PROYECTO DOCENTE ASIGNATURA: "Enzimología"

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1 PROYECTO DOCENTE ASIGNATURA: "Enzimología" Grupo: Grupo de TEORIA de ENZIMOLOGIA.(875483) Titulacion: LICENCIADO EN BIOLOGÍA ( Plan 99 ) Curso: DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA/GRUPO Titulación: Año del plan de estudio: Centro: Asignatura: Código: Tipo: Curso: Período de impartición: Ciclo: Grupo: Créditos: Horas: LICENCIADO EN BIOLOGÍA ( Plan 99 ) 1999 Facultad de Biología Enzimología Optativa Sin curso específico Primer Cuatrimestre 0º Grupo de TEORIA de ENZIMOLOGIA. (1) 5 50 Área: Departamento: Dirección postal: Dirección electrónica: Facultad de Biología. Avda. Reina Mercedes Sevilla PROFESORADO 1 GARCIA HEREDIA, JOSE MANUEL Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

2 OBJETIVOS Y COMPETENCIAS Objetivos docentes específicos Conocer las particularidades estructurales de las enzimas Entender la naturaleza química de las reacciones enzimáticas Comprender los mecanismos de la catálisis enzimática y las relaciones estructura-función de las mismas. Conocer el tipo de reacciones que catalizan las enzimas. Adquirir un conocimiento cuantitativo del comportamiento cinético de las enzimas y de su regulación. Obtener una visión general de las aplicaciones prácticas de las enzimas. Aprender a obtener y analizar información bibliográfica y de otros tipos, tanto a partir de fuentes locales como vía internet. Aprender técnicas de análisis enzimático. Utilizar el ordenador tanto para la visualización de la estructura de las enzimas como para la simulación y análisis de situaciones metabólicas. Competencias Competencias transversales/genéricas Capacidad de organizar y planificar Capacidad de análisis y síntesis Conocimientos generales básicos Solidez en los conocimientos básicos de la profesión Comunicación oral en la lengua nativa Comunicación escrita en la lengua nativa Conocimiento de una segunda lengua Habilidades elementales en informática Habilidades para recuperar y analizar información desde diferentes fuentes Resolución de problemas Toma de decisiones Capacidad de crítica y autocrítica Trabajo en equipo Habilidades en las relaciones interpersonales Habilidades para trabajar en grupo Habilidades para trabajar en un equipo interdisciplinario Habilidad para comunicar con expertos en otros campos Reconocimiento a la diversidad y la multiculturalidad Habilidad para trabajar en un contexto internacional Capacidad de crítica y autocrítica Compromiso ético Capacidad para aplicar la teoría a la práctica Capacidad para un compromiso con la calidad ambiental Habilidades de investigación Capacidad de aprender Competencias específicas Solidez en los conocimientos estructurales, de funcionamiento y aplicaciones de las enzimas. Capacidad para aplicar la teoría a la práctica. Habilidades para recuperar y analizar información a partir de diferentes fuentes. Capacidad de análisis y síntesis. Capacidad crítica y autocrítica. Capacidad de preparación, exposición pública y defensa de un trabajo. Habilidades en el manejo de programas informáticos específicos como herramientas de simulación y análisis de situaciones metabólicas. Capacidad de trabajo en grupo. Habilidades de investigación. Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

