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Enzimas
- Son proteínas catalíticas.
- Aceleran la velocidad de las reacciones en un medio con temperatura y pH controlados.
- No modifican la Keq.
¿Cómo modifican la cinética de las reacciones?
En la siguiente animación,podemos ver graficado el efecto de una enzima en la cinética ( velocidad) de la reacción.
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Especificidad de las enzimas
• Las enzimas interaccionan con los sustratos a través de las numerosas interacciones débiles, que se establecen por complementariedad estructural.
• Las enzimas son esteroespecíficas• El sitio de unión de la enzima con el
sustrato se llama SITIO ACTIVO (S.A)• El S.A es una pequeña porción de la
enzima.
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Ejemplo de estructura de una enzima: la quimotripsina , una enzima digestiva que hidroliza proteínas.
• La estructura primaria de esta enzima consta de 245 aminoácidos.
• La estructura cuaternaria de consta de tres cadenas polipeptídicas: a, b y c.
• Los enlaces disulfuro unen las cadenas a,b y c entre sí.
• Los aminoácidos del Sitio Activo son tres: His, Asp y Ser.
• De 245 aminoácidos totales, solamente los grupos R de tres de ellos conforman el sitio activo de esta enzima.
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Modelo espacial de la Quimotripsina• La enzima tiene un
aspecto globular, dado por el plegamiento de las subunidades a,b y c.
• El S.A se muestra en naranja.
• Esta enzima tiene un solo S.A.
• Las enzimas pueden tener un S.A por subunidad.
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Modelo del esqueleto polipeptídico en forma de cinta
• Los grupos funcionales que componen el S.A están en rojo, y los puentes disulfuro en amarillo.
• Puede observarse en detalle las superestructuras secundarias en alfa hélice y lámina plegada.
- hélice
Lámina plegada
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Un acercamiento al sitio activo• En detalle pueden
verse los grupos funcionales dela enzima que toman contacto con el sustrato de la reacción
• En la siguiente animación se ve un modelo de enzima en acción.
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CLASIFICACION INTERNACIONAL DE ENZIMAS
Existen 6 categorías:
1- Oxidoreductasas:
2-Transferasas
3- Hidrolasas
4- Liasas
5- Isomerasas
6- Ligasas
Nomenclatura
La nomenclatura internacional reconoce a las enzimas mediante 4 números. Por ejemplo:
Anhidrasa carbónica es la enzima 4.2.1.1
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Cinética de saturación: curva experimental.
• Normalmente hay más sustrato que enzima en los sistemas de reacción,lo que explica el “efecto de saturación” observado en la curva de M.Menten.
• Ni siquiera una alta concentración de sustrato influirá en la Vmax de la reacción.
• Este tipo de curvas se conocen como Cinética Michaeliana.
La tangente de la curva en este punto es la V0
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Ecuación de Michaelis Menten
• Este es el algoritmo de la curva experimental.
• La V0 es la velocidad instantánea, o aceleración a tiempo cero según la cantidad de enzima.
• La Km es una constante para cada enzima con un determinado sustrato, en condiciones de pH y tºC fijas.
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¿Qué pasa cuando la V0 es 1/2 de la Vmax?
• Veamos qué ocurre con la ecuación de M.Menten en este caso.
• Si V0 es 1/2 de la Vmax, entonces:
• 1/2 Vmax= Vmax. [S] / Km + [S]
• Km + [S] = 2 [S]
• Km = [S] Cuando V0 es 1/2 de la Vmax
• La concentración intracelular de los metabolitos están en el orden de los valores de Km de sus enzimas.
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¿Cuándo se alcanza la Vmax?
• La Vmax se alcanza para valores muy altos de sustrato. Veamos en el cálculo.
• Si V0 es el 99% de Vmax, entonces:
• 0,99 Vmax = Vmax. [S] / Km + [S]
• 0,99 Km + 0,99 [S] = [S]
• 0,99 Km = 0,01 [S]
• [S]= 99 Km
• Las reacciones enzimáticas generalmente no operan a su Vmax
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La Km es una constante para cada tipo de sustrato
• Gráficamente puede verse que la mitad de la Vmax se alcanza con una determinada concentración de sustrato, cuyo valor es el de la Km.
• La Km no cambia para distintas concentraciones de enzima,lo que evidencia una elevada aceleración del proceso.
V inicial (V0)Moles/tiempo
E1
E2
E3
Km Sustrato (moles)
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Variación de la velocidad en función de la concentración de la enzima
• La tangente de cada una de las curvas representa la velocidad inicial para cada concentración de enzima.
• La condición para obtener esta gráfica, es que la enzima esté saturada por el sustrato.
• A mayor cantidad de enzima para un mismo t,la variación de velocidad es mayor.
tiempo
E1
E2
E3
Producto
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Valores de Km de algunas enzimas
• El valor deKm depende del sustrato, como puede verse por ejemplo para la enzima hexoquinasa.
