Enzimas y catálisis Patricio Muñoz Torres patricio.munozt@gmail.com Energía y enzimas: bioenergética n Los organismos obtienen su energía de la luz o de compuestos químicos y la conservan en forma de ATP. n Energía: capacidad de realizar trabajo. n Las reacciones químicas van acompañados de cambios energéticos, donde se libera parte de la energía como calor. n Energía libre: energía liberada que es utilizable para realizar un trabajo. Se abrevia como G y un cambio de energía como ΔG (el superíndice indica que la reacción ocurre a 25 C, ph 7 y la concentración de reactantes y productos es 1 M. Unidades: kcal/mol o J/mol. n Para la reacción: A + B C + D Si ΔG es negativo, la reacción ocurre espontáneamente, liberándose energía y se denomina exergónica. La célula la almacena en forma de ATP. Si ΔG es positivo, la reacción requiere energía y se denomina endergónica. La célula la utiliza ATP. Si ΔG es cero, la reacción está en equilibrio.
Energía y enzimas: biocatálisis n El término ΔG nos indica si una reacción ocurre o no, pero no nos da información de la velocidad de la reacción. n Para que una reacción ocurra los reactantes deben ordenarse para formar y romper enlaces. La energía para que ocurra este proceso se denomina energía de activación (energía necesaria para llevar a cabo una reacción). Energía y enzimas: biocatálisis n En sistemas biológicos la catálisis es llevada a cabo por las enzimas. n Las enzimas disminuyen la energía de activación de una reacción, aumentando la velocidad de la reacción. Facilitan la catálisis sin consumirse ni modificarse. n Las enzimas son altamente específicas y por lo general, llevan a cabo una reacción. n La porción de la enzima que lleva a cabo la catálisis se llama sitio activo.
Catalizadores Biológicos: Enzimas Biomoléculas. Principalmente proteínas. Su ac5vidad depende de su integridad estructural. Las enzimas pueden acelerar las reacciones a velocidades de 10 16 sobre reacciones no catalizadas. Enzimas Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción NO AFECTAN EL EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN Las enzimas son muy específicas S P E + S ES E + P Ventajas Aceleran las reacciones más que los catalizadores químicos Son específicas Se reutilizan Se pueden regular
Enzimas Clasificación de las Enzimas
Enzimas SITIO ACTIVO SITIO DE UNIÓN SITIO CATALÍTICO Área que mantiene al sustrato unido. Interacciones débiles no covalentes En las interacciones participan los grupos R de los aa. Es específico para el sustrato Lugar donde ocurre la reacción Grupos prostéticos y enzimas conjugadas Un cofactor o coenzima puede ser una molécula orgánica u organometálica, o un metal iónico.
Modelos de Especificidad Enzimática Modelo de Fischer Llave y Cerradura Modelo de Koshland Ajuste Inducido Acción de la Enzima ENZIMAS AUMENTAN LA VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN DISMINUYENDO LA ENERGIA DE ACTIVACIÓN
Gráfico de Coordenadas de Reacción Acción de la Enzima Energía de activación Nivel de energía Libre inicial Nivel de energía libre final
Efecto del ph sobre la Actividad Efecto de la Temperatura sobre la Actividad
Cinética Enzimática Estudio del mecanismo de acción de una enzima. Involucra la reacción de un sustrato (S) con una enzima (E) para formar inicialmente el complejo ES. Este complejo puede descomponerse para formar producto (P) más enzima (E) o volver a recuperar los sustratos. (estado de transición) Energía de activación -ΔG Tipos de Cinética Las reacciones enzimáticas se ajustan a dos tipos de cinéticas, que son: Hipérbolas rectangulares: Enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten Sigmoidales: Enzimas alostéricas (cambio conformacion) que muestran fenómenos de cooperatividad.
Tipos de Cinética Teoría de Leonor Michaelis y Maud L. Menten 1913 (ecuación de Michaelis-Menten). Hipérbolas rectangulares: Enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten Proponen una ecuación que explica el comportamiento cinético de las enzimas. Cinética Michaeliana Factor clave que afecta la tasa de reacción catalizada por E es la concentración de sustrato [S]. Como [S] varía en el tiempo, la aproximación mas simple es medir la velocidad inicial de la reacción (V 0 ), donde la [S] es mucho mayor que la concentración de enzima [E], [S]= constante. Proceso cíclico (se recupera la enzima) a baja [S] V 0 aumenta casi linealmente al aumentar [S]. Proceso saturante (alta [S]), número limitado de sitios en la enzima para fijar sustrato. Cuando todos los sitios están ocupados, la velocidad permanece constante.
