.Purificación total: Actividad específica etapa/ Actividad específica primera etapa.

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1 CÁTEDRA: BIOQUÍMICA Carreras: Farmacia Profesorado en Química Licenciatura en Química Licenciatura en Alimentos ENZIMOLOGÍA Y CINÉTICA ENZIMÁTICA Definiciones útiles Unidad de enzima (U): cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 mol de sustrato en producto(s) en 1 minuto de reacción, bajo condiciones previamente determinadas. Actividad enzimática o concentración de enzima: unidades de enzima por ml de solución. (U/ml) Actividad específica (U/mg): actividad enzimática (U/ml)/concentración de proteínas (mg/ml) de la solución. Índice de recambio (min -1 ó s -1 ): a) número de moles de sustrato transformados por minuto por mol de enzima (actividad molar ó molecular). b) si es una enzima con n subunidades, cada una con un sitio activo, es el número de moles de sustrato transformados por minuto por mol de subunidad activa o centro catalítico (actividad de centro catalítico) Ciclo catalítico (min ó s): tiempo que transcurre un ciclo catalítico. Katal: cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 mol de sustrato en producto (s) en 1 segundo. Actividad específica: katal/kg de proteína. Para resolución de tablas de purificación:.actividad total: Actividad enzimática x volumen total..proteínas totales: Concentración de proteínas x volumen total..rendimiento parcial (%): (Actividad total etapa/actividad total etapa anterior) x 100..Rendimiento total (%): (Actividad total etapa/actividad total primera etapa) x 100..Purificación parcial: Actividad específica etapa/ Actividad específica etapa anterior..purificación total: Actividad específica etapa/ Actividad específica primera etapa. ENZIMOLOGÍA: PROBLEMAS: 1- Sea la reacción A+B AB. Concentraciones iniciales de A y de B de 1 mm y 2 mm respectivamente llegan al equilibrio después de 45 horas de incubación. Las concentraciones en el equilibrio son [A]= 0,5mM, [B]=1,5 mm y [AB]=0,5 mm. En presencia de una enzima adecuada el equilibrio se alcanza en un minuto. Cuales serán las concentraciones alcanzadas en este caso? Cuál es el valor de la Keq en ambos casos? 2- Un extracto libre de células de Escherichia coli contiene 24 mg de proteína por mililitro. Veinte microlitros de este extracto en un volumen de incubación patrón de 0,2 ml catalizaron la incorporación de la glucosa- 14 C al glucógeno con una velocidad de 1,6

2 2 nmoles/min. Calcular la actividad expresada (U/ml) y la actividad específica (U/mg) en la cubeta y en la muestra. 3- Un extracto crudo libre de células contiene 20 mg de proteína por mililitro. Diez microlitros de este extracto en un volumen de reacción total de 0,5 ml catalizaron la formación de 30 nmoles de producto en un minuto en condiciones de ensayo óptimas (ph y fuerza iónica, concentraciones saturantes de todos los sustratos, coenzimas, activadores y otros). (a) Expresar la velocidad inicial v i en mm/min. (b) Cuál será v i si los mismos 10 µl del extracto se ensayaran en un volumen total de 1,0 ml? (c) Cuál es la concentración de enzima en la mezcla de ensayo y en el extracto (en U/ml)? (d) Cuál es la actividad específica de la preparación? 4- Quince microlitros de la preparación de una enzima catalizaron la producción de 0,52 µmoles de producto en un minuto en condiciones óptimas en un ensayo patrón (a) Cuánto producto se producirá en un minuto por 150 microlitros de la preparación en las mismas condiciones de reacción? (b) Cuánto tiempo necesitarán los 150 microlitros de la preparación para producir 0,52 micromoles de producto en las mismas condiciones de ensayo? 5- Una enzima pura tiene una actividad específica de 120 unidades/mg de proteína. (a) Calcular el índice de recambio si el PM= (b) Calcular el tiempo requerido para un ciclo catalítico. 6- Un microgramo de una enzima pura (PM= 92000) catalizó una reacción a la velocidad de 0,5 µmoles/min en condiciones óptimas. Calcular (a) la actividad específica de la enzima expresada en U/mg de proteína y en U/mol, (b) el índice de recambio y (c) cuánto tiempo dura un ciclo catalítico? 7- Una preparación comercial de enzima tiene una actividad específica de 42 U/mg de proteína y contiene 12 mg de proteína por mililitro. Para corroborar estos datos un operador ensaya una medida de actividad de la enzima en un medio de reacción de 1 ml. El método utiliza una concentración de sustrato en el medio de 30 mm y un tiempo mínimo de lectura de 1 min. El volumen mínimo de la preparación enzimática que se puede utilizar es de 5 l. (a) Puede el operador hacer el ensayo o debe diluír previamente la preparación? (b) En caso de que deba diluír y suponiendo que la enzima se descompone si lo hace, qué actitud debería tomar el operador? 8- Las -lactamasas son enzimas capaces de hidrolizar la penicilina según la reacción: penicilina + H 2 O ácido peniciloico. Esta reacción puede estudiarse monitoreando el descenso de absorbancia a 230 nm (coeficiente de absorción = 1,09 mm -1 cm -1 ). Se determina la actividad de -lactamasa en una muestra cuya concentración de proteína es de 20 g/ml empleando penicilina a concentración saturante (1mM) en amortiguador de ph 7 y t =30 C, observándose una diferencia en la absorbancia de 0,3 para un tiempo de 100 segundos. El volumen final en la cubeta de reacción es 2 ml, el camino óptico 1 cm y el volumen de muestra empleado es 15 l. Cuáles son la actividad en U/ml y la actividad específica de la muestra? 9- La actividad de una muestra de láctico deshidrogenasa (LDH) pura con una concentración de proteína de 2 mg/ml se ensayó por un método discontínuo (aparición de piruvato). Diez microlitros de la muestra se incubaron con concentraciones

