Procesos Biologicos - 08 - Enzimas.13.04.09

ENZIMAS Dr. Giuliano Bernal Dossetto Departamento de Ciencias Biomédicas Facultad de Medicina Universidad Católica del Norte

Introducción Son catalizadores de las reacciones químicas presentes en los sistemas biológicos. 



Presentan alta especificidad.

Disminuyen la energía de activación dentro de una reacción permitiendo la formación de producto. 

Las enzimas son de naturaleza proteíca, a excepción de un grupo de RNAs catalíticos (Ribozimas). 

La actividad catalítica de las enzimas, depende de la integridad de su conformación nativa, cuyos pesos moleculares fluctúan entre los 12 kDa a 1.000 kDa. 

Enzimas y Medicina Enzima

Alteración

Patología

Lactasa

Inhibición de su síntesis

Intolerancia a la lactosa

Glucosa 6PDeshidrogenasa

Diversas mutaciones

Favismo (Destrucción eritrocitaria)

ALT, GPT

Aumento en los niveles Indicio de ataque cardíaco plasmáticos o falla hepática

Tirosinasa

Deficiencia en la síntesis de Melanina a partir de tirosina

Albinismo

Fenilalanina hidroxilasa

Conversión de fenilalanina a tirosina

Fenilcetonuria

1897: Eduard Buchner demuestra que el extracto de levadura puede fermentar azúcar a alcohol

1926: James Sumner aisló y cristalizó la enzima ureasa encontrando que era una proteína. Postula que todas las enzimas son proteínas.

1930: J.B.S Haldane sugiere en su tratado “Enzimas” que interacciones débiles entre la enzima y el sustrato podrían ser usadas para distorsionar a éste último e inducir la catálisis.

Clasificación Enzimas simples: Son aquellas que para su función catalítica no necesitan cofactor o coenzima. 

Enzimas conjugadas: Enzimas que necesitan para su catálisis una coenzima o cofactor. 

Una enzima junto a su coenzima y/o cofactor se designa como holoenzima. La región proteíca de tal enzima se denomina apoenzima o apoproteína. Cuando la coenzima o ión metálico se unen covalentemente a la enzima, constituye un grupo prostético. 

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Isoenzima: Distinta estructura, misma función

Clasificación enzimática 

Para evitar ambiguedades la clasificación enzimática se basa en un código de 4 dígitos para agrupar a todas las enzimas.

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ATP + Glucosa

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ATP-Glucosa fosfotransferasa (2.7.1.1.)

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(2) Clase: Transferasa

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(7) Subclase: Fosfotransferasa

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(1) Fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptor

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(1) D-glucosa como aceptor del grupo fosforilo

ADP + Glucosa 6-P

Sitio Activo Existen reacciones químicas intracelulares que se presentan en condiciones desfavorables. Sin embargo las enzimas solucionan el problema al proporcionar un ambiente, donde una reacción determinada es energéticamente más favorable. Binding of a substrate to an enzyme at the active site.

Velocidad y equilibrio de una reacción enzimática 

E+S

ES

EP

E+P

La función de un catalizador es aumentar la velocidad de reacción. 

Los catalizadores NO modifican los equilibrios de reacción. 

Cualquier reacción tal como S P, puede describirse por un diagrama de reacción coordinada. 

Definiciones termodinámicas de equilibrio y velocidad de reacción  Equilibrio

de reacción se relaciona con ΔGº´

 Velocidad

de reacción se relaciona con ΔG‡

 Termodinámicamente

la relación entre ΔGº´ y Keq puede ser descrita por la expresión: ΔGº´ = -RT ln Keq

(R= 1,987 cal/mol ºK)

Definiciones termodinámicas de equilibrio y velocidad de reacción La velocidad de una reacción es determinada por la concentración de los reactantes, y por una constante de velocidad (k). 

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V = k[S]

Reacción de 1º órden



V = k[S1][S2]

Reacción de 2º órden

La concentración de la enzima [E] es despreciable en una reacción catlizada. 

