Tema N° N° 6 Enzimas y Coenzimas

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La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. enzimas




Son sustancias que, sin consumirse ni participar en una reacción, reacción aumentan notablemente su velocidad (disminuyendo la energía de activación).




Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH. pH




La gran mayoría de las proteínas son enzimas. Recordar que hay hay ARN con capacidad catalítica (ribozimas) ribozimas).

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Las enzimas, a diferencia de los catalizadores inorgánicos, son catalizadores específicos. específicos La sustancia sobre la que actúa una enzima se denomina sustrato sustrato. Este es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos. Cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, reacción y casi siempre actúa sobre casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos.

Existen distintos grados de especificidad. La enzima sacarasa es muy específica: rompe el enlace β-glucosídico de la sacarosa o de compuestos muy similares. Entre las enzimas poco específicas están las proteasas digestivas como la quimotripsina, que rompe los enlaces amida de proteínas y péptidos de muy diverso tipo.

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Centro Activo región concreta del enzima donde el sustrato se une 2- Unión del S al centro activo de la E

1- Enzima y su sustrato

E + S




ES




3- Formación de productos

E + P

Complejo enzimaenzima-sustrato

Comprende: un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato.
un sitio catalítico, catalítico formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción.


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Como proteínas, poseen una conformación natural más estable que las demás conformaciones posibles. Así, cambios en la conformación suelen ir asociados en cambios en la actividad catalítica. Los factores que influyen de manera más directa sobre la actividad de un enzima son:
El pH.
La Temperatura.
Presencia de cofactores o coenzimas.

Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, disminuyendo de la energía de activación (Ea: energía necesaria para convertir los reactivos en productos). El complejo ES posee menor energía de activación que las especies en estado de transición correspondientes a una reacción no catalizada.

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H2O2

→

Perfil energético de una reacción espontánea

H2O

+

O2

Perfil energético de una reacción catalizada

Sitio de unión (es el que confiere especificidad a la enzima)

Sitio Catalítico

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La acción de los catalizadores consiste en disminuir la Energía de Activación.




Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos.




Por ej., la descomposición del agua oxigenada (H2O2) puede ocurrir: ◦ sin catalizador Ea= 18 Kcal/mol. ◦ con un catalizador inorgánico (platino) Ea= 12 Kcal/mol. ◦ con una enzima específico (catalasa) Ea= 6 Kcal/mol.




Así, se puede calcular que el platino acelera la reacción 20.000 veces, 370..000 veces. veces. mientras que la catalasa la acelera 370

Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben chocar con una energía y una orientación adecuada.


La actuación de la enzima: ◦ aumenta la concentración efectiva de los sustratos (aumenta la probabilidad de choque). ◦ permite que los reactantes (sustratos) se unan a su centro activo con una orientación óptima para que la reacción se produzca. ◦ modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos.

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Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima:
LLAVE-CERRADURA, presentado por Fisher en 1894.
AJUSTE INDUCIDO, propuesto por Koshland en 1958.







La estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto.

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El centro activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al centro activo del enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

Hay varias formas de nombrar una enzima:
Nombre Particular.
Nombre Sistemático.
Código de la Comisión de Enzimas.

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Antiguamente, los enzimas recibían nombres asignados por su descubridor.




Ejemplos:




- Enzima condensante de Ochoa (también conocida como Citrato Sintasa). - Tripsina (descubierta en 1876 por Kühne).


Frecuentemente el nombre dado a las enzimas no daba ninguna clave de la función que desempeñaban. Así, al ir aumentando el número de enzimas conocidas, se hizo necesaria una nueva nomenclatura que informara sobre la acción específica y los sustratos sobre los que actuaban.

Consta actualmente de 3 partes:
el sustrato sobre el que actúan.
el tipo de reacción que cataliza.
terminación "asa".


Ejemplo: - Glucofosfoisomerasa (cataliza la isomerización de glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato).




Cuando la acción típica del enzima es la hidrólisis del sustrato, el segundo componente del nombre se omite. Ejemplo: - Lactasa (cataliza la hidrólisis de la lactosa).