3 3 saturantes de lactato y NAD + en un volumen final de 3 ml. Luego de 3 minutos la reacción se detuvo por la adición de 0,5 ml de DNFH (reactivo de color). Después de 10 minutos se agregaron 1,5 ml de NaOH 0,4 N y se midió la absorbancia de la hidrazona formada a 505 nm. Se obtuvo una variación de absorbancia de 0,6. Para realizar la curva de calibración de la reacción del piruvato con la DNFH se trabajó en idénticas condiciones utilizando una solución de ácido pirúvico (PM= 88) conteniendo 4,4 mg/ml. Los valores obtenidos se muestran en la tabla. Calcule el número de recambio de la LDH considerando que el PM de la enzima es y que posee dos sitios activos por molécula. ml de testigo 0,00 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 absorbancia 0,05 0,15 0,25 0,44 0,66 0, Cincuenta mililitros de un extracto libre de células que contenían 24 mg de proteína por ml del mismo y cuya actividad era de 0,08 U/ml se fraccionaron por precipitación con sulfato amónico. La fracción que precipitaba entre el 30% y 50% de saturación se redisolvió en un volumen total de 10 ml y se dializó. La disolución después de la diálisis ocupaba 12 ml y contenía 30 mg de proteína por ml. Veinte microlitros de la fracción purificada catalizaron la reacción de la fosforilasa con una velocidad de 5,9 nnmoles/minuto en condiciones de un ensayo patrón. Calcular (a) la recuperación de la enzima y (b) el grado de purificación obtenido mediante la etapa del sulfato amónico. 11- Un extracto crudo libre de células de músculo esquelético contiene 32 mg de proteína por ml. Diez microlitros del extracto catalizaron una reacción con una velocidad de 0,14 moles/min en condiciones óptimas en un ensayo patrón. Cincuenta ml del extracto se fraccionaron por precipitación con sulfato amónico. La fracción que precipitó entre el 20% y 40% de saturación se redisolvió en 10 ml. Esta solución contenía 50 mg de proteína/ml. Diez microlitros de esta fracción purificada catalizaron la reacción con una velocidad de 0,65 moles/min. Calcular (a) el porcentaje de recuperación de enzima en la fracción purificada, y (b) el grado de purificación obtenido por el fraccionamiento. 12- Se purificó una enzima obteniéndose los datos que se indican a continuación: FRACCIÓN VOLUMEN (ml) ACTIVIDAD (U/ml) PROTEÍNA (mg/ml) I 1800,0 0,23 12,5 II 75,0 3,00 14,0 III 20,0 5,00 1,0 IV 1,5 40,00 0,5 Construya una tabla de purificación. 13- Con los siguientes datos confeccione una tabla de purificación para una deshidrogenasa indicando luego: (a) Cuál es la purificación total alcanzada?; (b) Cuál es la etapa individual que dio mayor purificación? (c) Cuál es el rendimiento total? (d) Analice la tabla obtenida y señale si todas las etapas empleadas están justificadas. Fundamente su respuesta. FRACCIÓN VOLUMEN (ml) A/min PROTEÍNA (mg/ml)

4 4 Extracto crudo 1000, Sulfato de amonio 20, CM-celulosa 100, Sephadex-G25 100, Coeficiente de absorción a 340 nm = 6,2 mm -1 cm La enzima gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa (NADP + dependiente) cataliza la siguiente reacción: 1,3-bisfosfo-glicerato + NADPH + H + gliceraldehido-3-fosfato + NADP + + Pi Al purificar esta deshidrogenasa de A. nidulans, se obtuvieron por sonicación de células enteras 120 ml de un extracto crudo conteniendo 25 mg/ml de proteína y 20 U/ml de actividad enzimática. Posteriormente se realizó un fraccionamiento salino. La actividad enzimática se recuperó en la fracción % de saturación con sulfato de amonio, esta fracción se redisolvió en 40 ml dando una concentración de proteína de 20 mg/ml y una actividad de 40 U/ml. Luego se realizó una cromatografía de afinidad con Rojo Proción (análogo de NADP + ) donde la deshidrogenasa quedó unida pudiendo ser eluída con 0,7 M NaCl, recuperándose así 5 ml con una actividad de 240 U/ml y una concentración de proteína 0,4 mg/ml. Finalmente se realizó una cromatografía de exclusión molecular en Sephacryl-S300 donde se recuperaron 6 ml y 0,2 mg/ml de proteína. La actividad de la enzima fue medida como consumo de NADPH, cuyo coeficiente de extinción a 340 nm es 6200 M -1 cm -1 en un volumen de reacción de 3 ml y una cubeta de 1cm de paso de luz. El agregado de 2 l de esta última fracción produjo una disminución de absorbancia de 0,992 al cabo de 2 minutos. Construya la tabla de purificación. Indique cuál es el rendimiento y la purificación total alcanzados. Indique cuál es la etapa de mayor purificación y cuál la de mayor rendimiento. Indique si todos los pasos se justifican fundamentando su respuesta. 15- La enzima malato deshidrogenasa NADP + dependiente cataliza la reacción malato + NADP + oxalacetato + NADPH + H + A partir de 500 g de hojas de espinaca se obtuvieron 1500 ml de un extracto crudo con una concentración de proteína de 20 mg/ml. La actividad se determinó con una alícuota de 30 microlitros midiéndose por un método continuo la aparición de NADPH a 340 nm (coeficiente de absorción del NADPH= 6200 M -1 cm -1 ) en una cubeta de 3 ml y 1 cm de camino óptico obteniéndose una variación de absorbancia para 10 minutos de 1,24. Se realizó luego una cromatorafía en DEAE celulosa recogiéndose 180 ml que contenían 10 U/ml de actividad enzimática y 12,5 mg/ml de proteína. El paso posterior fue una columna de hidroxilapatita recogiéndose 10 tubos de 4 ml c/u con actividad de deshidrogenasa. La concentración de proteína en el conjunto fue de 0,94 mg/ml con una actividad de 22,5 U/ml. Como último paso se realizó una cromatografía en columna de Sepharosa 6B y se recuperó un volumen de 15 ml con una actividad de 50 U/ml y una concentración de proteína de 2,1 mg/ml. En base a estos datos construya la tabla de purificación indicando además (a) cuál es la purificación y el rendimiento total alcanzados, (b) cuál es la etapa individual de mayor purificación y cuál la de mayor rendimiento, (c) señale si todas las etapas empleadas se justifican; fundamente su respuesta. 16- A partir de un extracto libre de células se intenta purificar una enzima que cataliza la reacción: M + N R + S

