Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas

Transcripción

1 Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas

2 Las enzimas son biomoleculas que se comportan como catalizadores muy potentes y eficaces de las reacciones químicas en los sistemas biológicos. Una enzima es una proteína con una bien definida estructura primaria y secundaria. La estructura primaria está determinada por la secuencia de los aminoácidos, en tanto que la estructura secundaria tiene que er con el arreglo en el espacio, el cual depende en gran manera de los puentes de hidrógeno. Éstas biomoléculas son estables y funcionan en condiciones muy suaes, ambiente acuoso, bajas temperaturas y en muchas ocasiones ph neutro.

3 La catálisis enzimática es esencial para los organismos ios, ya que hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones químicas, las que en ausencia de catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o ph. La actiidad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica natia. i se desnaturaliza o disocia en subunidades pierde su actiidad

4 En 89s, Emil Fischer propuso un modelo de llae cerradura para explicar la especificidad de las enzimas. uchas enzimas poseen estereo-especificidad, catalizan reacciones de sustratos en una configuración, pero no en otra.

5 Una enzima puede contener uno o más sitios actios. El sitio actio consiste solamente de unos cuantos residuos de aminoácidos y el resto de la proteína se requiere para mantener su integridad tridimensional. Carboxipeptidasa A en la hidrólisis de uniones peptídicas

6 Grafica de la elocidad de una reacción catalizada por enzima s. concentración de sustrato a b

7 ecanismo de las reacciones catalizadas por enzimas. Cinética de ichaelis-enten E E P E - 2 E enzima sustrato, E complejo enzima sustrato Para deriar una expresión de elocidad. ichaelis and enten inicialmente asumieron que el paso lento es la formación de P a partir del complejo enzima-sustrato, E. La formación de E, se considerada como un proceso de equilibrio rápido. d P 2 E dt

8 Cinética de ichaelis-enten Cuando - >> 2 La constante de disociación 2 E E P E - d P 2 E dt s E E A un tiempo corto después del comienzo de la reacción, la concentración total de enzima E E E s E ( E E ) E s E ustituyendo en la expresión de elocidad: d P 2 E dt s

9 2 E dt P d s b a Cinética de ichaelis- enten a 2 E y b s Tiene la forma de la ecuación de la hipérbola A baja concentración de sustrato, << s 2 E dt P d s La elocidad depende de la Esta ley de elocidad corresponde a la porción lineal de la gráfica de s. A alta concentración de sustrato, >> s 2 E dt P d Bajo estas condiciones, todas las moléculas de enzima están en la forma del complejo E. Consecuentemente, la elocidad es de orden cero en

10 Cinética de ichaelis-enten Cuando todas las moléculas de enzima están complejadas con el sustrato, formando E, la elocidad alcanza su máximo 2 E Representa la transición de baja a alta concentración

11 ecanismo de las reacciones catalizadas por enzimas. Cinética del estado estacionario. E E P E - En 925 Briggs y Haldane postularon que tan pronto como la enzima y el sustrato se mezclaban, la concentración del complejo E alcanzaba un alor constante, de tal manera que la aproximación del estado estacionario podía aplicarse. 2 concentración tiempo

12 Cinética del estado estacionario E E P E E E E dt E d 2 E E E E E E E dt P d ( ) / 2 2 E E E - E

13 Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas Estado estacionario: ( )/ 2 E 2 E 2 E E P 2 - s 2 Equilibrio: 2 E s s Este tratamiento define la elocidad máxima exactamente como el modelo de ichaelis enten, 2 E

14 Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas Cuando la elocidad inicial es la mitad del máximo de la elocidad 2 2 y pueden determinarse a partir de la gráfica de s

15 Gráfica Linewaer-Bur uchas eces resulta complicado localizar el alor de a altas concentraciones de sustrato. Lineweaer y Bur, propusieron un método mas fácil que consiste en hacer una gráfica de / s. /. m

