FUNCIÓN DE LAS PR DE L O AS PR TE O ÍNAS

Texto completo

(1)

FUNCIÓN

DE LAS PROTEÍNAS

DE LAS PROTEÍNAS

(2)

PROTEÍNAS.- PUEDEN DESEMPEÑAR DIVERSAS FUNCIONES

BIOLÓGICAS

a) Enzimas.- Actividad catalítica

b) Hormonas

c) Anticuerpos

d) Receptores en membranas

Reconocimiento específico

de ligandos, sin transformarlo

d) Receptores en membranas

e) Unión de alguna especie

para transporte

f) Acarreadores en membranas:- reconocimiento, transporte y a

menudo, actividad catalítica

g) Estructurales.- Andamios moleculares

(3)

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS DE ACUERDO A SU

NIVEL DE ESTRUCTURACIÓN:

PROTEÍNAS FIBROSAS

.- Constan mayoritariamente de un único tipo de estructura secundaria (a-QUERATINA, COLÁGENO)

DAN SOPORTE, FORMA Y PROTECCIÓN EXTERNA

PROTEÍNAS GLOBULARES.- Contienen varios tipos de estructura

secundaria (MIOGLOBINA)

SON ENZIMAS Y PROTEÍNAS REGULADORAS

(4)

UNA FUNCIÓN IMPORTANTE QUE PUEDEN DESEMPEÑAR

LAS PROTEÍNAS ES LA CATÁLISIS DE LAS REACCIONES

EN SISTEMAS BIOLÓGICOS:

ENZIMAS

ENZIMAS

(5)

LA

ACTIVIDAD CATALÍTICA

DEPENDE

DE LA INTEGRIDAD DE SU

CONFORMACIÓN

PROTEICA NATIVA

ADEMÁS PUEDEN REQUERIR DE OTROS COMPONENTES

QUÍMICOS ADICIONALES

(6)

LOS ENZIMAS CATALIZAN REACCIONES DE MANERA EFICAZ Y ALTAMENTE ESPECÍFICA

INTERACCIÓN PRECISA DEL ENZIMA-SUSTRATO

COMPLEJA ESTRUCTURACIÓN PROTEICA

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(8)
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QUIMOTRIPSINA LIBRE

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(11)

ATAQUE NUCLEOFÍLICO SOBRE EL CARBONILO DEL ENLACE PEPTÍDICO

INTERMEDIARIO TETRAHEDRICO DE VIDA CORTA

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(13)
(14)
(15)

LAS PROTEASAS O PROTEINASAS O PEPTIDASAS

ENZIMAS QUE ROMPEN ENLACES PEPTÍDICOS DE OTRAS PROTEÍNAS

SERIN-PROTEASAS ZINC-PROTEASAS ASPARTIL-PROTEASAS CISTEIN-PROTEASAS

ROMPEN EN SITIOS ESPECÍFICOS PROTEASAS DE SERINA

Tienen prácticamente el mismo mecanismo catalítico Contienen la tríada catalítica: Ser, Asp, His

TRIPSINA rompe después de una Arginina o Lisina

QUIMOTRIPSINA rompe después de un aminoácido con R hidrofóbico SUBTILISINA rompe después de un aminoácido con un R pequeño no polar

(16)

MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA

1.- CATÁLISIS ÁCIDO – BASE

2.- CATÁLISIS COVALENTE

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AMINOÁCIDOS IMPLICADOS EN CÁTALISIS ÁCIDO-BASE GENERAL

RESIDUO ÁCIDO GENERAL BASE GENERAL

DE AMINOÁCIDO (DADOR DE H+) (ACEPTOR DE H+)

CÁTALISIS COVALENTE

AMINOÁCIDOS Y COFACTORES SIRVEN COMO NUCLEÓFILOS PARA FORMAR

(18)

ESTABILIZACIÓN DEL ESTADO

DE TRANSICIÓN EN LAS

(19)

CARBOXIPEPTIDASA A CATÁLISIS

EL MECANISMO ES CONCERTADO (VARIOS FENÓMENOS

(20)

Sitio activo

o

Sitio catalítico

Región tridimensional de la proteína

Une al sustrato específicamente, mediante un

reconocimiento estructural complementario

Es una región pequeña comparada con la magnitud

total de la proteína

Es una hendidura en la estructura de la enzima, localizada

más o menos superficialmente en el cuerpo de la enzima

CARACTERÍSTICAS DEL SITIO CATALÍTICO O SITIO ACTIVO

Sitio catalítico

reconocimiento estructural complementario

Contiene a los grupos catalíticos y a los cofactores, si los

hay

La interacción de éste, con el sustrato es no – covalente, por

tanto, es reversible

Es hidrofóbico, aunque puede tener a.a. polares y aún

cargados

(21)

LAS ENZIMAS PUEDEN REQUERIR DE COFACTORES PARA SU ACTIVIDAD

COFACTOR

Uno o varios iones Inorgánicos

Una molécula orgánica

PEQUEÑA SE LLAMA COENZIMA

UNIÓN FUERTE SE LLAMA

(22)

