Tema 6 Enzimas Flashcards
Que es una enzima y estructura
Las enzimas son catalizadores de las reacciones químicas en sistemas biológicos. Mayoritariamente son proteínas, pero también hay ribozimas (ARN). Se caracterizan por ser muy específicas, tanto del sustrato ya que son capaces de distinguir entre estereoisómeros, como de la reacción, son eficaces a temperaturas suaves, y a niveles de pH fisiológico, y son regulables por efectores.
Las holoenzimas están formadas por la apoenzima y el cofactor o coenzima. Los grupos prostéticos son un tipo de coenzima y/o cofactor que se une covalentemente a enzima. El sustrato y cosustrato son los compuestos sobre los que actúa la enzima, y los productos el resultado de la enzima.
Una enzima es una proteína interacciona con un sustrato y la transforma. Son estereoespecíficas y distinguen entre isómeros. Tienen temperaturas y pH de trabajo fisiológicos. Su actividad se puede regular.
Hay ocasiones en las que se unen covalentemente a cofactores o coenzimas formando una holoenzima (sin el cofactor/coenzima, la parte proteica de la holoenzima se llama apoenzima).
Nomenclatura de enzimas
El nombre de la enzima se compone de tres partes: el sustrato sobre el que actúa la enzima, la acción química que catalizan, y la terminación universal −asa, en inglés −ase.
Las enzimas pueden catalizar distintos tipos de reacciones:
- Oxidorreductasas: transfieren electrones.
- Transferasas: actúan en reacciones de transferencia de grupos.
- Liasas: añaden grupos funcionales a enlaces dobles o forman enlaces dobles eliminando grupos funcionales.
- Isomerasas: transfieren grupos dentro de una molécula para crear forman isoméricas.
- Ligasas: forman enlaces de carbono con distintos compuestos en reacciones de condensación asociadas a ATP.
- Hidrolasas: catalizan hidrólisis.
Centro activo
El centro activo de un enzima es el sitio de unión del enzima con el sustrato y el lugar donde tiene lugar la catálisis.
El centro activo es una pequeña parte de la estructura proteica que aparece como hendiduras en la enzima.
Su estructura tridimensional es complementaria directa o inducida al sustrato con el que establece interacciones específicas con el sustrato. La unión del enzima y el sustrato se encuentra controlada por fuerzas no covalentes, como las interacciones hidrofóbicas, las fuerzas de Van der Waals, las interacciones electrostáticas o los puentes de hidrógeno.
Es necesaria la complementariedad espacial entre E y S y se darán interacciones no covalentes específicas entre ambas. La complementariedad espacial entre el sustrato y el centro activo ayudan a las cargas a maximizar las interacciones entálpicas.
- Fischer pensaba que el sustrato y la enzima eran directamente complementarios. Sin embargo, son complementarios mientras interaccionan. Es decir, la enzima es complementaria con el estado de transición.
Catalisis
Todos los sustratos y los productos tienen una energía ligada. En las reacciones exergónicas, la energía del sustrato es mayor que la energía de los productos, por lo que se libera energía.
Sin embargo, para que se produzca la reacción, por muy exergónica que sea, se necesita alcanzar una energía
denominada energía de activación, que es superior a la del sustrato.
Los enzimas, al interaccionar con el sustrato generan le complejo enzima−sustrato, que minimiza el estado de transición del sustrato, es decir, disminuye la energía de activación para que la reacción tenga lugar.
Los enzimas catalizan las reacciones, es decir, aumentan la velocidad de reacción debido a que reducen la energía de
activación mediante la formación de intermedios de reacción.
La energía de fijación se debe a las interacciones débiles de naturaleza no covalente que se producen entre el enzima y el sustrato, que son óptimas con el estado de transición.
La energía de fijación se opone a la energía de activación, y determina la especificidad y el proceso catalítico.
La constante de velocidad (k) se relaciona con la energía de activación por la ecuación de Arrhenius.
La constante de velocidad y la energía de activación se relacionan inversa y exponencialmente. De manera que, a menor energía de activación, mayor velocidad de reacción. Los enzimas no afectan al equilibrio, sino que influyen en la velocidad de reacción.
Factores que contribuyen a la eficacia catalitica
Energía de fijación proporciona especificidad y catálisis: efectos de proximidad y orientación de orbitales; efectos de desolvatación (quitar el agua para facilitar entrada en el centro activo); encaje inducido y distorsión de enlaces; y los grupos funcionales de CA acomodan y estabilizan estados de transición inestables.
▪ Efectos de proximidad y orientación de orbitales.
▪ Desolvatación del sustrato, que facilita las interacciones no covalentes con la parte hidrofóbica del centro
activo, y las interacciones entre cosustratos. Los sustratos entran siempre desolvatados al enzima.