Ecuación de Michaelis-Menten Se asume que: En estado estacionario, la formación de ES es igual a su desaparición K 1 [E] [S] = (k -1 + k 2 ) [ES] Y además, [E] = [E] T -[ES] Reemplazando y reordenando, tenemos que Ecuación de Michaelis-Menten En condiciones Michaelianas, la velocidad de la reacción está dada por: Y acabamos que deducir que: V 0 = k 2 [ES] Entonces, reemplazando [ES] tenemos que: V 0 = k 2
Ecuación de Michaelis-Menten V 0 = k 2 La velocidad máxima de la reacción se dará cuando [E] T = [ES], entonces: V 0 = k 2 [ES] V máx = k 2 [E] T Entonces, reemplazando tenemos que: Ecuación de Michaelis- Menten Gráfica de Michaelis-Menten Gráfica de Velocidad Inicial (V 0 ) versus Concentración de Sustrato [S] A bajas [S], V 0 aumenta casi linealmente a medida que aumenta la [S] A altas [S], V 0 aumenta en pequeñas cantidades cada vez, hasta alcanzar una región tipo plateau, conocida como velocidad máxima (V máx ) K m (constante de Michaelis): [S] correspondiente a la mitad de la V máx
Gráfica de Michaelis-Menten Sustrato menos afín a la enzima Sustrato mas afín a la enzima Significado de Km: Concentración de S a la cual se alcanza la mitad de Vmax. Constante de equilibrio (disociación del complejo ES) Medida inversa de la afinidad de la enzima por el sustrato Se mide en unidades de concentración. Número de Recambio Número de moléculas de sustrato convertidas en producto en una unidad de tiempo, por una molécula de enzima cuando la enzima está saturada de sustrato. K cat = V max / [E T ]
Parámetros Enzimáticos Km (constante para cada enzima) : [S] en la que Vo = Vmax/2. Medida de la afinidad de la Enzima por el Sustrato. Cuando menor es Km, mayor es la afinidad de E por S. Kcat (constante para cada enzima): Número de recambio Número de moléculas de S convertidas en P por molécula de E y unidad de tiempo, en condiciones saturantes. Vmax : Velocidad máxima teórica Velocidad cuando todos los sitios activos están ocupados con sustrato. Eficiencia catalítica: Eficiencia con la que una enzima convierte un sustrato en producto. Se calcula Kcat/Km Inhibidores Agentes moleculares que interfieren con la catálisis enzimática, disminuyendo o deteniendo la reacción. Pueden ser: - Reversibles: Forman enlaces débiles y se disocian fácilmente de la enzima. Ésta es inactiva sólo cuando el inhibidor está presente. - Irreversibles: Modifican permanentemente a la enzima al unirse covalentemente.
Inhibidor Competitivo Similar al sustrato, por lo tanto compite por el sitio de unión en la enzima. Se une al sitio activo de la enzima libre. El inhibidor aumenta la K m, pero la Vmax sigue siendo la misma. La inhibición se puede superar aumentando la [S] Inhibidor No-Competitivo Interactúa con una parte que es importante para la función de la enzima, pero no impide la unión del sustrato al sitio activo. Se une a la enzima o al complejo ES El inhibidor reduce la V max, pero la Km sigue siendo la misma.
Inhibidor Acompetitivo Solo se une al complejo ES Con I El inhibidor reduce la V max y la K m. Mecanismos de Regulación Enzimática
Regulación por Modificación Covalente + ATP Quinasa Fosfatasa P + ADP Inactiva Activa La modificación covalente puede inhibir o activar a una enzima. Regulación por Retroalimentación La retroalimentación o feedback puede ser positiva (activa una ruta metabólica) o negativa (inhibe la ruta).
Regulación por Retroalimentación Zimógeno Un zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo, es decir, no cataliza ninguna reacción como hacen las enzimas. Para activarse, necesita de un cambio bioquímico en su estructura. cataliza la ruptura hidrolítica de enlaces peptídicos adyacentes a r e s i d u o s aminoacídicos aromáticos.
Zimógeno Regulación Alostérica La alostería es un modo de regulación de las enzimas por el cual la fijación de una molécula en una ubicación (sitio alostérico) modifica las condiciones de fijación de otra molécula, en otra ubicación distante (sitio catalítico) de la enzima. Unión reversible y no covalente de un modulador alostérico. Puede ser un metabolito o un cofactor.
Regulación Alostérica Un modulador alostérico puede ser un inhibidor o un estimulador. En las mayoría de las enzimas alostéricas, el sitio de unión del modulador es distinto al sitio de unión del sustrato. Regulación Alostérica
Muchas gracias Patricio Muñoz Torres patricio.munozt@gmail.com