16 Gráfica Eadie-Hofstee Eadie-Hofstee propusieron otro método para graficar los datos cinéticos, éste método consiste en multiplicar ambos lados de la ecuación del recíproco por Rearreglando: m

17 ignificado de Es un parámetro de afinidad con el sustrato. ientras mayor sea la unión es más débil. Representa la concentración de sustrato a la cual la mitad de los sitios actios de la enzima están ocupados por moléculas de sustrato. El alor de aría considerablemente de una enzima a otra. depende de la temperatura, la naturaleza del sustrato, ph, fuerza iónica. Por lo tanto su alor sire para caracterizar sistema enzima-sustrato en particular. Para la mayoría de las enzimas, está entre - y -7

18 ignificado de y 2 Como su nombre lo indica, elocidad que puede alcanzarse. representa la máxima De acuerdo con la ecuación, 2 E, si se conoce la concentración de enzima, se puede determinar también la constante 2. 2 es una constante de primer orden y tiene unidades de tiempo -. En cinética enzimática 2 se conoce también como número de recambio de la enzima ó constante catalítica, cat. El número de recambio de una enzima se define como el número máximo de moléculas (o moles) de sustrato que se conerten a producto por unidad de tiempo. La mayoría de las enzimas tienen números de recambio entre y 5 s - en condiciones fisiológicas.

19 Anhídrasa Carbónica CO 2 H 2 O HCO 3 H A 25 o C la anhídrasa carbónica tiene uno de los números de recambio mas altos que se conocen, 2 6 s -. Esto indica que una solución -6 de enzima puede catalizar la formación de de HCO 3 a partir de CO 2 (producido por metabolismo) y H 2 O por segundo. 2 E ( 6 s - )( -6 ) s - En ausencia de la enzima, la constante de pseudo-primer orden es.3 s -

20 Ejercicio: De oe y istiaowsy (J. Am. Chem. oc. 96, 83, 274) estudiaron la cinética de hidratación de CO 2 catalizada por la enzima anhidrasa carbónica Anhídrasa Carbónica CO 2 H 2 O HCO 3 H En esta reacción, el CO 2 se conierte en ión bicarbonato. El bicarbonato es transportado por el flujo sanguíneo y se uele a conertir en CO 2 en los pulmones, ésta reacción también está catalizada por la anhidrasa carbonica. Cuando la concentración de enzima es 2.3 n y T.5 o C se midieron las siguientes elocidades iniciales. CO 2 / m elocidad ( s - ) Determina y 2 para la enzima a esta temperatura

21 Respuesta: 4 s m 4 s 2 E s - ( ) ( )( 4 4 s 4 s 2.5 s ) m 2.5 s s 9 E 2.3

22 nhibición de las enzimas La inhibición de algunas enzimas por metabolitos específicos constituye un elemento importante en la regulación del metabolismo intermediario. Los tres tipos principales de inhibición reersible de las enzimas son: Competitia. Acompetitia No competitia Los tres tipos de inhibición se pueden distinguir experimentalmente por los efectos que produce el inhibidor en la cinética de reacción.

23 nhibición Competitia. Tanto el sustrato,, como el inhibidor,, compiten por el mismo sitio actio. Un inhibidor competitio reacciona reersiblemente con la enzima para formar un complejo enzima-inhibidor, E, análogo al complejo enzima sustrato. ecanismo: 2 E E P - E El complejo E no forma productos E E E

24 nhibición Competitia. 2 E E P - E E E Aplicando la aproximación del estado estacionario y considerando que la concentración total de enzima está dada por: E E E E Excepto que el término está modificado por: ésta ecuación tiene la misma forma que la ec. de ichaelis-enten

25 nhibición Competitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto m

26 nhibición Competitia. Ecuación de Linewaer-Bur m m m m' -

27 nhibición Competitia. E E P E Debido a que la interacción del inhibidor con la enzima es reersible: Una disminución en la concentración del inhibidor desplazará el equilibrio hacia la regeneración de la enzima libre. Dado que tanto el inhibidor como el sustrato compiten por el mismo sitio de unión, un aumento en la concentración de sustrato, proee una segunda manera de reertir la inhibición competitia. ientras mayor sea la concentración de sustrato mayor será la cantidad de complejo E.

