(Holoenzimas)
Apoenzima
Cofactor
Coenzima
Ión Metálico
Estructura de una Enzima
Grupoprostético
Generalidades
Cofactores
CLASIFICACIÓN Y
NOMENCLATURA
DE LAS ENZIMAS
Nomenclatura
ATP: glucosa fosfotransferasa(Hexoquinasa)
1) Nombre del sustrato, seguido del sufijo “asa”.
ATP + D-glucosa → ADP + D-glucosa 6-fosfato
2) Según la Comisión de Nomenclatura de las Enzimas:
EC 2.7.1.1
Clase:Transferasa
Subclase:Fosfotransferasa
Sub-subclase:Grupo hidroxilo
como aceptor
Sustratos:D-glucosa como
aceptor del fosfato
Clasificación de las enzimas
Clasificación de las enzimas
N° Clase Tipo de reacción
1 Oxidoreductasas Transfiere electrones
2 Transferasas Transfiere grupos
3 Hidrolasas Reacciones de hidrólisis (transferencia de
grupos al agua)
4 Liasas Adición de grupos a dobles enlaces o
formación de dobles enlaces por eliminación
de grupos
5 Isomerasas Transferencia de grupos dentro de la
molécula
6 Ligasas Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N
por reacciones acopladas al ATP
Clases
Clasificación de las Enzimas
• 1. Oxidoreductasas
o Deshidrogenasas: Lactato Deshidrogenasa
o Oxidasa: Citocromo Oxidasa
o Peroxidasas: Glutation Peroxidasa
o Catalasa:
o Oxigenasa: Ciclo Oxigenasa
o Hidroxilasa: Fenilalanina Hidroxilasa
Clases y Subclases
Clasificación de las Enzimas
• 2. Transferasas
o Transcarboxilasas: Transaldolasa
o Metiltransferasas: O6-Metilguanina Metiltransferasa
o Aminotransferasas: Aspartato aminotransferasa
o Quinasas: Hexoquinasa
Clases y Subclases
Clasificación de las Enzimas
• 3. Hidrolasas
o Esterasas: Colesterol esterasa
o Peptidasas: Aminopeptidasa
o Fosfolipasas: Fosfolipasa C
o Fosfatasas: Fosfoprotein fosfatasa
• 4. Liasas
o Descarboxilasas: Piruvato Descarboxilasa
o Deshidratasas: Fumarasa
o Sintasas: Glucógeno Sintasa
Clases y Subclases
Clasificación de las Enzimas
• 5. Isomerasas
o Racemasas: α-Metilacil-CoA Racemasa
o Mutasas: 2-fosfoglicerato mutasa
o Epimerasas: Ribosa 5-Fosfato epimerasa
• 6. Ligasas
o Carboxilasas: Piruvato Carboxilasa
o Sintetasas: Acil CoA sintetasa
Clases y Subclases
MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS
Mecanismo de Acción
Sitio Activo
Microambiente especial“bolsa”
Aminoácidos con grupos R específicos
Complementario al estado de transición
Un Sustrato se une al sitio activo
Mecanismo de Acción
Curso de una Reacción Química
Estado Basal: contribución deuna molécula a la energía delsistema.
ΔG´°: indica la dirección de lareacción. Favorables si es (-)
Estado de Transición: estadointermedio entre los estadosbasales. Posee más energía
Energía de activación ΔG+:energía usada para ir del estadobasal al de transición.
S P
Que una reacción sea favorableno quiere decir que sea rápida
Barrera energética “colina”•Alineamiento de grupos•Formación de cargas•Reordenamiento de enlaces•Otras transformaciones
Mecanismo de Acción
Curso de una Reacción Catalizada
E +S ES EP P +E
Una enzima aumenta la velocidadde la reacción al disminuir laenergía de activación.
Durante una reacción puedenformarse intermediarios dereacción
La enzima induce al sustrato aformar intermediarios de reacciónde menor energía que el estado detransición.
