19 Enzimas

En el sitio activo se forma un complejo ES (enzima sustrato) que posteriormente se convierte en un complejo EP (enzima-producto) y finalmente se disocia en la E (enzima) y el P (producto).

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¿Qué hace el catalizador?

Acelera la reacción. Reduce la energía de activación, sin sufrir ningún cambio permanente.

Especificidad

Altamente específicas. Interaccionan con uno o unos cuantos substratos y sólo catalizan un tipo de reacción química. El conjunto de enzimas elaborado por una célula particular determina en que vía metabólica está involucrada.

Formación del complejo enzima-sustrato

Aproximan el sustrato con una orientación favorable que promueven la formación del estado de transición: Complejo enzima-sustrato (ES). El sustrato se enlaza en el sitio activo de la enzima. El sitio activo es una hendidura tridimensional formada por grupos que provienen de diferentes partes de la secuencia de aminoácidos. La especificidad catalítica depende en parte a la especificidad de unión ES

Energía libre de activación ∆G≠

Cantidad de energía que se requiere para convertir un mol de moléculas de sustrato (reactante) desde el estado basal (la forma estable de baja energía de la molécula) al estado de transición "T".

Hidrolasas

Catalizan la reacciones donde se prode la rotura de enlaces por la adición de agua. Ejemplos: estereasas, fosfatasas y pepetidasas.

Ligasas

Catalizan la reacción de un enlace entre dos moléculas de sustrato. Se requiere hidrólisis de ATP.

Liasas

Catalizan las reacciones en las que se eliminan grupos (H2O, NH3, CO2)

Transferasas

Catalizan reacciones en las que hay transferencia de un grupo de una molécula a otra. Ejemplo: trasnaminasas y transmetilasas.

Isomerasas

Catalizan reordenamientos intramoleculares ejemplo: epimerasas y mutasas.

Inhibidores No competitivos

Ciertos insecticidas cuyo efecto neurotóxico es el resultado de su unión irreversible al sitio catalítico de la enzima. Ejemplo: insecticidas que actúan como inhibidores de la acetylcholinesterasa (enzima que degrada al neurotransmisor acetilcolina).

Cuando el cofactor es una molécula orgánica pequeña, se le llama____

Coenzima

Cosustrato

Coenzima se asocia en forma transitoria con la enzima (ejemplo: NAD+ y NADP+).

Grupo prostético

Coenzima se asocia permanentemente a la enzima (ejemplo: FAD).

Algunas enzimas requieren de otras moléculas no protéicas para llevar a cabo su actividad enzimática a estos componentes se les llama _______.

Cofactores Ej. iones metálicos → Zn2+, Fe2+ Cu2+

pH

Concentración de H+, afecta la velocidad de la reacción. Usualmente se requiere que la enzima y el sustrato tengan grupos químicos específicos en estado ionizado o no ionizado para interactuar. pH extremos pueden desnaturalizar las enzimas. El pH óptimo varía en las diferentes enzimas.

Factores que afectan la velocidad de una reacción

Concentración del sustrato Temperatura pH

Sitio activo

Constituido por cadenas laterales de aminoácidos que forman una superficie tridimencional ("hendidura") donde se unen los substratos. Complementariedad entre enzima y sustrato depende de fuerzas no covalentes: grupos hidrófobos, puentes de hidrógeno, interacciones electrostáitcas, etc. Participa en el proceso catalítico, ya que restringe los movimientos y las conformaciones del sustrato orientándolo en forma óptima para que se lleve a cabo la reacción. Provee grupos catalíticos que aumentan la probabilidad de que se alcance el estado de transición lo que reduce la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción hasta el producto.

Orden de la reacción

Cuando [S] es mucho mayor que la Km la velocidad es constante e igual a Vmax, entonces, la velocidad de la reacción es independiente de la concentración del sustrato y se dice que la velocidad de la reacción es de orden cero con respecto a la concentración del sustrato

IC

Efecto sobre Vmax. A una concentración de sustrato suficientemente alta, se alcanza la Vmax observada en auscencia del inhibidor. Efecto sobre la Km. La Km se incrementa en prescencia del inhibidor.

InoC

Efecto sobre Vmax: la inhibición no puede superarse por un incremento en la concentración del sustrato, por lo que estos inhibidores disminuyen la Vmax de la reacción. Efecto sobre Km: no afectan la unión del sustrato a la enzima, por lo que la enzima muestra la misma Km similar en presencia o ausencia del inhibidor.

Efectores heterotrópicos

Efector heterotrópico: el efector es diferente del sustrato de la reacción. Los efectores heterotrópicos pueden ser negativos o positivos. Ejemplo: Inhibición por Feed- back.

