1 Características generales

• Los enzimas son proteínas que catalizan reacciones

1. Características generales

p qquímicas en los seres vivos.

• Los enzimas son catalizadores, es decir, sustanciasque, sin consumirse en una reacción, aumentanque, sin consumirse en una reacción, aumentannotablemente su velocidad.

• No hacen factibles las reacciones imposibles, sinoque solamente aceleran las que espontáneamenteque solamente aceleran las que espontáneamentepodrían producirse.

• Ello hace posible que en condiciones fisiológicast l i i t li dtengan lugar reacciones que sin catalizadorrequerirían condiciones extremas de presión,temperatura o pH.

2. Características de la enzimaCa acte st cas de a e a

• Proteínas altamente especializadas comopcatalizadores.

• Macromoléculas.• Son muy específicas respecto a sus sustratos• Son muy específicas respecto a sus sustratos.• Funcionan en solución acuosa en condiciones

limitadas de temperatura y pH.• Su actividad depende de la integridad de su

conformación.• Hay enzimas que requieren de un grupo químicoHay enzimas que requieren de un grupo químico

adicional llamado cofactor o coenzima.

Cofactores y Coenzimas

• Son sustancias no proteicas, requeridos a veces pori f ió t l b

Co acto es y Coe as

una enzima para su función, puesto que colaboranen la catálisis.

• Los cofactores pueden ser iones inorgánicos comol F ++ M ++ M ++ Z ++ t C i t i d lel Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un tercio de los

enzimas conocidas requieren cofactores.• Cuando se trata de una molécula orgánica se llama

coenzima Muchos de estas coenzimas se sintetizancoenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizana partir de vitaminas.

• Cuando los cofactores y las coenzimas seencuentran unidos covalentemente a la enzima seencuentran unidos covalentemente a la enzima, sellaman grupos prostéticos.

cofactor

PROTEÍNA

coenzima

apoenzima o apoproteína grupo prostético

HOLOENZIMAO

PROTEINA CONJUGADAPROTEINA CONJUGADA

Molécula de hemoglobina (proteína que transportag (p q poxígeno) y su coenzima (el grupo hemo).

3. Nomenclatura de las enzimas3 o e c atu a de as e as

Hay varias formas mediante las cuales se asigna unHay varias formas mediante las cuales se asigna unnombre a un enzima:

• nombres particularesEstos eran asignados por su descubridor. Al ir

t d l ú d i idaumentando el número de enzimas conocidos, sehizo necesaria una nomenclatura sistemática queinformara sobre la acción específica de cada enzimapy los sustratos sobre los que actuaba.

• nombre sistemáticoEl nombre sistemático de un enzima constaactualmente de 3 partes:

1.- el sustrato preferente2.- el tipo de reacción realizado3.- terminación "asa"

U j l í l l f fUn ejemplo sería la glucosa fosfatoisomerasa que cataliza la isomerización de laglucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfatoglucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.

• código de la comisión enzimática (enzymeg ( ycomission)El nombre de cada enzima puede ser identificado

ódi é i b d l l tpor un código numérico, encabezado por las letrasEC (enzyme commission), seguidas de cuatronúmeros separados por puntos. El primer númeroindica a cual de las seis clases pertenece la enzima,el segundo se refiere a distintas subclases dentro decada grupo el tercero y el cuarto se refieren a loscada grupo, el tercero y el cuarto se refieren a losgrupos químicos específicos que intervienen en lareacción.

4. Clasificación de las enzimas4. Clasificación de las enzimas

CLASIFICACION INTERNACIONAL DE LAS ENZIMAS

OXIDORREDUCTASAS TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ( iones hidruro o átomos de hidrogeno( iones hidruro o átomos de hidrogeno

TRANSFERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS HIDROLASAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS

LIASASADICION DE GRUPOS A DOBLES ENLACES FORMACION DE DOBLES ENLACES

LIASAS FORMACION DE DOBLES ENLACES

ISOMERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS DENTRO DE UNA MOLECULA

LIGASAS FORMACION DE ENLACES ( C-C // C-S // C-O// C-N) MEDIANTE REACCIONES ACOPLADAS DE ATP

5. Sitio Activo5 S t o ct o

• La reacción catalizada enzimáticamente tiene lugard l i d i d iti tien una zona de la enzima denominada sitio activo y

la molécula que es fijada en el sitio activo y sobre lacual actúa la enzima se denomina sustrato

• El sitio activo comprende

(1) un sitio de unión formado por los aminoácidosque están en contacto directo con el sustratoq

(2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidosdirectamente implicados en el mecanismo de ladirectamente implicados en el mecanismo de lareacción

6. Mecanismo de acción enzimática

Para que una reacción química tenga lugar, las

6 eca s o de acc ó e át ca

q q g g ,moléculas de los reactantes deben chocar con unaenergía y una orientación adecuada.

