Tema 7.- Enzimología
A.- Concepto de catálisis
B.- Los enzimas como biocatalizadores: características de la actividad enzimática
C.-Mecanismo de la actividad enzimática
-Concepto de centro activo
D.-Cinética de las reacciones catalizadas enzimáticamente: cinética de Michaelis-Menten
E.- Factores que afectan la actividad enzimática
Factores Físico-químicos
Inhibición enzimática
Regulación de la actividad enzimática
F.- Cofactores: Coenzimas y vitaminas
Ene
rgía
lib
re G
Transcurso de la reacción
Estado
inicialEstado
final
Estado de transición
Energía de
activación
Reacción exotérmica o exergónica
Estas reacciones son espontáneas
Tema 7.- Enzimología
Reacción exotérmica o exergónica
Tema 7.- Enzimología
Los catalizadores reducen la energía de activación
Transcurso de la reacción
Ene
rgía
lib
re G
Estado de transición
Estado
final
Estado
inicial
Sin catalizar
Reacción
catalizada
Tema 7.- Enzimología
▪Especificidad de sustrato y de reacción
▪Eficacia
-Alta velocidad de catálisis
-No generan subproductos
▪ Trabajan a temperaturas “bajas”
▪ Necesitan cofactores
VELOCIDAD DE CATÁLISIS
COFACTORES METÁLICOS
Tema 7.- Enzimología
Características de la actividad enzimática
Muchas enzimas necesitan un cofactor enzimático
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR
Tema 7.- Enzimología
Ap
oen
zim
a
Ap
oen
zim
a
Ap
oen
zim
a
Algunos elementos metálicos que actúan como cofactores enzimáticos
COFACTORES METÁLICOS
Tema 7.- Enzimología
En otros casos el cofactor es de naturaleza orgánica compleja..
En este caso reciben el nombre de coenzimas
NAD FAD
Coenzima A
Tema 7.- Enzimología
Un mismo cofactor puede ser utilizado por diferentes enzimas…
Tema 7.- Enzimología
La base de la actividad de los enzimas es la unión específica de la enzima con el sustrato
Esta unión tiene lugar en el Centro activo del enzima.
ENZIMA
COMPLEJOENZIMA-SUSTRATO
SUSTRATO
COFACTOR
NADP+
Tema 7.- Enzimología
Mecanismo de la actividad enzimática
El proceso de la unión enzima sustrato es de tipo llave-cerradura
Tema 7.- Enzimología
Hipótesis del encaje inducido
Hipótesis del encaje inducido
Tema 7.- Enzimología
El sustrato entra en el centro
activo del enzima
La enzima abraza el sustrato formando un
encaje inducido
Hipótesis del encaje inducido
Hexoquinasa
Glucosa
Tema 7.- Enzimología
Es decir que se acople a la forma del sustrato, y que además sean compatibles con el carácter químico del mismo.
Tema 7.- Enzimología
Los aminoácidos del centro activo tienen que conformar un entorno apropiado para la unión del sustrato y para la catálisis
Centro activo de la quimotripsina
Sustrato
Sitio de unión
Sitio catalítico
Tema 7.- Enzimología
E + S [E-S] E + P
Cinética de las reacciones catalizadas enzimaticamente: cinética de Michaelis-Menten
Si estudiamos la cinética de una reacción catalizada enzimaticamente…
En la cinética más sencilla consideramos un único sustrato, y la concentración de enzima es constante
Si representamos la velocidad de la reacción frente a la concentración de sustrato…
K1 K3
K2
Tema 7.- Enzimología
Concentración de sustrato [S] mM
Ve
loci
dad
de
re
acci
ón
mM
de
pro
du
cto
/min
Con altas [S] la cinética es de orden O
Con bajas [S] la cinética es de orden 1
Tema 7.- Enzimología
Concentración de sustrato [S] mM
Ve
loci
dad
de
re
acci
ón
mM
de
pro
du
cto
/min
Enzima saturada
Tema 7.- Enzimología
Cinética de Michaelis-Menten
La expresión matemática de la velocidad de reacción y de la Km son:
La Km, o constante de Michaelis-Menten, es un parámetro cinético muy importante para comparar las actividades enzimáticas
Tema 7.- Enzimología
Km para algunas enzimas y sustratos
Enzima Sustrato
Tema 7.- Enzimología
Hexoquinasa
Glucosa Glucosa 6 fosfato
Tema 7.- Enzimología
La hexoquinasa es una enzima que puede unirse a dos sustratos: la glucosa o la fructosa. Catalizando la reacción de fosforilación
Hexoquinasa
Fructosa Fructosa 6 fosfato
Km para algunas enzimas y sustratos
Enzima Sustrato
La hexoquinasa de cerebro requiere una concentración 30 veces mayor de fructosa que de glucosa para catalizar la reacción
Tema 7.- Enzimología
Apéndice: clasificación de las enzimas
Tema 7.- Enzimología
Las enzimas se clasifican de acuerdo a la reacción que catalizan …
Nº CLASE TIPO DE REACCIÓN CATALIZADA
1 OXIDOREDUTASAS Reacciones de transferencia de electrones (redox)
2 TRANSFERASAS Reacciones de transferencia de grupos funcionales
3 HIDROLASAS Reacciones de hidrólisis: ruptura de enlaces
4 LIASASReacciones de adición de grupos a dobles enlaces o de formación de estos por eliminación de grupos funcionales
5 ISOMERASAS Reacción de conversión de una molécula en un isómero
6 LIGASASReacción de formación de enlaces por reacciones de condensación acopladas a ATP
Las enzimas son muy sensibles a ciertos factores que pueden modificar su funcionamiento. Los vamos a agrupar en…
►Factores Físico-químicos
►Inhibición enzimática
►Mecanismos de regulación de la actividad enzimática
Tema 7.- Enzimología
Factores que afectan la actividad enzimática
TEMPERATURA. La mayoría de las enzimas trabajan a temperaturas óptimas entre 20 y 37ºC.