Ejemplo: Glucólisis

Efector negativo. La fosfofructoquinasa-1 (FPK-1) tiene un sitio alostérico para ATP. En grandes concentraciones de ATP, la enzima se inhibe alostéricamente. Efector positivo: FPK-1 es alostéricamente activada por fructosa 2,6 bifosfato, siempre que aumente la concentración de AMP (condiciones de demanda energética).

Inhibidores enzimáticos utilizados como drogas

Ejemplo: penicilina y amoxicilina. Inhiben a las enzimas involucradas en la síntesis de la pared celular de las bacterias

Ej. efecto de pH

Ejemplo: se puede requerir que el grupo amino de la enzima este protonado (-NH3+), y a pH alcalino este grupo es desprotonado, por lo que se requiere un pH básico.

Inhibición acompetitiva

El I se une al complejo ES EIS solamente, no a la enzima libre Esta inhibición es rara, decrecen los valores de Vmax y Km El aumento de la [S] acelera la rxn pero nunca como sin inhibidor La rxn puede retrasarse pero no impedirse Se presenta cuando hay mas de un sustrato en la reacción.

Cinética enzimática

El estudio cuantitativo de la catálisis enzimática (proporciona información sobre las velocidad de la reacción, afinidad de las enzimas por los sustratos y efectos de los inhibidores)

Inhibición No competitiva

El inhibidor y el sustrato se unen a sitios diferentes sobre la enzima. El inhibidor puede unirse sobre la enzima libre o bien en el complejo ES, evitando que la reacción ocurra. Tiene un efecto característico sobre la Vmax.

Efectores homotrópicos

El mismo sustrato funciona como efector (por ej. la unión de un sustrato influye sobre la unión de otra molécula sustrato), generalmente son efectores positivos. Al unirse a un sitio de la enzima, la molécula sustrato aumenta las propiedades catalíticas de otros sitios de unión a otros sutratos, esto es, presentan cooperatividad. Estas enzimas muestran una curva sigmoidea cuando la velocidad de reacción (Vo) se grafica contra la concentración de sustrato [S]

Modelo de llave y cerrojo:

El sitio activo es complementario en forma al del sustrato.

Interacciones ES

El sustrato forma múltiples interacciones no covalentes con los residuos del sitio activo de la enzima. Son interacciones reversibles. Puentes de hidrógeno, Fuerzas de van der Waals Interacciones hidrofóbicas

Papel del sitio activo en la catálisis

En las reacciones catalizadas por enzimas al disminuir la energía de activación se incrementa la velocidad de la reacción. Las enzimas no alteran el equilibrio de la reacción, sólo aumentan la velocidad hacia el equilibrio, el cual se alcanza en segundos o minutos

Energía libre de activación

En todos las reacciones hay una barrera energética entre los reactantes y los productos. Durante la conversión de una molécula A, a un producto B, hay cambios de energía, pasando por un estado de transición "T" : A ⇌ T* ⇌ B La energía libre de activación, es la diferencia entre la energía del reactante y "T".

Holoenzima

Enzima activa con su componente no proteico.

Apoenzima

Enzima inactiva sin el cofactor.

Efectos alostéricos

Enzimas eguladas por moléculas llamadas efectores, que se les unen NO covalentemente en un sitio diferente a su sitio activo. El efector alostético puede alterar la afinidad de la enzima por su substrato o afectar la máxima actividad catalítica de la enzima. Generalmente catalizan pasos iniciales limitantes de las vías metabólicas

Oxidorreductasa

Enzimas que catalizan oxidorreducciones entre dos sustratos, S y S.

Isoenzimas (o isoformas)

Enzimas que difieren en su secuencia de aminoácidos, pero que poseen la misma actividad catalítica, es decir catalizan la misma reacción. Representan enzimas de diferentes genes cuyos productos catalizan la misma reacción. Generalmente tienen diferentes parámetros cinéticos (diferentes valores de KM) o diferentes propiedades reguladoras.

Enzimas alostéricas

Enzimas que son reguladas por moléculas llamadas efectores que se unen covalentemente a un sitio diferente del sitio activo. Generalmente están formadas de varias subunidades. Frecuentemente estas enzimas funcionan como reguladoras porque cataliza el paso limitante de una vía metabólica.

Catálisis

Es la aceleración o el incremento en la velocidad de una reacción química por medio de un catalizador.

Km

Es la concentración de sustrato a la cual, la velocidad de la reacción es igual a ½ de la Vmax.