Pocos principios explican el poder catalítico y la especificidad de las enzimas 

Durante una reacción catalizada ocurren muchas reacciones químicas entre grupos funcionales de S y E. Los grupos funcionales catalíticos podrían formar enlaces covalentes transientes o se podrían transferir algunos grupos desde el S hasta E. Estas reacciones disminuirían la energía de activación de la enzima.



Gran parte del poder catalítico de las enzimas deriva de la energía libre liberada en la formación de múltiples enlaces débiles e interacciones no covalentes entre la enzima y su sustrato.

Pocos principios explican el poder catalítico y la especificidad de las enzimas 

La interacción entre E y S (Complejo [ES]) es mediada por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura de la proteína.



La formación de cada interacción débil en el complejo [ES] es acompañada por una pequeña liberación de energía libre.

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El sitio activo de las enzimas no es complementario al sustrato per se, sino que al estado de transición en el cual el sustrato se convierte en producto en el curso de una reacción enzimática.

E: Dihidrofolato reductasa S1: Tetrahidrofolato S2: NADP+

Cinética Enzimática

V0= Vmax(S) Km+(S)

Teoría de Michaelis-Menten Desarrollada en 1913 explica la acción y cinética de las enzimas. Supone que E se combina con S para formar el complejo E-S, el cual se escinde para formar E + P. 

La ecuación de Michaelis-Menten es la ecuación de velocidad para las reacciones catalizadas por enzimas frente a un sustrato. 

Cuando la velocidad inicial es exactamente igual a la mitad de la velocidad máxima, se deduce que la concentración de sustrato es igual a la constante Km. 

Concentración de sustrato  La

concentración de sustrato cambia con el curso de la reacción, por lo tanto es complejo estudiar su efecto.

 Para

evitar esto se mide la velocidad inicial (V0), la cual se obtiene cuando el tiempo es lo suficientemente corto una vez que ha comenzado la reacción. En este tiempo se considera [S] constante.

 Cuando

[S] no es capaz de modificar la velocidad se dice que se alcanzó Vmax.

Características de Km y Vmax. Km no tiene un valor fijo, sino que varia con la estructura del sustrato, con el pH y la temperatura. 

Para las enzimas que poseen más de un sustrato, cada uno de estos exhibe una Km característica. 

En condiciones intracelulares, las enzimas no se hallan saturadas por los sustratos. 

La velocidad máxima (Vmax) varía ampliamente de una enzima a otra, dependiendo del sustrato, del pH y la temperatura. 

Representación de Lineweaver-Burk. Es una transformación algebraica de la ecuación de velocidad de Michaelis-Menten. 

La más utilizada es la que considera los recíprocos de ambos miembros de la ecuación de velocidad. 

Esta representación de doble recíproco, permite una determinación más exacta del valor de Vmax de las obtenidas de los gráficos de velocidad de MichaelisMenten. 

Además proporciona información acerca de la inhibición enzimática. 

Catálisis de dos o mas sustratos

Ternary complex

Ping Pong mechanism

Efecto del pH sobre actividad enzimática

Efecto de la T° sobre actividad enzimática

Mecanismos de reacción ilustran los principios: Quimiotripsina

Ejercicios The muscle enzyme lactate dehydrogenase catalyzes the reaction: 

Piruvate + NADH + H+

Lactate + NAD+

Solution of NADH, but not NAD+ absorb light at 340nm. Explain how these properties of NADH can be used to design a quantitative assay for lactate dehydrogenase.



Human blood serum contains a class of enzymes known as acid phosphatases, which hydrolyze biological phosphate esters under slightly acidic conditions (pH 5.0). Acid phosphatases are produced by erythrocytes, the liver, kidney, spleen, and prostate gland. The enzyme from prostate gland is clinically important because its increased activity in the blood is frequently an indication of prostate cancer. The phosphatase from the prostate gland is strongly inhibited by tartrate ion, but acid phosphatases from other tissues are not. How can this information be used to develop a specific procedure for measuring the activity of the acid phosphatase of the prostate gland in the human blood serum?

Estimation of Vmax and Km by inspection [S] (M) 2.5 x 10-6 4.0 x 10-6 1 x 10-5 2 x 10-5 4 x 10-5 1 x 10-4 2 x 10-3 1 x 10-2

V0 (μM/min) 28 40 70 95 112 128 139 140