5 5 La actividad enzimática se determina espectrofotométricamente aprovechando la propiedad del sustrato M de poseer un pico de absorbancia a 550 nm (coeficiente de extinción = 10,00 mm -1 cm -1 ) que desaparece cuando se produce la reacción. Esta se realiza en cubetas de 1 cm de paso de luz, en un volumen de 2 ml. En una primera etapa se realizó un fraccionamiento con sulfato de amonio. La enzima precipitó entre el 60 y el 40 % de saturación. El precipitado obtenido fue resuspendido en un buffer de fosfato de potasio 100 mm y dializado contra el mismo. En el dializado se determinó actividad enzimática obteniéndose una variación de absorbancia ( A/min) de 0,15. La concentración de proteína fue de 3 mg/ml. El volumen total dializado (100 ml) fue dividido en dos volúmenes iguales. Una de las fracciones fue sometida a filtración molecular por Sephadex G-100 mientras que la otra fue sometida a una cromatografía de intercambio iónico en DEAE celulosa. Las fracciones activas provenientes de la filtración molecular rindieron una preparación de 200 ml conteniendo 0,04 mg/ml de proteína. Del ensayo de actividad se obtuvo un A/min= 0,03. En cambio, las fracciones activas provenientes de la cromatografía de intercambio iónico rindieron una preparación de 50 ml conteniendo 0,02 mg/ml de proteína y el ensayo de actividad dió un A/min= 0,02. En todos los casos se emplearon 0,01 ml de las preparaciones correspondientes para el ensayo de actividad. (a) Calcule el rendimiento y la purificación para cada uno de los procedimientos alternativos empleados. (b) Cuál de los dos procedimientos (Sephadex o DEAE celulosa) elegiría para purificar esta enzima? Fundamente. 17- Una enzima bacteriana que metaboliza la destrucción de un antibiótico ha sido estudiada en vías de obtener un método de purificación de la misma. La enzima cataliza la destrucción del antibiótico según una reacción que puede seguirse espectrofotométricamente a 540 nm con un coeficiente de extinción de 10 mm -1 cm -1. La actividad del extracto crudo se determinó empleando una alícuota de 10 microlitros que produjo la aparición de 0,02 micromoles de producto en 5 minutos. Luego se intentaron dos protocolos de purificación a partir de un extracto crudo que tenía una concentración de proteína de 2 mg/ml en un volumen de 5 litros. La primera etapa, común a los dos protocolos, fue una precipitación con sulfato de amonio, etapa en la que se obtuvo un 60% de rendimiento y una purificación de 5 veces. El precipitado se redisolvió en 100 ml y con la mitad del material se realizó una cromatografía de afinidad seguida de una filtración por gel recogiéndose en esta última 25 ml con una actividad de 10 U/ml y una concentración de proteína de 2 mg/ml (método A). La otra mitad se sometió a una cromatografía de adsorción seguida de una de intercambio iónico obteniéndose un volumen de 5 ml con una actividad de 20 U/ml y una concentración de proteína de 1 mg/ml (método B). Calcule la actividad inicial del extracto crudo y las actividades finales obtenidas con cada método de purificación. Indique cuál método (A o B) emplearía para purificar la proteína y por qué. Qué actividad recuperaría a partir del volumen total inicial? 18- Un grupo de investigadores que están estudiando la enzima L-glutamato deshidrogenasa de una bacteria deciden realizar la purificación de la misma. Luego de varios intentos diseñan un método de purificación. En la tabla que sigue se detallan los resultados obtenidos. FRACCIÓN VOLUMEN ACTIVIDAD PROTEÍNA (ml) (U/ml) (mg/ml) Extracto crudo ,0 21,0

6 6 DEAE-celulosa ,0 16,0 Sulfato de amonio ,5 10,5 Sephadex-G ,0 2,5 Crom. de afinidad ,8 1,6 (a) Complete la tabla. (b) Se decide omitir uno de los pasos de purificación a partir de los datos obtenidos, cuál debería ser ese paso y por qué? Cuál fue el paso que produjo la mayor purificación y cuál el de mejor rendimiento? (c) Dicha enzima reduce - oxoglutarato a glutamato asociado a la oxidación de NADH a NAD +, lo que fue utilizado para seguir espectrofotométricamente la actividad de la enzima. En una preparación anterior 0,01 ml de enzima con una concentración de 10 mg/ml de proteína produjeron una variación de absorbancia de 0,125/min en condiciones óptimas. Qué actividad específica tenía esa preparación? Volumen del ensayo: 1 ml; 340 NADH: 6,22 mm -1 cm La asparaginasa cataliza la reacción: asparagina + H 2 O aspartato + H 3 N Esta enzima es usada con fines terapéuticos en caso de leucemia. Las células tumorales en rápida división necesitan cantidades mayores de asparagina que las normales. La administración de asparaginasa reduce los niveles de asparagina disponible en los individuos enfermos, lo que reprime la viabilidad del tumor. Un laboratorio farmacéutico que desea comercializar asparaginasa le encarga que realice la purificación de la enzima del hongo Boticamyces pharmaceae. A tal fin, parte de 200 ml de un extracto crudo libre de células conteniendo 20 mg/ml de proteína. Para medir actividad enzimática incuba una alícuota de 10 l del extracto con el sustrato a 37 C en 0,2 ml de medio de reacción, finalizándose ésta a los 5 min directamente por el agregado de 1 ml de reactivo de color para H 3 N. La lectura de absorbancia a 540 nm (descontando el blanco) en una cubeta de 1 cm de camino óptico fue de 0,44 ( para la reacción de color = 2200 M - 1 cm -1 ). Luego realiza un fraccionamiento salino, recuperando la asparaginasa en la fracción % de sulfato de amonio. Al redisolver esta fracción en 20 ml del buffer de purificación Ud. recupera el 95% de actividad enzimática y 3800 mg de proteína. Luego realiza una cromatografía en columna de DEAE-celulosa y recupera 80 ml que contenían 600 U de asparaginasa (U es la cantidad de enzima que produce 1 mol de H 3 N por minuto en las condiciones de ensayo) purificada 20 veces respecto al extracto crudo. Como último paso realiza una cromatografía en columna de hidroxi-apatita de la que recupera 20 ml conteniendo 0,12 mg/ml de proteína y 17 U/ml de actividad enzimática. a- Construya la tabla de purificación y analícela, indicando la purificación y el rendimiento total alcanzados. Señale la etapa de mayor purificación y la de mayor rendimiento. b- Aconseja iniciar la preparación de la asparaginasa en gran escala usando los mismos pasos de purificación o sugiere alguna modificación? Justifique su respuesta. 20- Se purificó prácticamente a homoqeneidad la dutpasa (deoxiuridinatrifosfatasa) de Escherichia coli. Esta enzima hidroliza el dutp a dump y PPi jugando un importante rol en la biosíntesis del dttp para la replicación de DNA, ya que provee el sustrato para Ia timidilato sintetasa. Las etapas del procedimiento de purificación se indican en la siguiente tabla. Complete la tabla de purificación.