▪ Encaje inducido, del sustrato en el enzima o del enzima en el sustrato, y distorsión de enlaces.
▪ Los grupos funcionales del centro activo acomodan y estabilizan estados de transición inestables. La
máxima complementariedad entre el centro activo del enzima y el sustrato se da cuando el sustrato se
encuentra en el estado de transición. Si el estado de máxima complementariedad entre el centro activo y el
sustrato fuera en el centro activo del enzima, no se podrían producir cambios en el sustrato.
Grupos catalíticos específicos crean rutas de menor energía de activación:
catálisis ácido-base, catálisis covalente y catálisis por iones metálicos.
▪ Catálisis ácido−base: los residuos del centro activo pueden comportarse como ácidos o como bases.
▪ Catálisis covalente por nucleófilos: el complejo enzima sustrato con mayor probabilidad puede alcanzar el
estado de transición.
▪ Catálisis electrostática por iones metálicos.
Mecanismo de acción de enzimas
○ Un enzima puede unir dos sustratos y orientarlos de forma que se cree un ambiente óptimo donde la reacción pueda ocurrir.
○ La unión entre un enzima y el sustrato puede hacer que se reorganicen los electrones del sustrato creando cargas parciales positivas y negativas que favorecen la reacción.
○ La enzima puede hacer que el sustrato tome la forma que debe tener en el estado de transición para favorecer la reacción.
Proximidad y orientación orbital (entropico)
Es importante ya que el sustrato pierde la capacidad de giro y queda inmovilizado y orientado en una determinada posición.
Dihidrofolato reductasa: NADP+ y tetrahidrofolato (grupo metilo requerido para la síntesis de novo de purinas)
Desolvatacion del sustrato
Siempre los sustratos entran desolvatados. Debido a este fenómeno hay un gran componente entrópico.
Facilita interacciones no covalentes con bolsillo hidrofóbico del centro activo.
Ajuste inducido
Al entrar en el centro activo, el sustrato es distorsionado.
También se da que el sustrato distorsione el centro activo del enzima al entrar. Por ejemplo, la hexoquinasa.
Grupos funcionales del CA
Estos grupos acomodan y estabilizan estados de transición inestables.
La complementariedad es máxima con el estado de transición del sustrato.
Inhibidor análogo del estado de transición del enzima AroQ:
Corismato mutasa (AroQ) está implicada en la biosíntesis de aminoácidos F, Y y W. Animales no expresan la proteína y se utiliza como diana terapéutica para combatir al Mycobacterium tuberculosis.
Catálisis ácido base general
Catálisis ácido base general. Glu y Asp pueden ceder protones. Lys o Arg pueden ceder o tomar protones. Lo mismo ocurre con Cys, el imidazol de His, el hidroxilo de Ser o el de Tyr. Estos R pueden estar en el centro activo de la enzima y atacar al sustrato.
También se da la catálisis por nucleófilos: complejo ES con mayor probabilidad de alcanzar el estado de transición.
Por último, existe la catálisis electrostática y por iones metálicos: carboxipeptidasa A y anhidrasa carbónica.
Las enzimas casi siempre necesitan grupos funcionales auxiliares. La especificidad es exclusiva de la enzima y no del
grupo funcional. Estos se llaman coenzimas, son portadores transitorios de átomos o grupos funcionales específicos en la acción del E; y están implicadas en activaciones y transferencias.
Las vitaminas son precursores de coenzimas.
Coenzimas vitaminas
Los enzimas suelen requerir de grupos funcionales para realizar su función, sin embargo, la especificidad la siguenaportando los enzimas y no los grupos funcionales.
Las vitaminas son precursores de coenzimas, que son los portadores transitorios de átomos o grupos funcionales
específicos en la acción del enzima.
Las vitaminas más frecuentes como precursores de coenzimas son las del grupo B.
Cinética enzimatica
La cinética estudia la velocidad con la que reaccionan dos productos. La velocidad de las reacciones enzimáticas se
ve afectada por el enzima que intervenga, el sustrato sobre el que actúe, de los efectores, y de la temperatura.
En una reacción catalizada, la velocidad de reacción empieza siendo muy alta, pero luego va disminuyendo. Si se representa la velocidad de reacción frente a la concentración de sustrato, pueden obtenerse curvas que describen la velocidad de la reacción.
Para calcular la velocidad inicial, se representa la tangente de estas curvas.
Si se representa la velocidad inicial de la reacción frente a la concentración de sustrato, aparece una hipérbola, donde puede verse que a medida que aumenta la cantidad de sustrato, la velocidad de reacción se hace constante, mientras que cuando menor es la concentración de sustrato, más rápido aumenta la velocidad de reacción.