Act
ivid
ad e
nzi
mát
ica
Temperatura (Cº)
20-37º C4º C 60º C
¡Desnaturalización!
Tema 7.- Enzimología
Factores físico-químicos
El pH óptimo suele estar en el entorno de la neutralidad. Pero hay enzimas que trabajan a pH ácido, como la pepsina, y otras a pH básico como la tripsina o la fosfatasa alcalina
Act
ivid
ad e
nzi
mát
ica
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH
Amilasa salivarPepsina
Fosfatasa alcalina
Tema 7.- Enzimología
CONCENTRACIÓN SALINA DEL MEDIO
La cantidad de sales presentes en el medio celularpuede influir en la actividad de algunas enzimas
K+
Na+
K+
Ca2+
Cl-
HCO3-
HCO3-
HCO3-
Na+
Na+Na+
Na+
K+
K+
Ca2+
Ca2+
Cl-
Cl-
Cl-
Tema 7.- Enzimología
INHIBICIÓN COMPETITIVA
Los inhibidores competitivos tienen una semejanzaestructural con el sustrato
Tema 7.- Enzimología
3
Etilenglicol Etanol
El etilenglicol es un inhibidor competitivo de la enzima alcohol deshidrogenasa
Tema 7.- Enzimología
ALOSTERISMO
EFECTOR ALOSTÉRICO POSITIVO
Efector alostérico negativoEfector alostérico positivo
Tema 7.- Enzimología
ALOSTERISMO
EFECTOR ALOSTÉRICO POSITIVO
Efector alostérico negativo
Tema 7.- Enzimología
Los efectores alostéricos normalmente actúan modificando la Km de los enzimas
Modulación positiva
Modulación negativa
Disminuye la Km: aumenta la afinidad
Aumenta la Km: disminuye la afinidad
Tema 7.- Enzimología
Tema 7.- Enzimología
TreoninadeshidratasaEl producto final puede actuar
como un efector alostériconegativo de la primera enzima de la ruta metabólica
Cuando disminuya la concentración del producto final esta inhibición cesa y vuelve a activarse esta secuencia de reacciones
COMPARTIMENTACIÓN CELULAR
Muchas de las reacciones celulares ocurren en un orgánulo aisladas del entorno para mantener ciertas condiciones y mejorar el rendimiento.
En el lisosoma el pH es menor de 5
Lisosoma fundiéndose con vesículas cubiertas. (Imagen de M.E. de barrido)
Tema 7.- Enzimología
FORMACIÓN DE COMPLEJOS MULTIENZIMÁTICOS
Complejo multienzimático
mitocondrial
Tema 7.- Enzimología
Muchas enzimas pueden ser activadas o desactivadas al añadirse un grupo funcional mediante enlace covalente
La más frecuente es la fosforilación que llevan a cabo las enzimas denominadas, genéricamente, Proteínas Quinasas (PK)
Veamos un ejemplo…
Tema 7.- Enzimología
Modificación covalente
Tema 7.- Enzimología
MODIFICACIÓN COVALENTE
ISOENZIMAS
La posibilidad de disponer de enzimas que tienen diferentes Km en distintos tejidos permite al organismo ajustar la actividad enzimática al trabajo que deben realizar
Tema 7.- Enzimología
La glucosa 6 fosfato isomerasa presenta dos formas isoenzimáticas:
▪Glucosa 6 P isomerasa de músculoKm= 700 μM
▪Glucosa 6 P isomerasa de cerebro
Km= 210 μM
La concentración fisiológica de glucosa en el cerebro es 130 μM y en músculo 450 μM
Esto permite ajustar la actividad del enzima a la concentración fisiológica del sustrato en cada tejido
Tema 7.- Enzimología
Comparación entre las isoenzimas glucosa 6 fosfato isomerasa de cerebro y músculo
Glucosa 6P isomerasa de cerebro
Km= 210 mM
V M
ole
s/m
in
[S] mMKm= 700 mM
Glucosa 6 P isomerasa de músculo
[glucosa] en cerebro 130 mM
[glucosa] en músculo 450 mM
Tema 7.- Enzimología
PROENZIMAS
Algunas enzimas son sintetizadas como proenzimas o zimógenos, y requieren un tratamiento de hidrólisis para ser activas.