7 7 FRACCIÓN VOLUMEN (ml) ACTIVIDAD (U/ml) PROTEÍNA (mg/ml) I 1690,0 0, ,0 II 340,0 0, ,0 III 440,0 0, ,0 IV 196,0 0,224 4,0 V 19,0 2,420 10,5 I = sobrenadante del lisado celular, II = fraccionamiento con sulfato de amonio, III = cromatografía en DEAE celulosa, IV = cromatografía en fosfocelulosa y V = filtración en Biogel P Se realizó la purificación de la enzima glucosa-6-fosfatasa que cataliza la siguiente reacción: glucosa-6-fosfato + H 2 0 glucosa + fosfato Se partió de 200 g de hígado bovino obteniéndose un extracto inicial de 1200 ml que tenía una concentración de proteína de 10 mg/ml. Para medir actividad enzimática se incubó una alícuota de 50 microlitros con el sustrato a 30 C en 1 ml de medio de reacción, cortándose ésta a los 10 min directamente por agregado de 2 ml de reactivo de color para fosfato. La lectura de Abs a 740 nm en una cubeta de 1 cm de camino óptico fue de 0,49 con un blanco de medida de 0,12 (el coeficiente de extinción para la reacción de color es de 3700 M -1 cm -1 ). Se realiza luego un corte con sulfato de amonio al 50 % rescatándose la fosfatasa en el precipitado. Este precipitado fue redisuelto en un volumen de 80 ml, siendo la concentración de proteína de 21 mg/ml y la actividad 6,3 U/ml. Posteriormente se realizó una cromatografía en Sephadex G-200 recogiéndose 10 tubos de 12 ml c/u con actividad enzimática. La concentración de proteína en el conjunto fue de 10,8 mg/ml y la actividad de 3,36 U/ml. Como último paso se realizó una cromatografía de afinidad y se obtuvieron 20 ml de preparación con una actividad de 7,2 U/ml y una concentración de proteína de 0,5 mg/ml. En base a estos datos construya la tabla de purificación e indique: a- Cuál es la purificación y el rendimiento alcanzado? b- Cuál es la etapa individual que proporcionó mayor rendimiento y cuál la de mayor purificación? c- Señale si todas las etapas empleadas se justifican. Fundamente su respuesta. 22- La piruvato carboxilasa (PCasa) es una enzima que usa biotina como cofactor catalizando la reacción: piruvato + ATP + HC0 3 oxaloacetato + ADP + Pi A fin de realizar la purificación de la PCasa de Eschericia coli Ud. parte de 300 ml de un extracto crudo libre de células conteniendo 1500 mg proteína. La actividad enzimática se midió por un método continuo determinando la producción de oxaloacetato a 272 nm ( 272 = 920 M -1 cm -1 ) a 30 C y en un volumen final de 3 ml. Utilizando 10 l del extracto crudo para medir la actividad Ud. obtiene un A = 0,46 luego de 5 min de reacción (medido en cubeta de 1 cm de camino óptico). Luego realiza un fraccionamiento salino, recuperando la PCasa en la fracción 30-50% de sulfato de amonio. Esta fracción se redisolvió en 5 ml del buffer de purificación que contenían 30 mg/ml de proteína y el 90 % de la actividad enzimática. A continuación realiza una cromatografía en columna de Sephadex G-200, recuperando 30 ml que contenían 150 mg de proteína y 270 U/ml (U está expresada en mol/min) de actividad enzimática. Como último paso realiza una cromatografía en columna de CM-celulosa de la que recupera 45 ml conteniendo 6750 U de PCasa purificada 900 veces respecto del extracto crudo. En base a estos datos a- Construya la tabla de purificación.