Mecanismo de Acción
1. Reordenamiento de los enlaces covalentes
2. Energía de Fijación ΔGB– Puentes de Hidrógeno
– Enlaces iónicos
– Efecto Hidrofóbico
– Interacciones de van der Waals
Disminución de la Energía de Activación
Mecanismo de Acción
Interacción Enzima Sustrato
Las enzimas son complementariasal Estado de Transición y NO alsustrato.
Modelo del Encaje InducidoDistorsión del sustrato y la enzima
Mecanismo de Acción
1. Especificidad
2. Estimulante hacia el estado de transición en el cual hay:
• Reducción de la entropía de movimiento de las moléculas en solución
• Desolvatación
• Distorsión electrónica del sustrato
• Cambio en la conformación del enzima
Usos de la Energía de Fijación
Mecanismo de Acción
Grupos Catalíticos Específicos
Grupos funcionales de las enzimas que interaccionan covalentemente o por transferencia y contribuyen a
la catálisis.
Mecanismo de Acción
1. Catálisis ácido-básica
Grupos Catalíticos Específicos
La transferencia de protonesdesde o hacia intermediarioscargados los estabiliza.
Catálisis ácido-base específica•Uso de los componentes delagua
Catálisis ácido-base general•Uso de ácidos o bases débiles oaminoácidos. Ej: Ribonucleasa
Mecanismo de Acción
2. Catálisis Covalente
3. Catálisis por iones metálicos
Grupos Catalíticos Específicos
La formación de un enlace covalente Enzima-Sustrato genera una ruta alterna.
Los iones metálicos ayudan a orientar al sustrato o reacciones REDOX. Ej: Enolasa
Mecanismo de Acción
Mecanismo de Acción de la Quimotripsina
Grupos Catalíticos Específicos
La Quimotripsina es un ejemplo de catálisis covalente (inter. Acil-enzima) y ácido-
base general.
Realiza además estabilización del estado de
transición (efecto de proximidad)
Estructura: 3 cadenas unidas por enlaces disulfuroSitio activo: aa apolares y residuos His57, Ser195, Asp102 y Gly193
Mecanismo de Acción
Función del Mg ++ en la actividad de las quinasas
Todas las quinasas necesitan un ion
metálico divalente como el Mg2+ o el Mn2+ para
transferir el grupo fosfato.
La formación de los complejos con Mg++
apantalla parcialmente las cargas negativas e
influye sobre la conformación de los
grupos fosfato.
Mecanismo de Acción
Lisozima
La lisozima rompe el enlace glicosídico entre el MurNAc y la GlcNAc
del peptidoglucano
La lisozima solo se une a los sitios B, D y F.
Rompe el enlace entre los sitios D y E gracias a la acción de los residuos
Glu35 y Asp52
Realiza catálisis covalente y ácido base
general. Posee un mecanismo de tensión
sobre el sustrato
B
A
C
F
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Cinética Enzimática
Determina y estudia la velocidad de una reacción
y el modo en que esta se modifica
a consecuencia de la variación en
los valores de ciertos parámetros experimentales
Cinética Enzimática
1. Velocidad de Reacción
Cantidad de reactivo (sustrato) que ha reaccionado
por unidad de tiempo
Esta determinada por [S] y k (Constante de velocidad)
2. Reacción de Primer Orden
V= k[S]
2. Reacción de Segundo Orden
V= k[S1][S2]
Velocidad de Reacción y Tipos de Reacción
Cinética Enzimática
Efecto de la Concentración del EnzimaV
elo
cid
ad d
e r
eacció
n (
M/m
in)
Concentración de enzima (mM)
A mayor[E] mayor velocidad
Cinética Enzimática
Efecto del pH
Las enzimas tienen una mayor velocidad a un pH determinado
Cinética Enzimática
Efecto de la Temperatura
Un aumento en la temperatura eleva la
actividad de la enzima, hasta cierto punto
en el cual comienza a desnaturalizarse.