La actuación de la enzima permite:• que los reactantes (sustratos) se unan a su sitio

activo con una orientación óptima para que lareacción se produzca y

• modifica las propiedades químicas del sustratop p qunido a su sitio activo, debilitando los enlacesexistentes y facilitando la formación de otrosnuevos.ue os

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustratoHay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al sitio activo de la enzima:

• el modelo llave-cerradura

Este supone que la estructura del sustrato y la delp q ysitio activo son complementarias, de la misma formaque una llave encaja en una cerradura. Este modeloes válido en muchos casos pero no es siemprees válido en muchos casos, pero no es siemprecorrecto.

• el modelo del ajuste inducidoEn algunos casos, el sitio activo adopta laconformación idónea sólo en presencia del sustrato.La unión del sustrato al sitio activo de la enzimadesencadena un cambio conformacional que dadesencadena un cambio conformacional que dalugar a la formación del producto.

7. Comportamiento cinético de las enzimasCo po ta e to c ét co de as e as

• En las reacciones espontáneas, los productosp , pfinales tienen menos energía libre de Gibbs (ΔG) quelos reactantes. Por tanto, en las reaccionesespontáneas se libera energía de Gibbs (ΔG<0)espontáneas se libera energía de Gibbs (ΔG<0).

• Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere unaporte inicial de energía. Esta energía inicial que hayque suministrar a los reactantes para que lareacción transcurra se llama energía de activación(Ea) Cuanto menor es la Ea más fácilmente(Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmentetranscurre la reacción.

• La acción de los catalizadores consiste,,precisamente, en disminuir la Ea. Los enzimas soncatalizadores especialmente eficaces, ya quedisminuyen la Ea aún más que los catalizadoresdisminuyen la Ea aún más que los catalizadoresinorgánicos.

• Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada(H2O2) para dar H2O y O2 puede ocurrir sincatalizador, con un catalizador inorgánico (platino),o con un enzima específica (catalasa) Laso con un enzima específica (catalasa). Lasrespectivas Ea para cada proceso son 18, 12 y 6Kcal/mol.

LOS GRUPOS Pueden interactuar de maneraLOS GRUPOS CATÁLITICOS DE

UNA ENZIMA( CADENAS LATERALES DE LOS

AMINOACIDOS, IONES, COENZIMAS)

Pueden interactuar de manera transitoria con un sustrato activándolo

Disminuyen la energía de activación de una reacción al proporcionar una ruta alternativa de menor energía

La energía requerida para disminuir la

g

La energía requerida para disminuir laenergía de activación provienegeneralmente de las interacciones débilesno covalentes entre sustrato y enzima

la formación del [ES] vienela formación del [ES] vieneacompañada de una pequeña liberación deenergía libre

ENERGÍA DE FIJACIÓN

Es la principal fuente de energía libre paradisminuir la energía de activación de lasreacciones

Ejemplo:Ejemplo:

8. Actividad enzimática8. Actividad enzimática

• La actividad de una enzima se determina midiendo lacantidad producto formado (o de sustratoconsumido) por unidad de tiempo.

• Una molécula de enzima no tiene por qué actuarsiempre a la misma velocidad. Su actividad puedeestar modulada por:estar modulada por:a) Concentración de enzimab) Concentración sustrato) T tc) Temperatura

d) pHe) Inhibidores

a) Concentración de enzimaa) Co ce t ac ó de e a

• La actividad enzimática es directamenteproporcional a la concentración de la enzima,cuando se mantienen los otros factores ambientalesconstantes (temperatura y pH)constantes (temperatura y pH).

b) Concentración de sustratob) Concentración de sustrato

• Uno de los factores clave que afectan a la velocidadqde una reacción catalizada por una enzima es lacantidad de sustrato presente, [S].