Que sea una hipérbola indica que la reacción se satura, es decir, para una cantidad de enzima, hay una velocidad de reacción que no se puede sobrepasar.
De esta representación obtenemos dos parámetros: la velocidad máxima y la constante de Michaelis−Menten.
Menten y Michaelis desarrollaron el mecanismo del complejo enzima sustrato. Una reacción enzimática es afectada por la enzima, el sustrato, modulada por efectores (reguladores, pH) o por la temperatura.
Al principio la reacción es muy rápida y luego la velocidad disminuye. Inmediatamente se empieza a formar producto y esto limita la velocidad de la reacción (equilibrio).
Además, la velocidad se mide para una concentración de sustrato determinada. Se representa la tangente para calcular la velocidad inicial (cuando no hay producto).
Representamos la velocidad inicial respecto a la concentración de sustrato y obtenemos una hipérbola.
Hay dos parámetros importantes. La velocidad máxima y la K de Michaelis-Menten. Esta constante es una constante de proporcionalidad que indica la probabilidad de la reacción. ES es el intermediario y hay un estado estacionario.
Tres supuestos cinética resumen
- Siempre medimos la velocidad inicial (la tangente en el origen, pendiente máxima). Se trabaja con velocidad inicial para que k4 no participe, es decir el complejo ES solo depende de k1 y K4 no interviene.
Descomposición [ES] = - d[ES]/dt = k2 ·[ES] + K3 ·[ES] = (k2+k3) ·[ES]
- La concentración de ES es constante, estado estacionario. Tanto se forma como se deforma.
- La concentración de sustrato es mucho mayor que la de enzima (saturación de la enzima por completo)
Por lo tanto, podemos deducir que la velocidad máxima es k3. [Et]. Es decir, la velocidad máxima depende de la concentración de enzima. Sabiendo Km y Vmáx podemos saber la velocidad inicial para una determinada concentración de sustrato.
Formula de la velocidad inicial. Ecuación de Michaelis-Menten, la ecuación de una hipérbola. Representa la relación entre la velocidad inicial (vo) y la concentración de sustrato. Permite, conociendo los valores de Km y Vmax, predecir la velocidad de una reacción para cualquier [S]
Nos permite obtener los parámetros cinéticos que definen a cualquier enzima (Vmax y Kcatalítica y Km).
Supuestos explicados
Sólo se estudian velocidades iniciales, donde la concentración de productos es muy pequeña. Por lo que la formación del complejo enzima−sustrato solo depende de una constante de velocidad.
- La concentración del complejo enzima−sustrato permanece constante.
- La concentración de sustrato es mucho mayor que la concentración de enzima.
La velocidad máxima (v max) es una constante a una concentración concreta y constante de enzima, de manera que,
si tenemos el doble de concentración, la velocidad se duplicará.
Es la asíntota a una elevada concentración de sustrato. Las unidades se expresan en concentración/tiempo.
Vmax: es constante a una [E] fija, se mide en concentración/tiempo
U es la cantidad de enzima que transforma 1 micromol de sustrato por minuto. La actividad específica es U/mg de
proteína, es decir, micromol/min/mg prot.
U = cantidad de E que transforma 1 micromol de S por minuto)
Actividad específica: U/mg de proteína, micromol/min/mg prot
Kcat es una constante catalítica. Nos da una medida de la actividad catalítica potencial máximo del enzima, como del
número de moléculas transformadas por centro activo y por unidad de tiempo.
Kcat: constante catalítica o número de recambio, equivale a la constante de velocidad k3 para la descomposición de ES en producto. Siempre suponemos la saturación de la enzima.
V= Vmax = k3 ·[Et] →kcat = k3 = Vmax / [Et]
Km es la concentración de sustrato que determina una velocidad inicial igual a la mitad de la Velocidad máxima. Es la constante de disociación aparente del complejo enzima−sustrato. Tiene unidades de concentración.
Es un parámetro fijo del enzima para un sustrato concreto en condiciones definidas de pH y temperatura.
Km: concentración de sustrato que determina una Vo mitad de la Vmáx (se mide en unidades de concentración). Es la constante de disociación aparente del complejo ES. Es un parámetro fijo de E para un S en condiciones definidas de pH y Temperatura.
Independiente de [E]. Km = (k2+k3) /k1= ([E]•[S]) /[ES]
- Se suele emplear para definir la afinidad del E por S, sólo es válido si k3«_space;k2 Cuanta más baja sea Km, mayor afinidad.
- Se suele emplear el cociente kcat/Km, llamado constante de especificidad, para comparar la eficiencia catalítica de distintas enzimas.
