Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas

Transcripción

1 Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas

2 Ø Las enzimas son biomoleculas que se comportan como catalizadores muy potentes y eficaces de las reacciones químicas en los sistemas biológicos. Ø Éstas biomoléculas son estables y funcionan en condiciones muy suaes, ambiente acuoso, bajas temperaturas y en muchas ocasiones ph neutro. Ø 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.

3 Las enzimas son biomoléculas, típicamente proteínas, frecuentemente asociadas con moléculas orgánicas pequeñas y/o iones metálicos conocidos como cofactores Estructura secundaria de las proteínas lámina plegada beta hélice alfa

4 Estructura terciaria de las proteínas Corresponde a la forma que adopta la cadena polipeptidica y está determinada por cuatro factores principales: Puentes de hidrógeno entre grupos R de subunidades de aminoácidos en asas adyacentes de la misma cadena del polipéptido lámina plegada beta Atracción iónica entre grupos R con cargas positias y negatias Enlaces disulfuro (---) entre los átomos de azufre de dos subunidades de cisteína. hélice alfa nteracciones hidrófobas deriadas de la tendencia de los grupos R no polares para asociarse hacia el centro de la estructura globular

5 Ø La actiidad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica natia. Ø i se desnaturaliza o disocia en subunidades pierde su actiidad

6 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.

7 Ø 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

8 Grafica de la elocidad de una reacción catalizada por enzima s. concentración de sustrato E cte a b

9 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 considera como un proceso de equilibrio rápido. d P 2 E dt

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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 2 dp E dt

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

16 ignificado de 2 Ø es un parámetro de afinidad con el sustrato. ientras mayor sea la unión es más débil. Ø El alor de aría considerablemente de una enzima a otra. Ø depende de la temperatura, la naturaleza del sustrato, ph, fuerza iónica. Por lo tanto su alor sire para caracterizar sistema enzima-sustrato en particular. Ø Para la mayoría de las enzimas, está entre - y -7.

17 ignificado de y 2 Ø Como su nombre lo indica, representa la máxima elocidad que puede alcanzarse. Ø De acuerdo con la ecuación, 2 E, si se conoce la concentración de enzima, se puede determinar también la constante 2. Ø 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. Ø El número de recambio de una enzima que está relacionada con el número máximo de moléculas (o moles) de sustrato que se conierten a producto por unidad de tiempo. La mayoría de las enzimas tienen números de recambio entre y 6 s - en condiciones fisiológicas.

18 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 -

19

20 Cinética de ichaelis-enten Determinación de la elocidad máxima ( ) y de la constante catalítica ( 2 ) a partir de la gráfica de s 2 E

21 Cinética de Reacciones Catalizadas por Enzimas Ø Cuando la elocidad inicial es la mitad del máximo de la elocidad 2 2 pueden también determinarse a partir de un gráfico de s

22 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

23 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

24 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 está catalizada por la anhidrasa carbónica. Cuando la concentración de enzima es 2.3 n y T.5 o C se midieron las siguientes elocidades iniciales. elocidad ( s - ) CO 2 / m Determina y 2 para la enzima a esta temperatura

25 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

26 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: Ø Competitia. Ø Acompetitia Ø No competitia Los tres tipos de inhibición se pueden distinguir experimentalmente por los efectos que produce el inhibidor en la cinética de reacción.

27 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

28 nhibición Competitia. E E P E Debido a que la interacción del inhibidor con la enzima es reersible: Ø Una disminución en la concentración del inhibidor desplazará el equilibrio hacia la regeneración de la enzima libre. Ø 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.

29 nhibición Competitia. 2 E E P - E E E

30 nhibición Competitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto m x y b

31 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

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

33 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

34 nhibición No Competitia. E E P - 2 E E

35 nhibición No Competitia. Ø 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). Ø El efecto de un inhibidor no competitio es reducir la concentración de complejos E que pueden dar lugar a producto. Ø 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.

36 nhibición No Competitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto

37 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

38 nhibición Acompetitia. E E P - 2 E

39 nhibición Acompetitia. Ecuación de Linewaer-Bur intercepto m

40 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.