BIOCATALIZADOR
puede ser proteína catalítica (enzima) o RNA catalítico (ribosima) - aumenta la velocidad de una reacción sin gastarse a si mismo
- su presencia no cambia la naturaleza o las características de los productos finales; - una pequeña cantidad del catalizador afecta el cambio de una gran cantidad del
sustrato;
- baja la energía de activación de una reacción;
- no cambia el equilibrio de la reacción;
k1 = 10-4 seg [P] k1 10-4 100
S P K = = = = k2 = 10-6 seg [S] k2 10-6 1
∆E
sustrato
producto
avance de la reacción (tiempo) E
Energia de activación sin
biocatalizador
Energia de activación con
• La concentración en el equilibrio de P es 100 veces la concentración de S, no importa si la enzima esta presente o no.
• La enzima es un catalizador para toda la reacción, eso significa que acelera la reacción tanto hacia adelante como hacia atrás por exactamente el mismo factor.
• La enzima acelera la llegada al equilibrio,
solamente afecta la velocidad de la reacción, no afecta el equilibrio de la reacción.
• Enzimas son biocatalizadores,
permiten las reacciones metabólicas a proceder con velocidades que son apropiadas para los requerimientos de sistemas vivos.
• Proteínas globulares: muy grandes, mucho más grandes que el sustrato
• sitio activo:
- el sitio activo ocupa una parte relativamente pequeña del volumen total de la enzima;
- el sitio activo es la entidad tridimensional formada por amino ácidos que pueden estar muy lejos en la secuencia lineal de los amino ácidos;
- el sitio activo es un bolsillo o un cerviz y generalmente se excluye el agua cuando se une el sustrato.
• altamente específica
la especificidad depende del ordenamiento preciso de los átomos en el sitio activo
hay dos modelos: “llave cerradura”, Fischer (1890)
“induced fit”, Koshland (1959) un vista más dinámica
ej. hexoquinasa
glucosa glucosa-6-P
ATP ADP
• poder catalítico
Como?
MECANISMO
El biocatalizador forma un complejo enzima/sustrato
S P
S + E [ ES ] E + P
El primer paso en la catálisis enzimática es la unión del sustrato;
Con eso se estabiliza el estado de transición que resulta en la baja de la energía de activación.
La formación del complejo enzima-sustrato
- pone los reactantes en cercanía y en la orientación apropiada - resulta en tensión de los enlaces que juntan los reactantes
ej: a) amilasa
(glucosa)n (glucosa)n-2 + maltosa
ENZIMA Biocatalizador
Incrementa la velocidad de una reacción por bajar la energía de activación, NO afecta el equilibrio!
Algunas enzimas necesitan:
parte + parte = entidad completa proteica no-proteica catalítica
apo-enzima + co-factor = holo-enzima
tres tipos de cofactor - iones inorgánicos
- grupos prostéticos - coenzimas
Muchas enzimas necesitan para su actividad eficiente otros componentes no-proteicos que se llaman co-factor, hay tres grupos
a) iones inorgánicos (ej. amilasa salival aumenta su actividad en presencia de Cl-) = co-factor
b) grupo prostético
= una co-enzima unida covalentemente
estable contra calor y de bajo peso molecular
Los cambios químicos en la co-enzima exactamente contra-balancean los que ocurren en el sustrato
Ej: AH2 enzima-FAD BH2
A enzima –FADH2 B
c) coenzima
agente de transferencia de grupos en el metabolismo intermediario
ej.: co-enzima A, ayuda a transferir unidades de acetilo O
3HC C CoA
primer paso en el ciclo de Krebs:
acetil-Co-A Co-A 2H C – COO
O = C – COO- HO – C – COO
2H C - COO- 2H C – COO
-- coenzimas muchas veces son vitaminas o las vitaminas forman parte de la coenzima ej. B2 forma parte de FAD
COMO es la relación entre la parte proteica y la parte del cofactor en la molécula entera:
¿ PROTEINA - COFACTOR ?