3 CONTENIDOS DE LA ASIGNATURA Relación sucinta de los contenidos (bloques temáticos en su caso) Introducción Estructura y función de las enzimas Cinética enzimática Regulación enzimática Aplicaciones biotecnológicas de las enzimas Problemas y técnicas Prácticas de ordenador y laboratorio Relación detallada y ordenación temporal de los contenidos TEORÍA INTRODUCCIÓN Tema 1. Introducción a la Enzimología. Definición y perspectiva histórica de las enzimas. Propiedades generales. Tipos de enzimas: enzimas clásicas; ribozimas; anticuerpos catalíticos; enzimas sintéticas. Clasificación y nomenclatura. Cofactores: iones metálicos, coenzimas, grupos prostéticos. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS ENZIMAS Tema 2. Estructura tridimensional de las enzimas. Métodos de determinación y predicción de la estructura tridimensional. Motivos y dominios estructurales. Clasificación estructural. Fuerzas que mantienen la conformación de las enzimas y factores que afectan a su estabilidad. Flexibilidad y movilidad conformacional. Enzimas de membrana. Tema 3. Organización estructural de las enzimas. Enzimas monoméricas y oligoméricas. Proteínas multienzimáticas: enzimas complejas, enzimas bifuncionales. Complejos multienzimáticos. Familias de enzimas. Evolución convergente y divergente de las enzimas. Tema 4. Principios termodinámicos y cinética química. Conceptos ermodinámicos. Equilibrio químico. Cinética química. Órdenes de reacción; constantes de velocidad. Estado de transición y energía de activación. Factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas. Efecto de la temperatura: ecuación de Arrhenius. Función de los catalizadores. Tema 5. Catálisis enzimática. Naturaleza química de las reacciones enzimáticas. Tipos de catálisis: homogénea, heterogénea y microheterogénea. Sitio activo: propiedades estructurales. Interacciones enzima-sustrato. Fuerzas que intervienen en las interacciones enzima-sustrato. Especificidad y selectividad de las enzimas. Grupos esenciales en la catálisis: identificación. Factores que intervienen en la eficiencia catalítica de las enzimas Tema 6. Mecanismos de catálisis enzimática. Catálisis ácido-base general. Catálisis covalente. Catálisis por iones metálicos. Catálisis electrostática. Tema 7. Reacciones catalizadas por enzimas I. Transferencias de grupo: hidrolasas y tranferasas. Reacciones de transferencia de grupos: hidrólisis, fosforilación, aminación y metilación. Tema 8. Reacciones catalizadas por enzimas II. Reacciones redox: potenciales de oxidación-reducción. Cofactores redox: piridín nucleótidos, flavinas, centros sulfoférricos, otros cofactores. Deshidrogenasas. Oxidasas. Monooxigenasas, peroxidasas, desmetilasas y dioxigenasas. Tema 9. Reacciones catalizadas por enzimas III. Condensaciones aldólicas y reacciones de Claisen. Substituciones nucleofílicas y electrofílicas. Carboxilaciones y descarboxilaciones. Isomerizaciones. Eliminaciones y adiciones. Reordenación molecular. CINÉTICA ENZIMÁTICA Tema 10. Reacciones monosustrato. Aproximación de equilibrio rápido: ecuación de Michaelis y Menten. Aproximación de estado estacionario. Ecuación de Briggs y Haldane. Cinética hiperbólica. Significado de vmáx, Km y kcat. Integración de la ecuación de Michaelis- Menten. Determinación gráfica de vmáx, Km y kcat. Determinación de velocidades iniciales. Tema 11. Reacciones monosustrato II. Eficiencia catalítica: constante de especificidad. Poder catalítico. Reacciones reversibles, efecto de la concentración de producto en la velocidad. Cinética enzimática in vivo : relaciones de Haldane. Ensayos enzimáticos: influencia del medio en la velocidad de las reacciones enzimáticas. Tema 12. Reacciones multisustrato. Notación de Cleland. Mecanismo secuencial: ordenado y al azar. Mecanismo ping-pong. Derivación de la ecuación de velocidad inicial. Determinación de mecanismos y parámetros cinéticos. REGULACIÓN ENZIMÁTICA Tema 13. Estrategias de regulación enzimática. Control de la cantidad de enzima. Enzimas constitutivas e inducibles. Recambio enzimático. Síntesis y degradación de enzimas. Determinación de la vida media de una enzima. Control de la actividad enzimática. Regulación de rutas metabólicas: enzimas reguladoras. Regulación por retroinhibición. Tema 14. Inhibición y activación de las reacciones enzimáticas. Tipos de inhibición: reversible, irreversible y pseudoirreversible. Inhibición reversible: competitiva, mixta, no competitiva, acompetitiva e inhibición por sustrato. Tratamiento cinético, conceptos de ki y de grado de inhibición. Inhibición irreversible. Aplicaciones biotecnológicas de los inhibidores. Inactivación de las enzimas. Activación: efecto de los iones metálicos. Tema 15. Regulación de la actividad enzimática por cambios de conformación inducidos por ligandos. Unión de ligandos a las enzimas. Representación de Scatchard. Alosterismo y cooperatividad. Ecuación de Hill. Enzimas alostéricas: definición y propiedades. Concepto de efector. Efectores alostéricos: activadores, inhibidores. Homoalosterismo y heteroalosterismo. Modelo concertado (MWC): enzimas alostéricas tipo V, tipo K y mixtas. Modelo secuencial (KNF). Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