8 8 b- Analice la tabla indicando purificación y rendimiento total alcanzados, así como el paso de mayor purificación y el de mayor rendimiento. c- Indique si todos los pasos se justifican, explicando su respuesta 23- Durante la purificación de la enzima ureasa (urea + H 2 O 2 NH CO 2 ) se obtuvieron 900 ml de extracto crudo con una concentración de proteína de 3,33 mg/ml. Su actividad se siguió midiendo la disminución de absorbancia a 340 nm utilizando la reacción acoplada NH cetoglutarato + NADH + H + glutamato + NAD + ( NADH = 6200 M -1 cm -1 ). El agregado de 20 l de extracto crudo a 1 ml de la mezcla de reacción produjo una A = -0,800 en 4 minutos en una cubeta de 1 cm de paso óptico. Un corte con sulfato de amonio dio lugar a un precipitado que se redisolvió en 150 ml de buffer. De esta manera la ureasa se purificó 10 veces con un rendimiento del 82,8 %. Esta fracción se cromatografió en una columna de Sephadex G25 recolectándose 80 ml de eluato con el 90 % de la actividad de la etapa anterior conteniendo 45 mg de proteína y siendo la purificación respecto del extracto crudo de 50. Su actividad se determinó por el metodo discontínuo ( NH fenol + hipoclorito azul de indofenol ) cuya curva de calibración de NH + 4 presentó una pendiente de 0,6557 UA/ mol NH + 4. Las condiciones de la colorimetría fueron las mismas para la curva y la muestra. a) Cuál fue la absorbancia medida por este último método para la muestra si se emplearon 40 l de ureasa obtenida en la última etapa? b) Realice la tabla de purificación. 24- Su profesor de Bioquímica le ha asignado como trabajo práctico para aprobar la materia que determine la masa molecular de la -lactamasa de Azospirillum lipoferum RG20. Como material de partida le provee 25 ml de un extracto crudo obtenido por sonicación de un cultivo del microorganismo en fase logarítmica de crecimiento. Mediante una búsqueda bibliográfica Ud halla la siguiente tabla de purificación: TABLA 1: Purificación de la -lactamasa de Azospirillum lipoferum RG20. ETAPA Actividad específica (U/mg) Actividad total (U) Purificación (veces) Rendimiento (%) Extracto crudo 4 3, Ppción con sulfato de amonio 8 3, CM-Sephadex , Chromatografía de afinidad , La determinación de la actividad enzimática del extracto crudo empleando nitrocefina como sustrato ( =16000 M -1 cm -1 ) resultó en una variación de absorbancia de 0,32 en dos minutos cuando emplea 20 l de muestra (volumen de cubeta=1ml, camino óptico=1cm). Para determinar la masa molecular de la enzima realiza una electroforesis en condiciones desnaturalizantes y obtiene los resultados que se muestran. La calle A corresponde a la enzima purificada y la B a los marcadores de masa molecular: albúmina bovina sérica (67 kda), ovalbúmina (43 kda), anhidrasa carbónica (30 kda), inhibidor de tripsina (20,1 kda) y -lactalbúmina (14,4 kda). a- Cual es la actividad del extracto crudo?

9 9 b- Cuántas unidades de enzima espera obtener luego de realizar la purificación? Qué actividad específica espera obtener? c- Qué masa molecular informará?. Qué otro método podría haber usado para realizar esta determinación? A B 25- Se desea purificar una deshidrogenasa de planta (Punto Isoeléctrico 3,1) a partir de 5 litros de extracto crudo. Con el propósito de poner a punto el método de purificación se ensaya un protocolo que consta de tres etapas: fraccionamiento salino (etapa 1), cromatografía de intercambio iónico (etapa 2) y cromatografía de afinidad (etapa 3). Se midió espectrofotométricamente la actividad de muestras provenientes de cada etapa empleando 5 l de muestra, en un volumen de reacción de 1ml, durante 3 minutos a 25ºc ( 340 = 6000 M -1.cm -1 ). Los valores de variación de absorbancia obtenidos, la concentración de proteína y los volúmenes totales se muestran en la tabla. Etapa Volumen (ml) Proteína (mg/ml) A (340nm) Extracto crudo , , ,5 0, ,05 0,675 a-complete la tabla de purificación. b-indique cuál será la cantidad de enzima (U totales) y la actividad específica obtenida si purifica la enzima a partir del resto de extracto crudo. c-explique brevemente el fundamento de la cromatografía de intercambio iónico e indique qué tipo (aniónico o catiónico) emplearía para purificar la deshidrogenas del enunciado y a qué ph lo haría. 26- Su profesor de Bioquímica le ha asignado como trabajo práctico que purifique la - lactamasa de Azospirillum lipoferum RG20 y determine su masa molecular. Como material de partida le provee 25 ml de un extracto crudo obtenido por sonicación de un cultivo del microorganismo en fase logaritmica de crecimiento con una actividad de 8 U/ml y una concentración de proteína de 2 mg/ml. Mediante una búsqueda bibliográfica Ud halla un método de purificación que arroja los datos de la siguiente tabla.

10 10 ETAPA Actividad específica (U/mg) Actividad total (U) Purificación (veces) Rendimiento (%) Extracto crudo 4 3, Ppción con sulfato de amonio 8 3, CM-Sephadex , Cromatografía de afinidad , Ud realiza todos los pasos de purificación y obtiene 8 ml de enzima purificada. La determinación de la actividad enzimática de la proteína purificada empleando nitrocefina como sustrato ( =16000 M -1 cm -1 ) resultó en una variación de absorbancia de 0,48 en dos minutos cuando emplea 3 l de muestra (volumen de cubeta =1ml, camino óptico = 1cm) siendo la concentración de proteína 0,002 mg/ml. La determinación de masa molecular la realiza mediante una cromatografía de filtración molecular empleando una columna previamente calibrada según se indica en la siguiente tabla: Proteína marcadora Volumen de elución (ml)) Masa molecular (kda) Ribonucleasa ,7 Quimotripsinógeno ,0 Ovoalbúmina ,0 Albúmina ,0 Aldolasa ,2 Catalasa ,9 El volumen de elución de la proteína en estudio fue de 220 ml, el volumen total de la columna fue de 260 ml y el volumen de exclusión de 100 ml. a- Cual es la actividad específica de la enzima por Ud. purificada? b- Cual es el rendimiento y la purificación obtenidas por Ud. con respecto a los publicados? c- Qué masa molecular informará? (determinación por método gráfico) Cómo determinaría si se trata de una enzima monomérica o no? RESPUESTAS: 1- a) Las mismas. B) K eq = [A B]/ [A] [B] = 0,67/mM 2- Cubeta: 8 x 10-3 U/ml ; 3,3 x 10-3 U/mg Muestra: 8 x 10-2 U/ml ; 3,3 x 10-3 U/mg 3- a) 6 x 10-2 mm/min b) 30 nanomoles/min ml c) 0,06 U/ml 3 U/ml (ext) d) 0,15 U/mg