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El nombre es identificado por un código numérico. Debe encabezarse el nombre con las letras EC (enzyme commission) y luego se escriben cuatro números separados por puntos. ◦ el primer número indica a cual de las seis clases pertenece la enzima, ◦ el segundo se refiere a distintas subclases dentro de cada grupo, ◦ el tercero y el cuarto designan la sub sub--subclase, subclase que hacen mención a los grupos químicos específicos que intervienen en la reacción.




Ejemplo: - ATP-glucosa fosfotransferasa (conocida como glucoquinasa).

EC: 2.7.1.2. 2: transferasa. 7: fosfotransferasa. 1: fosfotransferasa que utiliza un grupo –OH como aceptor. 2: indica que el grupo –OH de la D-glucosa es el receptor del grupo fosfato.

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Nombre común

Nombre Sistemático

Citrato Sintasa Tipo de Reacción

AcetilCoA-Oxalacetatoacetiltransferasa Sustratos

Terminación

Comisión de Enzimas

Enzyme Comission

Grupo

Subclase

EC 2.3.3.1

Orden

Sub-subclase




Clases: 1. Óxido-reductasas. 2. Transferasas. 3. Hidrolasas. 4. Liasas. 5. Isomerasas. 6. Ligasas.

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Ared + Box

⇄

Aox + Bred

A : agente reductor (dador de electrones); en el curso de la reacción se oxida (pierde electrones) B : agente oxidante (aceptor de electrones); en el curso de la reacción se reduce (gana electrones)

AH2 + B

⇄

A + BH2

Alcohol Deshidrogenasa (EC 1.1.1.1) (oxidación con NAD+)




Pueden ser: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Deshidrogenasas. Oxidasas. Oxigenasas. Reductasas. Peroxidasas (Catalasas). Hidroxilasas.

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A-B +

C

⇄

A + C-B

Hexoquinasa (EC 2.7.1.2) (fosforilación)




Pueden ser: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Transaldolasas. Transcetolasas. Quinasas. Fosfomutasas. Aciltransferasas. Metiltransferasas. Glucosiltransferasas. Fosforiltransferasas.

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A-B

+

H2O

⇄

AH + B-OH

Carboxipeptidasa A (EC 3.4.17.1) (clivaje de la unión peptídica)




Pueden ser: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Estearasas. Glucosidasas. Peptidasas. Fosfatasas. Tiolasas. Amidasas. Lipasas. Proteasas. Ribonucleasas. Fosfolipasas. Desaminasas.

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A-B

⇄

A + B

A=B + X

⇄

AXB

Piruvato Descarboxilasa (EC 4.1.1.1) (descarboxilación)

Fumarasa (EC 4.2.1.2) (hidratación)

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Pueden ser: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

A

Descarboxilasas. Aldolasas. Hidratasas. Deshidratasas. Sintasas. Liasas.

⇄

B

Glucosa-6-fosfato isomerasa (EC 5.3.1.9) (interconversión de aldosas en cetosas)

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Pueden ser: ◦ ◦ ◦ ◦

A + B + XTP

Racemasas. Epimerasas. Cis-Trans Isomerasas. Mutasas.

⇄

A-B + XDP + Pi

Piruvato Carboxilasa (EC 6.4.1.4) (carboxilación)

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Es el análisis cuantitativo del efecto de cada uno de los factores que intervienen en la actividad enzimática, que se evalúa a través de la velocidad de la reacción catalizada.




Estos estudios proporcionan información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especifidad de la enzima.




Las variables más importantes son: o Concentración de sustratos (incluyendo inhibidores y/o activadores). o pH. o Temperatura. o Presencia de Inhibidores.




En una reacción enzimática, al incrementar la concentración de sustrato, para una concentración de enzima constante se produce un aumento de velocidad de reacción. Si la concentración de sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que se produce una saturación de la enzima, cuyas moléculas se hallan todas en forma de complejo ES.