proteína + grupo prostético
ej: proteína + hem
a) proteína + hem hemoglobina transportador de oxigeno Fe2+ en oxihemoglobina
Fe2+ en desoxihemoglobina la oxigenación no es una oxidación
b) en la cadena respiratoria de las mitocondrias
proteína + hem citocromo transportador de electrones + e
Fe3+ Fe2+ (realmente una oxidación) ferri - e- ferro
Conclusión:
En un organismo hay varias miles de reacciones químicas diferentes, la mayoría con su propio biocatalizador específico, (enzimas) necesaria la clasificación
CLASIFICACION de ENZIMAS
Enzimas pueden tener - un nombre común (para el uso en el laboratorio) - un nombre propio
- una clasificación numérica
ATP ADP
ej: glucosa glucosa-6-fosfato hexoquinasa
a) nombre común: hexoquinasa
En 1961 se recomendó una nomenclatura sistemática para las enzimas por la comisión “International Union of Biochemistry (IUB)”
b) nombre propio: se refiere a
o sustrato(s)
o tipo de reacción
o utiliza el sufijo -asa
(1) todas las reacciónes y las enzimas que lo catalizan están divididas en seis clases y estas en subclases
- 1. oxidoreductasas - 2. transferasas - 3. hidrolasas - 4. liasas - 5. isomerasas - 6. ligasas
(2) el nombre de la enzima tiene dos partes primero: nombre(s) del sustrato(s)
segundo: tipo de reacción catalizada con la terminación –asa
(3) información adicional tiene que seguir entre paréntesis
ej: ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa
c) cada enzima tiene un numero o codigo:
ej: 2.7.1.1
Después de ver el mecanismo de una reacción catalizada por una enzima, ahora veremos la velocidad de una reacción catalizada por una enzima y como se puede influenciar la velocidad de una reacción:
CINETICA
La velocidad de una reacción catalizada por una enzima (ECR= "enzyme catalized reaction”) se mide por la cantidad de sustrato cambiado o por la cantidad de producto formado durante un periodo de tiempo.
k1 k3
S + E ES E + P k2
• Cuando se investiga el efecto de un factor sobre una ECR, todos los otros factores se mantienen constantes y a nivel optimo.
• La velocidad de la formación del complejo de enzima/sustrato puede ser afectado por
- temperatura - pH
(1) temperatura:
- la frecuencia de las colisiones E/S está determinada por la velocidad de los reactantes;
- un incremento de temperatura causa un incremento de la velocidad de los reactantes,
- una temperatura alta denatura la enzima, se destruye la estructura tridimensional y con eso el sitio activo, a pesar de que la frecuencia de las colisiones esta aumentada, no hay más catálisis.
(2) pH
- el pH del medio ambiente afecta la forma del sitio activo - enzimas tienen un valor de pH optimo
- este valor pH optimo difiere de una enzima a la otra
v
Temperatura [ºC]
37ºC
v
pH
(3) concentración de la enzima
- un incremento de la concentración de la enzima incrementa la frecuencia de las colisiones
- llega a un plateau por competencia por el sustrato
(4) concentración del sustrato:
k1 k3
S + E ES E + P k2
- al aumentar [S] aumenta la frecuencia de las colisiones E/S
- llega a un nivel de velocidad constante a alta concentración [S] porque la enzima accesible se satura
- cuando [S] es pequeña, la velocidad v de la reacción es casi linealmente proporcional al [S]
- cuando [S] es grande, v es casi independiente de [S].
v
Un simple modelo propuesto por Michaelis y Menten en 1917 explica estas características cinéticas:
k1 k3
S + E ES E + P k2
La correlación de v y [S] se presenta en la ecuación
(1) [S] k2 + k3
v = vmax y KM =
[S] + KM k1
vmax vmax [S] 2
cuando v = = vmax
2 2 [S] + KM vmax
2 vmax 2 vmax [S]
= [S] + KM
vmax 2 vmax [S] + KM
[S] + KM = 2 [S] - [S]
KM = [S]
vmax
Vmax / 2
[S] KM
Una manera más conveniente de presentar el grafico para obtener un grafico lineal es por formar los recíprocos Grafico Lineweaver Burk:
1 1 KM 1
= + . v vmax vmax [S]
La Constante de Michaelis KM es la concentración del sustrato
cuando la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima.