• La forma hiperbólica de esta curva se puedep pexpresar algebraicamente mediante la ecuación deMichaelis- Menten:

[ ]S*V [ ][ ]SKm

S*maxVoV

+=

• dondeVmax = Velocidad máximaVmax Velocidad máximaVo = Velocidad inicial[S] = Concentración del sustratoKm = Constante de Michaelis-MentenKm = Constante de Michaelis-Menten

• Esta ecuación se puede transformar a una formapmás útil de representar los datos experimentales, laecuación denominada ecuación de Lineweaver-Burk

[ ] maxV1

S1*

maxVKm

oV1

+=

• Para las enzimas que obedecen la relación deMichaelis-Menten la gráfica de 1/Vo frente a 1/[S] da

maxmaxo

una línea recta

Km UN PARÁMETRO CINÉTICO IMPORTANTE

• Para poder comparar una enzima con otra en cuanto

Km UN PARÁMETRO CINÉTICO IMPORTANTE

p pa su poder catalítico debe estandarizarse al estadoestacionarioEn el estado estacionario la velocidad de formación• En el estado estacionario la velocidad de formacióny desaparición del complejo ES se igualan.

↔[ES]→ k1

k-1

K2 S + E E+P• Se establece que Km = (k-1+k2)/k1

• Km es una relación de constantes de velocidad parapuna determinada reacción.

• Km es la concentración de sustrato para la cual lavelocidad de reacción es la mitad de la velocidadmáxima. En efecto, si Km = [S], la ecuación demáxima. En efecto, si Km [S], la ecuación deMichaelis-Menten se reduce a: v = Vmax/2.

• El valor de Km da idea de la afinidad de la enzimapor el sustrato: A menor Km, mayor afinidad de laenzima por el sustrato, y a mayor Km, menorenzima por el sustrato, y a mayor Km, menorafinidad.

c) Temperaturac) Temperatura

• En las reacciones catalizadas por enzimas lospaumentos de temperatura aceleran las reacciones.Sin embargo, al ser proteínas, a partir de ciertatemperatura, se empiezan a desnaturalizar por elp , p pcalor. La temperatura a la cual la actividad catalíticaes máxima se llama temperatura óptima.

d) pHd) pH

• Los enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH;amino -NH2; tiol -SH, etc.) en las cadenas laterales de susaminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tenercarga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación delas proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pHlas proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pHen el cual la conformación será la más adecuada para la actividadcatalítica. Este es el llamado pH óptimo.

d) Inhibidoresd) Inhibidores

1.- Inhibidores Irreversibles• Unión covalente entre un compuesto y la enzima.• Este se une de manera irreversible al sitio activo de• Este se une de manera irreversible al sitio activo de

la enzima.• Casi todos los inhibidores son sustancias tóxicas

t l i téti t lnaturales o sintéticas, tales como:• Cianuro• SarínSarín• Penicilina

2.- Inhibidores reversiblesU ió l t t t l i• Unión no covalente entre un compuesto y la enzima.

• El compuesto inhibidor puede unirse al sitio activode la enzima o en otro sitio dejando libre el sitioactivo.

• Este tipo de inhibidores pueden ser:• Competitivo• Competitivo• No competitivo

INHIBICION REVERSIBLE Competitiva No competitiva

El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima

El inhibidor se fija a un sitio distinto al sitio activo

enzima Impide la formación del complejo

enzima- sustrato No se bloquea la formación del

complejo enzima-sustrato

Competitiva No competitiva El inhibidor se parece al sustrato y El inhibidor no se parece al

puede formar el complejo enzima-inhibidor

sustrato

Impide la formación del complejo No se bloquea la formación del Impide la formación del complejo enzima- sustrato

No se bloquea la formación del complejo enzima-sustrato

La enzima no puede unirse al La enzima se inactiva al unirse al sustrato inhibidor estando o no unido el

sustrato

Puede anularse el efecto del No se puede anular el efecto con Puede anularse el efecto del inhibidor aumentando la concentración de enzima

No se puede anular el efecto con el aumento del sustrato

Si aumenta la concentración de sustrato, se minimiza la

El inhibidor disminuye la concentración de enzima

probabilidad que se forme el complejo enzima-inhibidor

La velocidad máxima de la Por lo tanto disminuye la La velocidad máxima de la reacción es norma

Por lo tanto disminuye la velocidad máxima

Aumenta Km No tiene efecto sobre Km

1/V

1/V

inhibidor

Sin inhibidor

1/V inhibidor

1/ Vmax Sin inhibidor 1/ Vmax

1/S -1/ Km 1/S -1/ Km

9. Regulación de la actividad enzimática9. Regulación de la actividad enzimática

• Dentro de las células se llevan a cabo infinidad deprocesos metabólicos, todos ellos relacionadosentre sí, de manera que deben estar controlados enforma precisaforma precisa.