28 nhibición No Competitia. Un inhibidor no competitio no se une al sitio actio de la enzima. E E E E E ecanismo: 2 E E P - E y E no forman productos E E

29 nhibición No Competitia. 2 E E P - E E Aplicando la aproximación del estado estacionario y considerando que la concentración total de enzima está dada por: E E E E E

30 nhibición No Competitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto

31 nhibición No Competitia. Debido a que el sustrato y el inhibidor no compiten por el mismo sitio de unión, un incremento en la concentración de sustrato no puede reertir la unión porque también se incrementaría el número de complejos que contienen inhibidor (E). El efecto de un inhibidor no competitio es reducir la concentración de complejos E que pueden dar lugar a producto. Puesto que 2 E y la concentración de enzima total disminuye debido a la formación de E, se espera que un inhibidor no competitio disminuya la.

32 nhibición Acompetitia. Un inhibidor acompetitio no se une a la enzima libre, sino al complejo enzima-sustrato, E. La unión del sustrato modifica la estructura de la enzima, de tal manera que la unión del inhibidor es posible. E E E La adición de más sustrato no reierte el efecto inhibitorio ecanismo: 2 E E P - E E no forman producto

33 nhibición Acompetitia. 2 E E P - E Aplicando la aproximación del estado estacionario y considerando que la concentración total de enzima está dada por: E E E E

34 nhibición Acompetitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto m

35 in inhibición Tipo de nhibidor nhibición competitia Efecto en la gráfica Linewaer-Bur La pendiente incrementa cuando y la ordenada se mantiene constante Efecto cinético no se modifica y incrementa con nhibición no competitia Ambas, la pendiente y la ordenada incrementan cuando disminuye con y no se modifica nhibición acompetitia La pendiente se mantiene constante y la ordenada incrementa cuando y ambas disminuyen

36 Ejercicio: Un químico midió la elocidad inicial de una reacción catalizada por enzima tanto en ausencia como en presencia de inhibidor A, en un experimento separado estudio el efecto del inhibidor B. En ambos casos la concentración del inhibidor fue 8. m / o / s - No inhibidor o / s - nhibidor A o / s - nhibidor B a) Determina los alores de y de la enzima. b) Para cada uno de los inhibidores ( A y B ), determina el tipo de inhibición y calcula el alor de en cada caso.

37 Efecto del ph sobre la actiidad enzimática La mayoría de las enzimas tienen un ph característico al cual su actiidad es máxima; por encima o por debajo de ese ph la actiidad disminuye. El ph óptimo de una enzima no es necesariamente idéntico al ph de su entorno intracelular normal, el cual puede hallarse a su ez en la pendiente ascendente o descendente de la cura. Por eso la relación ph-actiidad de una enzima puede constituir un factor en el control intracelular de su actiidad.

38 Efecto de la temperatura sobre las reacciones enzimáticas Al igual que sucede con la mayoría de las reacciones químicas, las reacciones enzimáticas incrementan su elocidad con la temperatura. La elocidad de muchas reacciones enzimáticas se duplica, aproximadamente por cada ºC de aumento de la temperatura. El pico de la gráfica al representar la actiidad catalítica respecto a la temperatura se debe a que las enzimas, al ser proteínas, se desnaturalizan por acción del calor y se inactian a partir de cierto punto. A partir de los 55-6 ºC la mayor parte de las enzimas se inactian. in embargo, las enzimas de bacterias termofílicas siguen siendo actias a temperaturas superiores a los 85 ºC.