Cinética Enzimática
Efecto de la Concentración del Sustrato
Velocidad inicial V0
Velocidad cuando la [S] es mucho mayor a la [E]
Velocidad Máxima Vmax
Velocidad en la cual todas las moléculas de enzima están ocupadas o saturadas con
sustrato.
Cinética Enzimática
Expresión Cuantitativa de la Relación [S]-V0
↑
Paso limitante de la velocidad
En el inicio
V0 depende del paso limitante de velocidad
?
Cinética Enzimática
Expresión Cuantitativa de la Relación [S]-V0
Se tiene entonces
[Et] = [E] + [ES] [E]= [Et] – [ES]
En base a [ES] en el estado estacionario
Despejando [ES]
Km
Cinética Enzimática
Expresión Cuantitativa de la Relación [S]-V0
Sustituyendo
Considerando
A Vmax [ES] = [Et] V0= k2[ES] Vmax= k2[Et]
Sustituyendo se obtiene
Ecuación de
Michaelis-Menten
Cinética Enzimática
Expresión Cuantitativa de la Relación [S]-V0
Cuando V0 = Vmax/2
Km = [S] cuando V0 = Vmax/2
Km es igual a la concentración de sustrato cuando se ha
alcanzado la mitad de la Vmax
Cinética Enzimática
1. Km
“Km es una medida de la concentración de sustrato para una catálisis eficaz”
2. Kcat (Número de recambio)• Equivale a la k del paso limitante
• Número de moléculas de sustrato recambiadas producto por molécula de enzima saturada en un segundo
3. Kcat/Km (Constante catalítica)
Significado de Km, Kcat y Kcat/Km
↑ Km = Baja afinidad↓ Km = Alta afinidad
Solo si k2 << k-1
↑ Kcat = Recambio alto↓ Kcat = Recambio bajo
↑ Kcat/Km = Alta eficiencia↓ Kcat/Km = Baja eficiencia Valor límite: 108 – 109 (mol/L)-1S-1
Cinética Enzimática
Gráfico de Lineweaver-Burk
Entre más se acerquen los puntos de corte de
los ejes a 0, Vmax será mayor
Km será mayor
Permite representar el valor de Vmax, debido a que representa
el S en concentraciones infinitas
1/Vmax alto = Vmax bajo-1/Km muy negativo = Km bajo
Cinética Enzimática
1. Mecanismo Secuencial
• Secuencial al Azar
• Secuencial ordenado
Reacciones con Múltiples Sustratos
Ej: Hexoquinasa
Creatina quinasa
Ej: Oxidaciones por NAD+
Los sustratos pueden unirse en cualquier orden
Primero debe unirse un sustrato y luego el siguiente
Cinética Enzimática
2. Mecanismo de Doble Desplazamiento (Ping Pong)
Reacciones con Multiples Sustratos
Ej: Aminotransferasas
Primero se une un sustrato y se libera un producto para que pueda
unirse el segundo sustrato
INHIBICIÓN ENZIMÁTICA
Inhibición Enzimática
Los Inhibidores son agentes moleculares que
interfieren en la catálisis haciendo más lentas o
deteniendo las reacciones
Inhibición Enzimática
Inhibición
Irreversible Reversible
CompetitivaNo
CompetitivaAcompetitiva
Clasificación de la Inhibición
Inhibición Enzimática
Se unen covalentemente o destruyen un grupo del enzima
que es esencial para su funcionamiento
• Diisopropilfluorofosfato: Acetilcolinesterasa, Quimotripsina
Inhibición Irreversible
Inhibición Enzimática
Análogos del Estado de Transición (Inhibidores suicidas)
Debido a la reacción enzimática se convierte en un compuesto muy reactivo
• Alopurinol: Xantino oxidasa
Inhibición Irreversible
Inhibición Enzimática
Inhibición IrreversibleNombre Origen Modo de acción
Cianuro Almendras amargas Reacciona con iones metálicos de enzimas (Fe, Zn, Cu), inhibe la citocromo oxidasa (complejo IV)
Diisopropilfluorofosfato (DFP) Sintético Inhibe enzimas con serina en el lugar activo, somo la acetilcolinesterasa
Sarín Sintético (gas nervioso) Como el DFP
Fisostigmina Semillas de Physostigmina venosum Como el DFP
Paratión Sintético (insecticida) Como el DFP, pero especialmente inhibidor de la acetilcolinesterasa de insectos
N-Tosil-1fenilalaninaclorometilcetona (TPCK)
Sintético Reacciona con la His 57 de la quimotripsina
Penicilina Del hongo Penicillium notatum Inhibe la transpeptidasa (Glicopeptidil transferasa) de la pared celular bacteriana
Antiinflamatorios no esteroideso(AINES)
Sintéticos y semisintéticos Inhiben la Ciclooxigenasa con afinidad variable.