4 Tema 16. Otros mecanismos de control de la actividad enzimática. Modificación covalente irreversible: zimógenos. Modificación covalente reversible: enzimas interconvertibles. Formas de interconversión. Cascadas de amplificación. Enzimas asociadas a macromoléculas. Isoenzimas y enzimas isofuncionales. Regulación por agregación y desagregación de enzimas. Adaptaciones evolutivas de interés en regulación APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS DE LAS ENZIMAS Tema 17. Análisis enzimático. Especificidad y sensibilidad. Determinación de actividades enzimáticas. Utilización de enzimas en la determinación de metabolitos: reacciones simples y acopladas. Enzimas auxiliares e indicadoras. Enzimoinmunoensayo: homogéneo y heterogéneo. Aplicaciones clínicas. Tema 18. Tecnología industrial de las enzimas. Producción de enzimas a gran escala. Aspectos económicos de la utilización de enzimas. Enzimas inmovilizadas. Reactores enzimáticos: tipos. Biosensores: tipos y aplicaciones. Ingeniería enzimática. Tema 19. Aplicaciones industriales de las enzimas. Utilización de enzimas en la industria alimentaria: conversión de almidón, edulcorantes, lácteos, zumos de frutas, vinos y cervezas etc. Utilización de enzimas en la industria química: detergentes, productos farmacéuticos etc. Otras aplicaciones industriales: cueros, lana, etc. PRÁCTICAS Problemas y técnicas P. y T. 1. Cinética enzimática. Cómo plantear un ensayo enzimático. Formas de determinar la actividad de una enzima. Expresión de la actividad enzimática: unidades. Representación de datos en cinética enzimática. P. y T. 2. Reacciones bisustrato. Mecanismo secuencial bi bi: ordenado y al azar. Mecanismo ping-pong bi bi. Determinación práctica y significado de los parámetros cinéticos. Representaciones secundarias. Discriminación entre mecanismos cinéticos. P. y T. 3. Inhibición enzimática. Inhibición competitiva. Inhibición no competitiva. Inactivación. Inhibición acompetitiva. Inhibición por sustrato. Representaciones gráficas y cálculo de la ki. Grado de inhibición. P. y T. 4. Enzimas con múltiples sitios catalíticos y enzimas alostéricas. Enzimas con sitios independientes. Enzimas con sitios interdependientes. Factores de interacción. Cinética alostérica, representación de Hill. Cinética sigmoidal no alostérica. P. y T. 5. Análisis enzimático. Determinación espectrofotométrica de metabolitos empleando enzimas. Reacciones acopladas. Métodos cinético y de punto final. Enzimoinmunoensayo: EMIT y ELISA. Prácticas de ordenador y laboratorio Ord. 1. Estructura tridimensional de enzimas. Bases de datos de interés en Enzimología. Ord. 2. Simulación de procesos enzimáticos y ajuste de datos cinéticos. Lab. 1. Determinación experimental de parámetros cinéticos. Lab. 2. Determinación enzimática de metabolitos. ACTIVIDADES FORMATIVAS Relación de actividades formativas del cuatrimestre Clases teóricas Metodología de enseñanza-aprendizaje: Las clases teóricas se ajustarán al programa de la asignatura, que se puede obtener en la página web del Departamento ( o en la de la asignatura ( Durante las clases los alumnos podrán interrumpir las explicaciones del profesor para solicitar aclaraciones o solventar dudas, así como para pedir información adicional. El profesor podrá requerir la participación del estudiante en las discusiones. Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