• Para lograr esta coordinación metabólica es precisodisponer de mecanismos de control o regulaciónadecuados (enzimas reguladoras).

• Existen distintos tipos de mecanismosExisten distintos tipos de mecanismosregulatorios de la actividad enzimática:

a) Control a nivel de sustratob) Inhibición por retroalimentaciónc) Moduladores alostéricos)d) Regulación por modificación covalentee) Regulación genética

a) Control a nivel de sustratoa) Control a nivel de sustrato

• Parte de la regulación enzimática se produce de unag pforma sencilla, mediante la interacción directa de lossustratos y los productos de cada reaccióncatalizada enzimáticamente con la propia enzimacatalizada enzimáticamente con la propia enzima.

• Sin embargo, el control a nivel de sustrato no esSin embargo, el control a nivel de sustrato no essuficiente para la regulación de muchas rutasmetabólicas.

b) Inhibición por retroalimentaciónb) Inhibición por retroalimentación

• Las enzimas suelen estar dispuestas en “líneas depensamblaje” para llevar a cabo los pasossecuenciales necesarios en una ruta metabólica.

• Generalmente en estos casos el producto de laúltima reacción de la vía metabólica, actúaúltima reacción de la vía metabólica, actúainhibiendo a las enzimas que intervienen en losprimeros pasos, retroalimentación negativa.

El producto final es uninhibidor de la enzimainhibidor de la enzimareguladora, la cualcataliza la primera etapacomprometida.

c) Moduladores alostéricosc) Moduladores alostéricos

• Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimasp galostéricas, que son enzimas que por lo generaltienen estructura cuaternaria y además del sitioactivo poseen otros capaces de reconocer efectoresp po moduladores, que se denomina sitios alostéricos..

• Las enzimas alostéricas son proteínas con múltiplessubunidades, con múltiples lugares activos (sitiosactivos y sitios alostéricos)y )

• Presentan cooperatividad de unión del sustratop(homoaloterismo) y una regulación de su actividadpor otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).

• La principal ventaja del control alostérico seencuentra en los efectores heteroalostéricos, quepueden ser inhibidores o activadorespueden ser inhibidores o activadores.

• Los moduladores alostéricos se fijan de forma nojcovalente a las enzimas que regulan.

d) Por modificación covalented) Por modificación covalente

• Algunas enzimas están totalmente inactivas hastagque la altera una modificación covalente.

• La enzima se une covalentemente a algún grupo• La enzima se une covalentemente a algún grupoquímico y de esta forma se activa o se inactiva laenzima.

• El grupo que más frecuentemente interviene en estetipo de regulación es el grupo fosfato (P)p g g p ( )(fosforilación y desfosforilación )

• Otro tipo de activación enzimática covalente es lapruptura proteolítica.

• Pertenecen a este grupo la tripsina quimotripsina la• Pertenecen a este grupo la tripsina, quimotripsina, laelastasa y la carboxipeptidasa.

• Todas se sintetizan en el páncreas en su formainactiva, moléculas ligeramente más grandes,cataliticamente inactivas, denominadas zimógenos., g

• Los zimógenos deben romperse proteolíticamenteLos zimógenos deben romperse proteolíticamenteen el intestino para producir las enzimas activas.

E t i d d t h b lid• Estas enzimas se degradan tras haber cumplido susfines, por lo que no ponen en peligro el tejidointestinal.

e) Regulación genéticae) Regulación genética

• Involucra el control a nivel del ADN.

• El ADN es la molécula que almacena la informaciónpara la síntesis de proteínas de acuerdo al siguientepara la síntesis de proteínas de acuerdo al siguienteflujo de información:

• De manera que si podemos impedir el pasaje de ADNARN (t i ió ) i di l í t i d la ARNm (transcripción) impedimos la síntesis de la

enzima y por ende no se catalizará la reacción en laque dicha enzima interviene.

10. Conexiones bioquímicas10. Conexiones bioquímicas

• Enzimas como marcadores de enfermedades:Enzima lactato deshidrogenasa (LDH):corazón ymúsculo esqueléticoEnzima creatina cinasa (CK): cerebro corazón yEnzima creatina cinasa (CK): cerebro, corazón ymúsculo esquelético

• Inhibición de enzimas en el tratamiento del sida:Enzima VIH proteasa

• Tratamiento contra la adicción de la cocaína:Enzima esterasa