La Constante de Michaelis KM es la concentración del sustrato
cuando la mitad de los sitios activos de la enzima están ocupados por sustrato.
KM y vmax son los parámetros cinéticos de una ECR.
KM alto la unión del ES es mala, necesita mucho sustrato, ej.. 10-3M
KM bajo la unión del ES es buena, ej.. 10-7M
v 1
KM
1
vmax
1
vmax
KM
Lineweaver Burk
1
La velocidad de la formación del ES además puede ser afectada por inhibidores constituye el mecanismo más importante del control de la catálisis enzimática
(5) inhibidores (I)
irreversible (ej. gas toxico, álcali) I unido covalentemente al sustrato inhibición
reversibe
a) inhibición competitiva
- un inhibidor competitivo se parece al sustrato y se une al sitio activo de la enzima;
- la unión del sustrato y del inhibidor son eventos mutuamente excluyentes;
( ES o EI )
- inhibición competitiva se puede superar con una concentración suficientemente alta del sustrato.
b) inhibición no-competitiva
- un inhibidor no-competitivo baja el numero “turn over” de la enzima;
- a pesar de incrementar la concentración del sustrato no se puede superar la inhibición y no se puede llegar al vmax
- la unión de una molécula pequeña a otro sitio – no al sitio activo - de la molécula proteica es un efecto alostérico
Enzimas alostéricas muchas veces se encuentran en los puntos de control de una vía metabólica.
Un caso especial presenta la inhibición por el producto final
A --- B C D
Vimos la cinética de ECR y algunos factores que afectan la formación del complejo ES.
La influencia a enzimas permite el
CONTROL DE REACCIONES METABOLICAS que son catalizadas por enzimas.
Metabolismo = catabolismo + anabolismo reacciones degradativas reacciones sintéticas
Como son las estrategias de control de estas cientos de vías metabólicas - algunas ocurren en cada célula
(bacteria, planta, animal ej.: glicólisis)
REGULACION del METABOLISMO
Más bien se regula la enzima que el sustrato!
(1) Interacciones alostericas a la enzima
E1 E2 E3 E4
A B C D E
El primer paso irreversible (“comitted step”) en una vía metabólica es el punto de control. La enzima que cataliza la primera reacción irreversible ( = el paso
“comitted”) en una vía metabólica muchas veces es regulada alostericamente. Ej: - glicólisis (degradación de glucosa a piruvato, gana ATP)
fosfofructokinasa esta estimulada cuando conc. ATP baja e inhibida cuando conc. ATP alta
- síntesis de ácidos grasos acetil-CoA-carboxilasa
(2) modificación covalente de la enzima
a) corte especifico
la enzima existe como molécula precursora inactiva y solamente se activa después de ser procesada (cortada)
ej: tripsinogeno tripsina activa (corta en el lado carboxilo después de arg, lys)
b) fosforilación ej:
al mismo tiempo
Modificaciones covalentes de enzimas claves en el metabolismo constituyen el nivel final de cascadas de amplificación de señales vías enteras pueden ser prendidas o apagadas rápidamente con una señal muy pequeña (“gatilla”)
glicogen fosforilasa P glicogen fosforilasa glicogen
sintetasa glicogen sintetasa P
(3) nivel de la enzima
a) cantidad de la enzima muchas veces esta controlada por hormonas b) aparición de la enzima
- inducción de la síntesis de la enzima
ej. beta-galactosidasa solamente se produce cuando hay galactosa en el medio
- represión de la síntesis de la enzima
(4) compartimentalización
Muchas veces las vías degradativas / sinteticas están en diferentes compartimentos dentro de la célula.
Ej. síntesis de ácidos grasos en el citosol, degradación de ácidos grasos en las mitocondrias
(5) especialización
En eucariotas más altas en la escala evolutiva, un órgano entero puede estar especializado para algunas reacciones metabolicas especificas