5 Prácticas Metodología de enseñanza-aprendizaje: Las prácticas constarán de dos partes: 1) Problemas y Técnicas: Estas clases (diez horas en total) seguirán el temario que forma parte del programa de la asignatura, y se intercalarán con las clases de teoría, en igual horario y aula. 2) Prácticas de Ordenador y Laboratorio: Estas clases (diez horas en total) son de asistencia obligatoria para todos los alumnos. Comprenderán dos sesiones de ordenador en el aula informática de campus 2.06 (Edificio Rojo), y otras dos de laboratorio en el Departamento (Edificio Verde 1ª planta) Exámenes Resolución de cuestiones Discusión de la solución de cuestiones Problemas y Técnicas Preparación de trabajo personal BIBLIOGRAFÍA Y OTROS RECURSOS DOCENTES Bibliografía general Artificial enzymes Breslow, Ronald Publicación: Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

6 Introduction to enzyme and coenzyme chemistry Bugg, Tim 2004 Publicación: Enzyme Technology Chaplin, M. and Bucke, C. Publicación: 1999 URL: Structure and mechanism in protein science: a guide to enzyme catalysis and protein folding Fersht, Alan. 4th. printing Publicación: Enzymatic reaction mechanisms Frey, Perry A. and Hegeman, Adrian A. Publicación: Estructura de proteínas Gómez-Moreno Calera, Carlos y Sancho Sanz, Javier, coords. Publicación: Understanding organic reaction mechanisms Jacobs, Adam. Publicación: The organic chemistry of biological pathways McMurry, John E. and Begley, Tadhg P. Publicación: Enzimología Nuñez de Castro, Ignacio. Publicación: Enzyme technology Pandey, Ashok, Webb, Colin, Soccol, Carlos R. and Larroche, Christian (Editores) Publicación: Fundamentals of enzymology: the cell and molecular biology of catalytic proteins Price, Nicholas C., Stevens, Lewis 3rd ed., 2nd reimp. Publicación: X Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

7 Enzyme kinetics: behavior and analysis of rapid equilibrium and steady state enzyme systems Segel, Irwin H. Publicación: The organic chemistry of enzyme-catalyzed reactions Silverman, Richard B. Publicación: 2002 Silverman, Richard B. Fundamentals of enzyme kinetics Cornish Bowden, Athel Publicación: Protein purification: principle and practice Scopes, Robert K. Publicación: Cálculos en bioquímica: cómo resolver problemas matemáticos de bioquímica general Segel, Irwin H. 2º ed. Publicación: Otros recursos docentes Dado el dinamismo de la asignatura, la bibliografía se va revisando de forma continua, por lo que en cada tema, si fuese necesario, se propondría bibliografía específica. En la página web de la asignatura estarán a disposición de los alumnos las transparencias y demás materiales empleados en clase, así como enlaces de interés y exámenes de años anteriores. SISTEMAS Y CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN Sistema de evaluación Examen escrito En el examen escrito se evaluará la amplitud y profundidad de los conocimientos del alumno, así como su capacidad de relación de los diferentes conceptos. trabajo de curso En el trabajo de curso, desarrollado sobre un tema acordado con el alumno de entre una lista suministrada por el profesor, se evaluará la cobertura del tema elegido mediante la búsqueda de bibliografía actualizada, la ordenación de los diferentes apartados, su desarrollo y las conclusiones alcanzadas. Igualmente se valorará la ejecución material del trabajo y su presentación y defensa. cuestiones y problemas Las cuestiones y problemas propuestos en clase se evaluarán mediante el ejercicio escrito entregado por el alumno y la defensa pública de la solución presentada. prácticas Tanto en las prácticas de laboratorio como en las llevadas a cabo en el aula informática se valorará la habilidad obtenida por el alumno para la resolución de problemas prácticos y su capacidad de análisis de los resultados, así como la presentación del informe correspondiente. Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