PEPSINÓGENO (inactivo)
PEPSINA (activa)
Peptidasasintestinales
7 aminoácidos
Tema 7.- Enzimología
CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La célula es capaz de controlar que enzimas están disponibles en cada momento haciendo que se expresen los genes de las enzimas necesarias para la célula.
Tema 7.- Enzimología
►VITAMINAS HIDROSOLUBLES
VITAMINA C (ÁCIDO ASCÓRBICO) Interviene en el metabolismo del colágeno.
Las necesidades medias oscilan entre 40 y 60 mg al día. La avitaminosis produce el escorbuto
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA B1 (TIAMINA): interviene en el metabolismo de la glucosa y de los ácidos nucleicos.
Los adultos requieren 1-1.5 mg día, su carencia produce el Beriberi. Ciertos alimentos como algunos pescados y bebidas como el té o el café aportan tiaminasa que impide su absorción
Tema 7.- Enzimología
FAD:
VITAMINA B2 (RIBOFLAVINA): Relacionada con el coenzima FAD una coenzima de oxidación-reducción muy común (flavoproteínas)
Los adultos requieren 1.3-1.8 mg día, su carencia provoca múltiples síntomas.
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA B3 (NIACINA O FACTOR PP) Relacionada con el coenzima NAD. Tiene muchos efectos y su carencia afecta a órganos con gran actividad metabólica. Los adultos necesitan 15 a 20 mg diarios
La avitaminosis produce la Pelagra, con tres síntomas característicos: Dermatitis, Diarrea, Demencia.
NAD:
Niacina/ ácido nicotínico
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA B5 (ÁCIDO PANTOTÉNICO) relacionada con el Coenzima A, un transportador de grupos acilo. Es una vitamina ampliamente distribuida cuya carencia es rara pero muy grave (3- 7mg/día).
Coenzima A
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA B6. Son cuatro sustancias activas las que se agrupan bajo este nombre. El fosfato de piridoxal es un coenzima que interviene en el metabolismo de los aminoácidos.
Los adultos necesitamos de 1,6 a 2 mg/día. Su carencia no es común y produce síntomas poco definidos de tipo neurológico, debilidad, anemia…
Tema 7.- Enzimología
Vitamina B8 (Biotina) Relacionada con la Biocitina Tiene efectos muy importantes en el metabolismo de los ácidos grasos.
Su deficiencia es rara, está ampliamente distribuida y además puede que la produzca nuestra flora intestinal. Un adulto requiere entre 30 y 200 μg/día.
La Avidina de la clara de huevo impide su absorción intestinal
Biotina
Tema 7.- Enzimología
Vitamina B9 (Ácido fólico)
Forma parte del tetrahidrofolato que interviene en el metabolismo de las bases nitrogenadas.
Son necesarios de 180 a 200 μg/día. La carencia de esta sustancia afecta a muchos órganos produciendo anemias, debilidad…
Ácido fólico
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA B12 (CIANOCOBALAMINA)
Relacionada con el enzima adenosil cobalamina. Su carencia produce anemia y síntomas neurológicos.
Las necesidades diarias son de 1 a 2 μg
Esta vitamina no se encuentra en productos vegetales.
Tema 7.- Enzimología
►VITAMINAS LIPOSOLUBLESVITAMINA A. Son un grupo de sustancias (retinol, retinal, ácido retinoico…) que derivan de las provitaminas A: los α y β Carotenos.
β Caroteno
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA D
Las sustancias que conocemos como tal son dos: Ergocalciferol (Vit D2) y Colecalciferol (Vit D3)
Proceden de dos sustancias el Ergosterol (vegetal) y el Deshidrocolesterol (animal) que por acción de la luz ultravioleta se convierten en la sustancia activa
Ergocalciferol Colecalciferol
Tema 7.- Enzimología
La vitamina D Intervienen en el metabolismo del Calcio y es por tanto una de las vitaminas más importantes
Un adulto requiere 2.5 μg/día y un niño cuatro veces más (10 μg/día ). Su carencia produce el raquitismo y la osteomalacia
Niño con raquitismo y 14 meses después del tratamiento con Vitamina D
Tema 7.- Enzimología
VITAMINA E
Hay varias sustancias con este efecto vitamínico. Es unavitamina con efecto antioxidante.
De origen exclusivamente vegetal.
Rara vez se produce la avitaminosis. Un adulto requiereentre 8 y 10 mg/día de αTocoferol
Tema 7.- Enzimología
Vitamina K
Hay tres grupos de sustancias con actividad vitamina K.
Tiene efecto antihemorrágico.
Esta vitamina se absorbe en el intestino grueso donde es producida por la flora intestinal.
Tema 7.- Enzimología
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