11 11 4- a) 5,2 moles (Se deben verificar condiciones de linealidad) b) 6 segundos 5- a) 720 s -1 ; min -1 b) 0,0014 s 6- a) 500 U/mg; 4,6 x U/mol b) min -1 c) 1,3 x 10-3 s 7- a) debe diluir b) agregar glicerol, gelatina, albúmina bovina sérica, etc. Otra forma es aumentar la concentración de sustrato en el medio de reacción U/ml ; 1100 U/mg s a) R= 88,5 % b) P= 2, a) 93% b) P= R t = 14% P t = a) 20 b) II c) 40 % d) No. Se puede eliminar la etapa III 14- R t = 30 %; P t = 750; Etapa de mayor purificación= III; Etapa de mayor rendimiento= III; se eliminaría la etapa IV 15- a) P t = 240; R t = 25 % b) la de mayor purificación es la etapa III, la de mayor rendimiento la IV c) No. Se podría eliminar la etapa IV 16- a) Filtración molecular: R= 80 %, P= 15 Intercambio iónico: R= 13 %, P= Actividad extracto crudo= 0,4 U/ml Actividades finales: Método A= 10 U/ml Método B= 20 U/ml Emplearía B Actividad recuperada= 200 U T 18- b) el paso omitido debería ser III y IV Mayor purificación= paso V Mayor rendimiento= paso IV

12 12 c) 0,2 U/mg 19- a) P t = 592; R t =35 % Mayor purificación= IV Mayor rendimiento= II b) se eliminaría la etapa II 20- P t = 4044; R t =20 % 21- a) P t = 240; R t =20 % b) Mayor rendimiento= paso III Mayor purificación= paso IV c) No. Se eliminaría la etapa III (podría dejarse para desalar la muestra) 22- b) P t =900; R t =75 % Mayor rendimiento= paso II Mayor purificación= paso IV 23- a) Abs= 0,34 b) P t = 50; R t =75 % 24- a) 0,5 U/ml b) 5125 U 2155 U/mg c) Filtración molecular U totales; 150 U/mg 26- a) 2500 U/mg b) rendimiento 20 % - menor; purificación 625- mayor c) 31000

13 13 CINÉTICA ENZIMÁTICA PROBLEMAS: 1- Utilizando la ecuación de Michaelis-Menten demuestre que v = V máx /2 cuando [S]= K m. 2- Estudiando el efecto del ph sobre la actividad de una enzima se trabajó de acuerdo a dos protocolos diferentes. En uno de ellos (A) se preincubó la enzima a distintos phs y luego se midió la actividad de la misma a ph 7. En el otro caso (B) se determinó la actividad de la enzima a distintos phs. Los resultados obtenidos se muestran a continuación. ACTIVIDAD ph Protocolo A Protocolo B 4.0 7,9 1, ,1 1, ,0 3, ,2 4, ,8 7, ,0 9, ,0 8, ,1 6, ,0 2, ,0 1, ,2 0,0 Explique el comportamiento enzimático en cada caso. 3-Una enzima posee la curva de actividad versus ph que aparece en la figura: d a c t v i d A % (a) Explique este comportamiento (b) Como probaría su hipótesis? (c) Suponga que se informó que un residuo de Asp es el responsable de una parte de esta curva de ph, cómo explicaría este comportamiento? p H

14 14 4- En la figura se muestra el comportamiento de la actividad de una enzima en función del ph. Qué aminoácidos del sitio activo serían los responsables del comportamiento observado? No tenga en cuenta el efecto de la falta de ionización causada por el medio hidrofóbico d a c t v i d A % p H 5- La actividad de una enzima se determinó a diferentes temperaturas obteniéndose los valores que se indican a continuación. Temperatura ( ) Actividad (U/ml) Cuando la enzima se preincubó a cada una de las temperaturas anteriores y su actividad se ensayó a la temperatura óptima se obtuvieron los mismos valores de velocidad, excepto para las alícuotas de enzima provenientes de la incubación a 30 C y 40 C, las que fueron significativamente menores. Con los datos anteriores, indique: a) Cuál es la temperatura óptima de reacción? b) Por qué la actividad enzimática cuando se ensayó a la temperatura óptima no fue constante para todas las muestras previamente incubadas a distintas temperaturas? 6- La K m para el etanol de la alcohol deshidrogenasa de levadura es de 1, M. Si la concentración de alcohol en el medio de reacción es de 59,2 µg/ml qué proporción de enzima estará libre y que proporción estará combinada con el sustrato?, cuando la velocidad de reacción sea igual a V max,qué valores tomarán estas proporciones? 7- Calcular qué velocidad se obtendrá en una reacción enzimática si la velocidad máxima es igual a 100 mol/min y la concentración de sustrato es a) 10 K m y b) K m /3. 8- Calcular qué concentración de sustrato expresada en función de la K m nos dará una velocidad de reacción enzimática igual al 60 % de la V max. 9- Una disolución al 1% de almidón se digiere a ph 6,7 mediante 15 µg de amilasa (PM = ). La velocidad inicial máxima de liberación de maltosa es de 8,5 mg/min. Calcular el número de recambio de dicha enzima. 10- Una enzima tiene un peso molecular de y 6 sitios activos por mólecula. La velocidad inicial de la reacción que cataliza es 12 µmoles de sustrato cada 12 min en