Inhibidores de la proteasa Síntéticos Inhibe la proteasa del HIV
Nombre (Suicidas) Origen Modo de acción
Alopurinol Sintético Inhibe la xantino oxidasa
N,N-dimetilpropargilamina Sintético Inhibe la monoaminaoxidasa
Ácido clavulánico, Sulbactam, Tazobactam
Sintético Inhibe las β-lactamasas
Inhibición Enzimática
1. Inhibición Competitiva
El inhibidor se une al mismo sitio que el sustrato
Inhibición Reversible
Suministrando más sustrato puede superarse la inhibición
Inhibición Enzimática
1. Inhibición Competitiva
Inhibición Reversible
Lovastatina: HMG – CoA reductasa Metanol: Alcohol Deshidrogenasa
Metotrexato: Dihidrofolato reductasa Malonato: Succinato Deshidrogenasa
Cuando la enzima este saturada con sustrato, no habrá inhibidor.
Vmax =
Km: ↑
Vmax: =
Se requiere mayor [S] para alcanzar Vmax/2
Km ↑
Inhibición Enzimática
2. Inhibición No Competitiva
El inhibidor se une a un sitio distinto al del sustrato. Se une tanto a E como ES
Inhibición Reversible
No puede superarse la inhibición suministrando más sustrato
Inhibición Enzimática
2. Inhibición No Competitiva
Inhibición Reversible
Km: =
Vmax: ↓
La unión del inhibidor altera el Kcat de la enzima.
Disminuye la [E] funcional
Vmax ↓
La unión del sustrato no es afectada por el inhibidor. Se requiere la
misma [S] para alcanzar la Vmax/2
Km =
Desoxiciclina: Colagenasa Plomo: Enzimas con grupos SH
Inhibición Enzimática
3. Inhibición Acompetitiva
El inhibidor se une a un sitio distinto al del sustrato. Se une solo al ES
Inhibición Reversible
No puede superarse la inhibición suministrando más sustrato
Inhibición Enzimática
3. Inhibición Acompetitiva
Inhibición Reversible
Km: ↓
Vmax: ↓
VmaxI
Vmax
KmKmI
La unión del inhibidor altera el Kcat de la enzima.
Disminuye la [E] funcional
Vmax ↓
El inhibidor induce la formación de mas ES para
poder formar ESI
Km ↓
Herbicida glicofosfato: enzima de la vía de síntesis de aa aromáticos
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Regulación Enzimática
Control a Nivel de Sustrato
Glucosa Hexoquinasa Glucosa 6-FosfatoATP ADP
Control por Retroalimentación Negativa
A B C D E
Regulación Enzimática
Control por Retroalimentación Negativa
Síntesis de Iso a partir de Tre en bacteriasLas altas concentraciones de Iso inhiben a
la Treonina deshidratasa
Síntesis de AMP y GMPLas altas concentraciones de AMP y/o
GMP inhiben a la PRPP sintetasa
Regulación Enzimática
Homoalosterismo
Modificación del sitio activo Liberación de subunidades catalíticas
Heteroalosterismo
Alosterismo
El sustrato actúa como Modulador.