8 Criterios de calificación La calificación de los conocimientos del alumno se desglosa en los siguientes apartados (sobre 10 puntos): 1. El examen escrito incluirá las partes correspondientes a Teoría y a Problemas y Técnicas, y representará un máximo de 6 puntos de la nota final. 2. El trabajo individual de curso se calificará con un máximo de 2 puntos, evaluando la cobertura del tema elegido mediante la búsqueda de bibliografía actualizada, la ordenación de los diferentes apartados, su desarrollo y las conclusiones alcanzadas. Igualmente se valorará la ejecución material del trabajo y su presentación y defensa. 3. La resolución y discusión de cuestiones y problemas propuestos en clase se calificará con un máximo de un punto de la nota final. 4. Prácticas de ordenador y laboratorio: se evaluará la asistencia y participación en las mismas, así como un informe escrito presentado tras la realización de cada una de ellas. Este informe, parte integrante de cada práctica, incluirá la descripción de los ejercicios realizados así como los resultados obtenidos y un análisis de los mismos. La calificación total de las prácticas representará un máximo de 1 punto de la nota final. Para aprobar la asignatura se requiere obtener 5 puntos, de los que al menos 2,1 corresponderán al examen escrito, 0,5 a las prácticas de ordenador y laboratorio y 1,0 entre el trabajo de curso y las cuestiones y problemas. La calificación de la asignatura será la suma de los apartados anteriormente expuestos. Los exámenes finales incluirán un ejercicio de Prácticas de Ordenador y Laboratorio para aquellos alumnos que, habiéndolas realizado, no hubiesen obtenido una calificación mínima de 0,5 puntos. Excepcionalmente, se permitirá realizar este examen final de prácticas a aquellos alumnos que hubiesen faltado, de forma debidamente justificada, a una práctica como máximo. CALENDARIO DE EXÁMENES CENTRO: Facultad de Biología 1 ª Convocatoria Fecha: Aula: 30/1/2012 Hora: 9:0 Por definir CENTRO: Facultad de Biología 2 ª Convocatoria Fecha: Aula: 14/6/2011 Hora: 9:0 Por definir TRIBUNALES ESPECÍFICOS DE EVALUACIÓN Y APELACIÓN Presidente: Vocal: Secretario: Primer suplente: Segundo suplente: Tercer suplente: FRANCISCO JAVIER FLORENCIO BELLIDO FRANCISCO FERNANDO DE LA ROSA ACOSTA AGUSTIN VIOQUE PEÑA MIGUEL ANGEL DE LA ROSA ACOSTA MANUEL HERVAS MORON MARIA DE LOS ANGELES VARGAS MUÑOZ Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9

9 ANEXO 1: HORARIOS DEL GRUPO DEL PROYECTO DOCENTE Los horarios de las actividades no principales se facilitarán durante el curso. GRUPO: Grupo de TEORIA de ENZIMOLOGIA. (875483) Calendario del grupo CLASES DEL PROFESOR: GARCIA HEREDIA, JOSE MANUEL Jueves Fecha: Aula: Del 26/09/11 al 20/01/12 Hora: De 08:30 a 10:00 AULA 3.02 EDIFICIO ROJO (BIOLOGIA) Viernes Fecha: Aula: Del 26/09/11 al 20/01/12 Hora: De 08:30 a 10:00 AULA 3.02 EDIFICIO ROJO (BIOLOGIA) Curso académico: 2011/2012 Última modificación: de 9