15 15 presencia de 18 µg de enzima. Calcule la actividad molecular por centro catalítico de la enzima. 11- Los datos de velocidad y concentración que se muestran en la tabla se obtuvieron para una enzima que cataliza una reacción S P. a- Calcular K m y V máx. b- Comprobar que la enzima sigue una cinética de saturación hiperbólica [Sustrato] M velocidad nmol/l.min 2, , , , , , , , , , Una enzima con un K m de 2, M se ensayó con las siguientes concentraciones de sustrato: (a) 2, M, (b) 6, M, (c) 1, M, (d) 2, M y (e) 5, M. La velocidad observada a 5, M fue de 128 nmol/l/min. Calcular las velocidades iniciales con las otras concentraciones de sustrato. 13- Si la concentración de enzima del problema anterior se aumentara 5 veces, cuál sería la velocidad inicial a cada una de las concentraciones dadas? y si se aumentara la concentración de sustrato cinco veces? 14- Se hicieron diez mezclas de reacción. Cada una contenía la misma concentración de enzima, a varias concentraciones de sustrato, y las velocidades iniciales se determinaron como se muestra en la tabla. Utilizando la ecuación de Lineweaver-Burk, determine gráficamente el K m y la V máx. Observe que uno de los factores críticos en la exactitud de esta determinación son las escalas seleccionadas para la ordenada y la abcisa. Cuáles son los intervalos de concentraciones de sustrato son más útiles para estas determinaciones? [Sustrato] M velocidad nmol/min [Sustrato] M 1, ,0 2, ,0 5, ,0 1, ,0 1, ,0 5, ,5 5, ,0 1, ,2 3, ,0 5, ,1 velocidad nmol/min 15- Se hicieron varias mezclas de reacción que contenían concentraciones iguales de una enzima, a las concentraciones de sustrato indicadas en la tabla y se determinaron las velocidades de reacción iniciales. Utilizando la ecuación de Eadie-Hofstee, (v = f(v/s)determine gráficamente la K m y la V máx. Cuál es la ventaja de este tipo de gráfica sobre la de Lineweaver-Burk?

16 16 [Sustrato] M velocidad nmol/min 4, ,0 2, ,0 1, ,0 5, ,0 4, ,0 2, ,0 2, ,0 16- Dos estudiantes A y B aislaron independientemente la enzima lactato deshidrogenasa de músculo de caballo que cataliza la reducción de piruvato siguiendo los mismos pasos de purificación. Una vez obtenida una solución concentrada de enzima midieron actividad en función de la concentración de sustrato obteniendo los siguientes datos: Sustrato] (M) 2, , , , , , , V A mol.min.mg V B mol.min.mg a- Sin graficar haga una estimación aproximada de K m y V máx observando los datos de A y B. Justifique. b- Intente una explicación para la discrepancia observada entre los parámetros cinéticos de A y B. c- Qué variables graficaría para obtener K m y V máx. Justifique. 17- A partir de un experimento de inhibición se obtuvieron los datos de la tabla. Mediante una gráfica de Lineweaver-Burk. Determine si el compuesto en estudio es un inhibidor competitivo o no competitivo. Determine Ki (la concentración del inhibidor es 1 M) [ Sustrato ] (moles/l) v sin inhibidor ( mol/min) v con inhibidor ( mol/min) 0, ,42 0,17 0, ,50 0,20 1, ,60 0,24 1, ,66 0,27 2, ,80 0,32 5, ,88 0, Calcule el K m y la V máx de la enzima E y de la enzima E en presencia del compuesto I a partir de los datos que se indican en la siguiente tabla: [S] (mm) 0,100 0,125 0,250 0,500 0,750 1,000 v control (U/mg) 0,154 0,185 0,250 0,345 0,370 0,400 v con inhibidor (U/mg) 0,065 0,081 0,133 0,217 0,263 0,294 Indique qué tipo de inhibidor es el compuesto agregado.

17 Sobre una enzima que cataliza la reacción S P se prueba el efecto de dos inhibidores X e Y obteniéndose los datos de velocidad que se muestran en la tabla. Determinar qué tipo de inhibidor es cada uno de ellos. Calcule K m y V máx. [S] (mm) sin agregado [x]=12 M [I]=60 M 2,00 66,67 40,00 22,22 2,50 71,40 45,45 23,81 3,33 76,92 52,63 25,64 4,00 80,00 57,14 26,67 5,00 83,33 62,50 27,77 Los datos de velocidad de están expresados en U/ml. 20- El salicilato inhibe la acción catalítica de la glutamato deshidrogenasa a) Determine el tipo de inhibición mediante el análisis gráfico de los datos de la tabla. b) Calcule la K m para el sustrato. Suponga que la concentración de salicilato se mantiene constante y es de 40 mm. [Sustrato] V (mg de producto/min) (mm) sin salicilato con salicilato 1,5 0,21 0,08 2,0 0,25 0,10 3,0 0,28 0,12 4,0 0,33 0,13 8,0 0,44 0,16 16,0 0,45 0, A partir de los siguientes datos obtenidos al estudiar el efecto de un inhibidor sobre una reacción enzimática, determine el tipo de inhibición y la K m para el sustrato. [Sustrato] (mm) V ( g de producto/min) [inhibidor] = 0mM [inhibidor]=6mm 2, , , , , Se determinaron los parámetros cinéticos de una enzima en ausencia y en presencia de una serie de compuestos, algunos de los cuales se supone podrían ser inhibidores de la misma. Los resultados obtenidos con la enzima sin agregados se detallan en la tabla 1. En la tabla 2 se presentan los valores de V máx y de K m obtenidos en presencia de los compuestos en estudio. a- Calcule los valores de V máx y de K m a partir de los datos de la tabla 1. b- Indique qué tipo de inhibidor es cada uno de los compuestos agregados. TABLA 1 [S] Act. ( M) ( mol/min/mg) 2, ,

18 18 3, , , , , TABLA 2 V max ( mol/min/mg) Compuesto K m ( M) 0,033 A 2,5 0,065 B 5,0 0,064 C 2,4 0,033 D 1,3 23- Al estudiar el efecto de una serie de compuestos sobre la enzima hexoquinasa (Glc + ATP Glc-6-P + ADP) se observó que es inhibida por piruvato. La tabla muestra los valores de actividad en mol/min obtenidos cuando se varía la concentración de sustrato y/o de piruvato. [I] (mm) [S]=1,00 mm [S]=1,82 mm [S]=2,50 mm [S]=10,00mM 0,0 1,25 2,00 2,50 5,00 0,2 0,83 1,33 1,67 3,33 0,4 0,63 1,00 1,25 2,50 0,6 0,50 0,80 1,00 2,00 0,8 0,42 0,67 0,83 1,67 1,0 0,36 0,57 0,71 1,43 En base a estos datos indique: a- qué tipo de inhibidor es piruvato b- el valor de K m c- el valor de V máx d- el valor de K i. 24- Para estudiar el efecto de una serie de compuestos sobre la actividad de una enzima se incuba la misma con los mismos durante 5 min. Luego se agrega el sustrato en la misma cubeta y se determina la velocidad inicial de la reacción. Se obtienen los siguientes resultados: Preincubación V i ( M/min) con - 10,10 A 12,5 B 9,8 C 5,30 D 0,50 Qué efecto ejerce c/u de los compuestos sobre la enzima? Cómo puede determinar si la interacción en cuestión es reversible o irreversible? 25- Se ha determinado que dos compuestos B y C son inhibidores irreversibles de la enzima E. Con el objeto de caracterizar la inactivación se realizó lo siguiente:

19 19 a- Se incubó la enzima con distintas concentraciones del compuesto en estudio durante distintos tiempos. b- Se tomó una alícuota de la mezcla anterior y se midió la actividad enzimática. Se obtuvieron los siguientes resultados: CONTROL Tiempo (min) V i (U/ml) 0 1,89 1 1,87 2 1,90 5 1, , ,89 COMPUESTO B [B]=20µM [B]=30µM [B]=50µM [B]=70µM [B]=100µM t (min)v i (U/ml) t (min)v i (U/ml) t (min)v i (U/ml) t (min)v i (U/ml) t (min)v i (U/ml) 1 1,78 1 1,74 1 1,63 1 1,55 1 1,47 5 1,34 5 1,25 2 1,40 2 1,23 2 1, , ,83 5 0,89 5 0,72 5 0, , ,57 7 0,65 7 0,49 7 0, , , , , ,17 COMPUESTO C Tiempo (min) V i (U/ml) [C]=5 M V i (U/ml) [C]=10 M V i (U/ml) [C]=20 M V i (U/ml) [C]=50 M V i (U/ml) [C]=100 M 0,5 1,68 1,59 1,55 1,51 1,47 1,45 1,0 1,47 1,34 1,29 1,21 1,15 1,13 2,0 1,17 0,96 0,89 0,76 0,72 0,66 3,0 0,89 0,68 0,60 0,49 0,44 0,41 4,0 0,72 0,49 0,42 0,32 0,27 0,25 V i (U/ml) [C]=200 M De acuerdo a los datos obtenidos qué mecanismo de inactivación puede postularse para cada uno de los compuestos? Calcule las constantes de velocidad y de equilibrio involucradas. 26- La acción terapéutica de la mayoría de las drogas actualmente utilizadas está basada en la inhibición que estas causan sobre determinadas enzimas. La quimioterapia moderna tuvo sus comienzos con el uso de las sulfas, compuestos que han sido ampliamente usados para tratar infecciones bacterianas. Las bacterias no pueden absorber ácido fólico (AF) del medio y deben sintetizarlo ya que este compuesto es escencial para el crecimiento celular porque es una coenzima de diversas vías metabólicas. La síntesis de AF involucra una serie de reacciones, entre ellas la catalizada por la enzima dihidropteroato sintetasa (DHPT STasa). La acción de las sulfas se basa en que inhiben la DHPT STasa y la bacteria queda privada de AF no pudiendo crecer y dividirse. Ya que las células del individuo infectado obtienen AF de la dieta (el AF es vitamina para el hombre) la sulfa no es tóxica en las dosis usadas. Al

20 20 estudiar el efecto de la dimetilsulfanilamida (DMSF) sobre la actividad de la DHPT STasa se obtuvieron los siguientes resultados: i- La incubación de la enzima con DMSF, seguida de diálisis por 6 horas no afectó la actividad enzimática. ii- El ensayo de actividad usando concentraciones variables de PABA (el otro sustrato se mantiene fijo y saturante) y diferentes concentraciones de DMSF resultaron los valores de velocidad que muestran en la tabla. [PABA] (mm) [DMSF] = 0 Velocidad (U/mg) [DMSF] = 16 M [DMSF]= 50 M 0,10 1,67 1,00 0,60 0,15 2,00 1,25 0,70 0,20 2,50 1,67 1,00 0,40 3,33 2,50 1,67 0,80 4,00 3,33 2,50 En base a estos datos: a- Determine qué tipo de inhibidor es DMSF y postule el modelo de inhibición correspondiente. b- Determine el K m para PABA, la V max de la DHPT STasa y el K i para DMSF. c- Indique si los niveles de PABA en la célula bacteriana afectan la efectividad de la sulfa como medicamento. Justifique la respuesta. 27- Se estudia el efecto de un compuesto I sobre la actividad de una enzima. Para ello se midió la actividad de la enzima preincubada a distintos tiempos con distintas concentraciones del compuesto obteniéndose los resultados de la tabla: [I]=1 M [I]=2 M [I]=5 M [I]=10 M t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 0 1,00 0 1,00 0 1,00 0 1,00 2 0,92 2 0,86 1 0,83 1 0,69 4 0,85 4 0,75 2 0,68 2 0, , ,50 4 0,45 3 0, , ,35 7 0,25 4 0, , , ,45 5 0,15 a- Calcular las constantes de pseudo primer orden k. b- A partir del análisis del comportamiento de k en función de [I] de los resultados obtenidos, indique qué mecanismo puede postular para la inhibición. 28- Se estudia el efecto de un compuesto I sobre la actividad de una enzima. Para ello se midió la actividad de la enzima preincubada a distintos tiempos con distintas concentraciones del compuesto obteniéndose los resultados de la tabla: [I]=1 M [I]=2 M [I]=4 M [I]=8 M [I]=14 M t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 t (min) V i /V 0 0 1,00 0 1,00 0 1,00 0 1,00 0 1,00 1 0,95 1 0,90 1 0,80 1 0,65 1 0,56 2 0,91 2 0,80 2 0,69 2 0,40 2 0,30 4 0,82 4 0,63 4 0,46 3 0,25 3 0,10 9 0,64 9 0,34 9 0,17 4 0,06 4 0, , ,19