El modulador es diferente
al Sustrato
Regulación Enzimática
Alosterismo
Efecto de la unión de un Modulador
Regulación Enzimática
Modificación Covalente
La unión covalente de una molécula a la enzima modifica su
actividad; activándola o inactivándola
Regulación Enzimática
Modificación Covalente
2 ATP
2 ADP
Glucagon (H)
Adrenalina (M)
↑[cAMP]
2 H2O
2 Pi
Insulina
Glucógeno Fosforilasa b
(menos activa)
- OH HO -
Glucógeno Fosforilasa a
(más activa)
- Pi Pi -
Fosfoprotein
Fosfatasa 1
(PP1)
Fosforilasa b
quinasa
Regulación Enzimática
• Modulación por Fosforilación
Modulación Covalente
En general las enzimas activas fosforiladas actúan en el Post-absortivo y Ayunoy las activas desfosforiladas actúan en el Absortivo
Activas Fosforiladas Activas Desfosforiladas
Fructosa 2,6-bifosfatasa Piruvato Quinasa L
Fosforilasa Quinasa Piruvato Deshidrogenasa
Glucógeno Fosforilasa Fosfofructoquinasa 2
Triacilglicérido Lipasa Glucógeno Sintasa
LLP de Tejido Adiposo
HMG-CoA Reductasa quinasa HMG-CoA-Reductasa
Acetil-CoA Carboxilasa
Regulación Enzimática
Regulación de la Síntesis
Inducidas Por Insulina Inducidas Por Cortisol
Glucoquinasa Proteasas
Piruvato Quinasa Arginasa
Ácido Graso SintasaArgininosuccinasa
Argininosuccinato Sintetasa
Acetil-CoA CarboxilasaGlucosa 6-fosfatasa
PEP Carboxiquinasa
En general las enzimas inducidas por Insulina actúan en el Absortivoy las inducidas por el Cortisol actúan en el Post-Absortivo y Ayuno
Regulación Enzimática
Zimógenos
Zimógeno Enzima Activa + Peptido(s) reguladores
Regulación Enzimática
Isoenzimas
oCatalizan la misma reacción en diferentes tejidos
oDiferentes secuencias de aminoácidos
o Diferentes cadenas
o Diferentes Km
Hexoquinasa I
Hexoquinasa II Km= 0,04 – 0,17 mM
Hexoquinasa III
Hexoquinasa IV (Glucoquinasa) Km= 10 mM
Regulación Enzimática
Isoenzimas
Lactado deshidrogenasa (LDH)• Posee 4 subunidades (H y
M)• Su aumento en sangre es
indicativo de necrosis• Existe 5 isoformas, cuya
distribución varía según eltejido necrosado.
Creatinfosfato quinasa (CPK)• Posee 2 subunidades (M y B)• Su aumento en sangre es
indicativo de necrosismuscular o cerebral.
• En el infarto de miocardioaumenta la proporción de laisoforma CPK-MB
• Alemán, I (2010). Enzimas Presentación en Power Point. Cátedra deBioquímica, Escuela de Medicina José María Vargas – UCV
• Castillo, F y Roldán, M (2005). Biotecnología Ambiental, Editorial TébarFlores; Madrid, España
• Mathews, C; van Holde, K y Ahern, K (2003). Bioquímica, 3a Edición, PearsonEducación; Madrid, España
• Nelson, D y Cox, M (2009). Lehninger Principios de Bioquímica, 5a Edición,Ediciones Omega; Barcelona, España; pp 71 – 117
• Stryer, L; Berg, J; Tymocko, Tom (2007). Bioquímica, 6a edición, EditorialReverté, España
Bibliografía
“Nunca me he encontrado con un enzima aburrido”
Arthur Kornberg, 1975
“El primer paso de la ignorancia es presumir de saber
y mucho sabrían si no pensaran que saben”
Baltasar Gracian
Gracias