Fosforilación y desfosforilación

Es la principal modificación covalente. La adición o remoción de grupos fosfatos de la enzima se produce en los residuos de serina, tronina o tirosina. Dependiendo de la enzima, la forma fosforilada puede ser menos o más activa. Fosforilación→proteincinasas Desfosforilación→ fosfatasas

Tipo de ecuación Lineweaver-Burk

GENERA UNA LÍNEA RECTA Esta línea se puede usar para calcular Km y Vmax y para determinar el mecanismo de acción de los inhibidores enzimáticos.

Regulación alostérica. Efectores pueden ser ______ o _______.

Homotrípicos, heterotrópicos

Inhibidor competitivo vs. no competitivo

IC: Velocidad de reacción NO cambia, Km aumenta. InoC: Velocidad de reacción disminuye, Km no varía.

La inhibición reversible se subdivide en:

Inhibición competitiva Inhibición no-competitiva Acompetitiva

Regulación enzimática

La actividad enzimática puede regularse, activándose o inhibiéndose de acuerdo a las necesidades de la célula. Los principales mecanismos de regulación son: 1 Control genético (síntesis de la enzima) 2 Modificación covalente 3 Efectos alostéricos 4 Compartimentalización

Modelo del ajuste inducido (induced fit):

La enzima cambia de forma cuando el sustrato se une a ésta, el sitio activo es complementario al sustrato sólo después de que el sustrato se une.

Modelo de reacción global enzimática

La enzima se combina reversiblemente con el substrato formando un complejo ES, posteriormente se libera un producto y la enzima. La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas se rigen bajo este modelo . La medida de la velocidad de la reacción catalizada por una enzima es bajo las condiciones óptimas de la enzima (pH, temperatura, cofactores, etc).

Compartimentalización

La mayoría de las enzimas están localizadas en organelos específicos, esta compartimentalización sirve para aislarlas de otras reacciones y tener un ambiente favorable para la reacción.

Control genético

La regulación de la cantidad de enzima se efectúa alterando la velocidad de su síntesis. Puede presentarse una inducción o una represión de la síntesis de la enzima, pero su eficiencia no se modifica. Principalmente son enzimas que se requieren en una etapa del desarrollo o bajo condiciones fisiológicas específicas (ejemplo: niveles altos de insulina en sangre como consecuencia de niveles muy altos de glucosa en sangre). Su efecto es lento, comparado con el efecto de los otros tipos de regulación.

Concentración del sustrato

La velocidad (Vo) de una reacción es el número de moléculas de substrato convertidas en producto por unidad de tiempo (µmol/minuto). La velocidad se incrementa con la concentración del substrato hasta alcanzar una máxima velocidad (Vmax). La velocidad de la reacción se detiene a altas concentraciones de substrato y es el reflejo de la saturación de todos los sitios activos de las moléculas de enzima presentes en ese momento.

Temperatura

La velocidad de la reacción se incrementa con la temperatura, hasta que se alcanza la máxima velocidad, aunque a mayor aumento suele degradarse. Este incremento se debe al aumento de el número de moléculas que tienen suficiente energía para pasar la barrera energética para formar los productos de la reacción.

Regulación alostérica

Las enzimas alostéricas pueden ser inhibidas o estimuladas por sus efectores o moduladores, es decir, los efectores pueden ser positivos (aceleran la reacción), o negativos (disminuyen la reacción).

Nombre sistemático:

Las enzimas se dividen en 6 clases principales. se especifica el nombre del sustrato seguido de la reacción catalizada y el subfijo asa. Ejemplo: D-glyceraldehído 3-fosfato NAD+ oxidorreductasa

Efecto de las enzimas sobre la energía de activación.

Las enzimas son catalizadores que permiten que las reacciones se realicen más rápidamente ya que disminuyen la energía de activación requerida para la reacción. En ausencia de la enzima, sólo una pequeña proporción de las moléculas reactantes posen suficiente energía para alcanzar al estado "T". La combinación del sustrato y enzima genera un nuevo camino de la reacción donde la energía libre del estado de transición es menor que aquél en la ausencia de la enzima.

Enzimas

Las enzimas son moléculas catalíticas (proteínas) que incrementan la velocidad de reacciones químicas que son energéticamente posibles. No son consumidas durante la reacción. Virtualmente todas las reacciones del organismo son mediadas por enzimas.

Fármacos con inhibición competitiva

Las estatinas (fármacos que disminuyen el colesterol) son drogas que inhiben un paso limitante en la síntesis de colesterol, que es catalizado por la HMG-CoA reductasa. Ej: lovastatin (una estatina), es un análogo de la HMG-CoA y compite por el sitio activo de la HMG-CoA reductasa. -Bajan los niveles plasmáticos de colesterol ya que se inhibe su síntesis de novo. HMG-CoA →hidroximetilglutaril CoA reductasa.