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Otra forma de representar la cinéticaenzimática. Ecuación de Linneweaver-Burke
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¿Qué factores afectan la actividad de una enzima?
• Los factores que afectan la actividad de las enzimas en general son:
• pH• temperatura• concentración salina ( osmolaridad)• concentración de sustrato y producto• Sustancias inhibidoras • a) reversibles: competitivas y no competitivas. • b) irreversibles como muchos frámacos y
agroquímicos
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Efecto del pH en la actividad enzimática
• La gráfica muestra la respuesta de una enzima digestiva en respuesta al pH.
• La Pepsina es una hidrolas de proteínas ( proteasa), y su acción ocurre fuera de las células que la producen ( es una enzima extracelular).
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Otro caso de respuesta de la actividad enzimática frente al pH
• Esta enzima es una esterasa ( hidroliza enlaces éster).
• La reacción que cataliza es la siguiente:
• Glucosa-6-P + H2O
• Glucosa + fosfato
Glucosa 6-fosfatasa
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Los inhibidores competitivos de las enzimas, son estructuralmente semejantes a los sustratos
Inhibición competitiva
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Los inhibidores no competitivos de las enzimas, no se parecen estructuralmente a los sustratos
Inhibición no competitiva
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Representación gráfica de la acción de inhibidores reversibles competitivos y no competitivos
Competitiva, cambia la Km No competitiva, cambia la Vmax
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La pareja Enzima-Coenzima o Enzima-Cofactor.
• En algunos tipos de Enzimas, no basta el componente proteico para que sean reactivas. Necesitan la ayuda de otras especies que deben actuar junto con la enzima, y que pueden ser:
• Orgánicas: como el NAD, FAD, CoA, ATP.Generalmente contienen vitaminas en su estructura, o son vitaminas.
• Organometálicas: grupo Hemo ( porfirina más Fe)• Iones: Fe, K+, Mg2+, Ca2+, Mo ,Zn, Cu.
• La interacción E-coenzima y E-cofactor es de tipo Reversible y No covalente.
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Enzimas reguladorasEstas enzimas pueden ser reguladas por:
• Concentración del producto final de una vía metabólica.
• Concentracíon inicial del sustrato• Concentración de algún intermediario de la vía
metabólica en la que participa.• Por hormonas• Por todos los factores mencionados
• Entre las enzimas reguladoras, el grupo de las Enzimas alostéricas, es el de las que son modificadas por la acción reversible y no covalente de una molécula señal, que actúa en el Sitio Alostérico.
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Las enzimas alostéricas responden a la acción de efectores positivos y negativos, respondiendo a modelos cinéticos No-Michaelianos como el del
siguiente gráfico:
• Las curvas tienen forma sigmoidal que indican un efecto cooperativo del sustrato.
• La respuesta al efector positivo, acerca la cinética al modelo Michaeliano.
• El modelo sigmoidal permite que la enzima sea activa en un rango de [S] más acotado que en el modelo Michaeliano.
• Para cada efector, debe existir un sitio alostérico.
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Ejemplo de regulación alostérica por la Carga Energética del sistema
• Algunas enzimas alostéricas del metabolismo responden a la Carga Energética (CE) del Sistema.
• Las del Catabolismo se inhiben con CE por encima de 0,8.
• Las del Anabolismo se activan con CE por encima de 0,8.
• En estado de homeostasis las enzimas operan a un 50% de su Vmax
% de Vmax
Carga energética
0 0 ,8 0,9 1,0
Catabólicas
Anabólicas
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REGULACION CELULAR DE LAS ENZIMAS
• Modificación covalente de las enzimas reguladoras: la actividad de las enzimas se modifica por cambios covalente reversibles en las cadenas laterales de determinados aminoácidos de la enzima. Por ejemplo: a) fosforilación defosforilación de grupos hidroxilo; b) reducción de grupos disulfuro.
• Activación por ruptura proteolítica: algunas enzimas son sintetizadas inicialmente en forma inactiva y deben ser modificadas para adquirir actividad. Las formas inactivas se denominan Zimógenos.
• Regulación por isoenzimas: son diferentes formas moleculares de enzimas que catalizan la misma reacción, y poseen diferentes patrones cinéticos.
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La actividad enzimática no se expresa en todos los tejidos por igual
• El patrón proteico de cada célula, e incluso de cada compartimiento celular, depende de la expresión de los genes.
• Las enzimas son proteínas, y la expresión de los genes que las codifican está regulada a nivel de la transcripción.
• La forma más efectiva de modificar la actividad de una enzima, es provocando su síntesis o inhibiéndola, de modo de hacer que esté presente o no, en el sistema.
• Otra forma de modificar la actividad la actividad es mediante la regulación del proceso de degradación de la enzima ( aumentar la velocidad de recambio).