Baja concentración de sustrato

ALTA concentración de sustrato SATURACION

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Todas las enzimas tienen dos valores límites de pH entre los cuales son efectivas. Entre estos límites existe un pH óptimo en el cual la enzima posee una máxima eficacia.

Actividad enzimática

pH óptimo

pH




Las enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH; amino -NH2; tiol –SH; imidazol, etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos.




Cambios en el pH pueden provocar efectos sobre: o

o o

La fijación del substrato al centro activo (afectando los grupos disociables de la enzima o los del sustrato). La transformación catalítica del sustrato. La estructura de la proteína enzimática.

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Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima. La mayor parte de los enzimas se desnaturalizan a unos 50ºC.

Actividad enzimática

actividad por de la temperatura

Temperatura óptima

T(ºC)




El aumento de la temperatura produce un incremento de la velocidad por dos motivos: o

o

Eleva la energía cinética de las moléculas, lo cual hace que se produzca un mayor número de choques efectivos entre ellas. Esto hace que los reactantes posean un contenido energético que los ubica más próximos al estado activado.

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Efectores que hacen disminuir la actividad enzimática, a través de interacciones con el centro activo u otros centros específicos (alostéricos). Habrá dos tipos de inhibidores: o Isostéricos Isostéricos:: ejercen su acción sobre el centro activo.





o




Reversibles: no inutilizan el centro activo, sólo impiden temporalmente su funcionamiento. Irreversibles: reaccionan con un grupo químico de la enzima, modificándola covalentemente y anulanando su capacidad catalítica.

Alostéricos: ejercen su acción sobre otra parte de la Alostéricos: molécula, causando un cambio conformacional con repercusión negativa en la actividad enzimática.

Pueden actuar de tres formas: o El inhibidor se fija al centro activo de la enzima libre, impidiendo la fijación del sustrato: Inhibición Competitiva. Competitiva o El inhibidor se fija a la enzima independientemente de que lo haga o no el sustrato; por tanto, no impide la fijación del sustrato a la enzima, impide la acción catalítica: Inhibición No Competitiva Competitiva. o El inhibidor se fija únicamente al complejo enzima-sustrato una vez formado, impidiendo la acción catalítica: Inhibición Anticompetitiva. Anticompetitiva

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Muchas de ellas son enzimas oligoméricas, es decir, presentan estructura cuaternaria. Además del sitio o centro activo tienen sitios alostéricos o de regulación: o o




Sitio activo: interacción con sustratos. Sitio alostérico: interacción no covalente moduladores o reguladores.

con

Existen en varios estados conformacionales interconvertibles y con un grado variable de afinidad por sus ligandos (el sustrato y las moléculas que regulan su actividad).

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También reciben el nombre de efectores y pueden ser positivos o negativos. Se unen al sitio alostérico que puede estar en la misma subunidad que tiene al sitio activo o en las subunidades regulatorias. Su unión produce un cambio conformacional que afecta al sitio activo, aumentando o disminuyendo la afinidad de la enzima por el sustrato.

Son diferentes formas moleculares de una misma enzima. Poseen secuencias de aminoácidos similares, pero no idénticas. Catalizan la misma reacción química. Tienen: o Distintas propiedades cinéticas. o Diferentes propiedades reguladoras (diferentes efectores). o Diferentes preferencias por coenzimas. o Diferente distribución celular (dentro de la misma célula o en órganos distintos).

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BLANCO, A. Química biológica. Séptima edición. Editorial El Ateneo. RIGALLI, A. Química Biológica. Fundamentos y concepto. Editorial Corpus. DEVLIN, T. Bioquímica, libro de texto con aplicaciones clínicas. 3ª Edición. Editorial Reverté. MATHEWS C., VAN HOLDE K. Bioquímica. Interamericana Mc Graw- Hill. MURRAY R., GRANNER D., MAYES P., RODWELL V. Bioquímica de Harper. Ed. El Manual Moderno.

Las presentaciones en Power Point son simplemente orientativas acerca de los contenidos desarrollados. Las mismas deben ampliarse con la bibliografía sugerida por los docentes.

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