Eficiencia catalítica

Las reacciones catalizadas por las enzimas son altamente eficientes, ya que son de 103-108 más eficientes que las mismas reacciones no catalizadas. Cada enzima es capaz de transformar de 100-1,000 sustratos a producto por segundo.

Inhibidores enzimáticos

Los inhibidores son esenciales en la regulación del metabolismo Algunas drogas y toxinas actúan como inhibidores y bloquean rutas metabólicas esenciales para las células

Tamaño de las enzimas

Los sitios activos ocupan un tamaño relativamente pequeño comparado con el volumen de la enzima. El resto de los aa: No está en contacto con el sustrato. Los residuos de aminoácidos extra sirven como una armazón para acomodar al sitio activo (la mayoría) También incluyen sitios de regulación, sitios de interacción con otras proteínas, o canales que aproximan los sustratos a los sitios activos.

Vmax

Mide la velocidad máxima de la reacción.

Kcat

Número de recambio que es el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por una molécula de enzima en una unidad de tiempo cuando la enzima esta saturada con el sustrato.

Si conocemos el valor de Km y Vmax...

Podemos calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de substrato.

Una Km grande refleja una baja afinidad de la enzima

Por el substrato porque se requiere una alta concentración de substrato para saturar la enzima a la mitad.

Una Km pequeño refleja una alta afinidad de la enzima

Por el substrato, porque se requiere una baja concentración de substrato para saturar la enzima a la mitad, esto es para que alcance la velocidad ½ Vmax.

Efector alostérico

Puede alterar la afinidad de la enzima con su sustrato o/y modificar la actividad catalítica máxima de la enzima.

Inhibición irreversible

Se disocia muy lentamente de su enzima diana porque está estrechamente unido a la enzima mediante enlaces covalente o no covalentes (toxinas, drogas, etc.) Caracterizada por una disociación rápida del complejo enzima-inhibidor (E-I). Típicamente, los inhibidores forman enlaces no covalentes

Curva hiperbólica

Se obtiene al graficar la velocidad inicial (Vo) de reacción contra la concentración de substrato.

Inhibición competitiva

Se presenta cuando el inhibidor se une irreversiblemente a la enzima en el mismo sitio que el sustrato normalmente ocuparía, por lo que compite con el substrato por este sitio.

Ecuación de Lineweaver-Burk

Se utiliza para una detminación más exacta de Km y Vmax. Se transforman los datos, la ec de Michaelis-Menten (una hipérbola), se reordena. Cuando se grafica el inverso de Vo= 1/Vo contra el inverso de [S]= 1/ [S], se obtiene una linea recta llamada grafico de Lineweaver-Burk.

Lugar en donde se lleva a cabo la catálisis

Sitio activo

Propiedades de las enzimas

Sitio activo Alta especificidad Alta eficiencia catalítica Sistema de regulación Localización específica dentro de la célula (compartamentalización)

Nombre recomendado (es el más común):

Tienen el subfijo "asa" ligado al substrato de la reacción. Ejemplo: glucosidasa y ureasa.

Modificación covalente

Una de las principales formas mediante las cuales se regulan los procesos celulares. Cambios en las enzimas por diversas modificaciones covalentes: Fosforilación y desfosforilación Metilación Acetilación Nucleotidilación (adición de nucleótido)

Modificación covalente (proteólisis)

Varias enzimas se almacenan como precursores inactivos, denominados proenzimas o zimógenos. Esto se vuelven activos con la rotura irreversible de los elaces peptídicos

Efecto de la concentración de la enzima sobre la velocidad de reacción

Velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de la enzima a cualquier concentración de substrato. Si la concentración de la enzima se reduce a la mitad, la velocidad inicial de reacción (Vo), al igual que la velocidad máxima (Vmax) se reducen a la mitad.

Modelo de Michaelis- Menten

Válido solo cuando la concentración de la enzima es mucho menor que la concentración del sustrato (es decir, la enzima es un factor limitante) y cuando la enzima no es alostérica. Las enzimas alostéricas no siguen la cinética de Michaelis-Menten ya que muestran una curva sigmoidea.

Grupos no protéicos

cofactores

"La afinidad de la enzima por el sustrato conlleva a un _____en su energía y por consiguiente a una ______ de la energía de activación de la reacción y a un ____ en la velocidad de la reacción".

decremento, reducción, aumento

Km refleja la afinidad de la ____ por el ____.

enzima, substrato