VITAMINA

COENZIMA

REACCIÓN EN LA QUE ESTÁ

INVOLUCRADA

Tiamina (vitamina B1) Tiamina pirofosfato Activación y transferencia de aldehídos

Riboflavina (vitamina B2) Flavin mononucleótido o FMN; flavin adenin

dinucleótido o FAD+,

Oxidación-reducción

Niacina Nicotin amida adenin

dinucleótido o NAD+; Nicotin amida adenin dinucleótido fosfato o NADP+

Oxidación-reducción

LAS COENZIMAS SE DERIVAN DE LAS VITAMINAS

fosfato o NADP+

Ácido pantoténico Coenzima A Activación y transferencia de grupos acilo

Piridoxina Fosfato de piridoxal Reacciones que involucran la activación de aminoácidos

Biotina Biotina Activación y transferencia de CO2

Ácido lipoico Lipoamida Activación del grupo acilo:oxidación-reducción

Ácido fólico Tetrahidrofolato Activación y transferencia de grupos funcionales de un sólo carbono

Vitamina B12 Adenosil cobalamina; metil cobalamina

Isomerizaciones y transferencia de grupos metilo

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(24)

ESTRUCTURA DE LAS COENZIMAS

Pirofosfato de tiamina

Biotina

(25)

Nomenclatura de las enzimas

b) Nombre sistemático

a) Reacción que cataliza b) Clase c) Subclase d) Número

Tipos de enzimas según la reacción que catalizan:

a) Nombre común: sustrato o producto + terminación asa

1) Oxidoreductasas.- Reacciones redox que involucran transferencia

de electrones

2) Transferasas.- Reacciones de transferencia de grupos funcionales

3) Hidrolasas.- Reacciones de hidrólisis

4) Liasas.- Crean dobles enlaces

5) Isomerasas.- Reacciones de isomerización

(26)
(27)

LAS ENZIMAS MODIFICAN LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN PERO NO LOS EQUILIBRIOS

LA ENERGÍA LIBRE (G) ES UNA FUNCIÓN TERMODINÁMICA QUE PERMITE COMPRENDER A LOS ENZIMAS

DOS CONSIDERACIONES DE UNA REACCIÓN:

1) La diferencia de energía libre (G) entre los productos y reactantes

2) La energía requerida para iniciar la conversión de los reactantes a productos 2) La energía requerida para iniciar la conversión de los reactantes a productos

(28)

S P

En

e

rgí

a

libre

Estado de transición

Coordenada de reacción

(cambios químicos)

En

e

rgí

a

libre

Estado

basal

Estado

basal

DETERMINA LA ESPONTANEIDAD DE LA REACCIÓN

(29)

EL G ENTRE REACTANTES Y PRODUCTOS INDICA EL EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN

LOS ENZIMAS ACELERAN ESTE PASO

¿CÓMO LO HACEN?

(30)

S P

E

nergí

a

libr

e

Estado de transición S Energía libre de activación MÁS LENTA BARRERA ENERGÉTICA

Coordenada de reacción

(cambios químicos)

E

nergí

a

libr

e

Estado

basal

Estado

basal

Energía libre

(31)

En

ergía l

ib

re

Estado de transición S

LOS ENZIMAS FACILITAN LA FORMACIÓN DEL ESTADO DE TRANSICIÓN

(Proporcionando una superficie complementaria a su estereoquímica, polaridad

o carga)

Coordenada de reacción

(cambios químicos)

En

ergía l

ib

re

Estado

basal

Estado

basal

Energía libre

(32)

• Las enzimas disminuyen la energía de activación de

las reacciones que catalizan, pero no modifican la

constante de equilibrio

• Por tanto aceleran en igual proporción la velocidad

de la reacción en las dos direcciones

AUMENTOS EN LA VELOCIDAD DE ENTRE

5 A 17 ÓRDENES DE MAGNITUD

(33)

¿CÓMO FACILITAN LOS ENZIMAS LA DISMINUCIÓN DE LA

ENERGÍA LIBRE DE ACTIVACIÓN?

FAVORECER LA FORMACIÓN DE ESTADOS DE TRANSICIÓN:

1) A TRAVÉS DE LA FORMACIÓN DE ENLACES COVALENTES

DURANTE LA CATÁLISIS

(ENTRE SUSTRATOS Y LAS CADENAS LATERALES DE CIERTOS RESIDUOS DE AMINOÁCIDOS, IONES METÁLICOS Y COENZIMAS)

2) POR MEDIO DE INTERACCIONES NO COVALENTES ENTRE EL ENZIMA Y EL SUSTRATO

ENERGÍA DE FIJACIÓN

Es aquella energía proveniente de la interacción

enzima-sustrato

(34)

ENERGÍA DE FIJACIÓN PERMITE

:

LA ESPECIFICIDAD Y LA CATÁLISIS

LAS INTERACCIONES DÉBILES ESTÁN OPTIMIZADAS EN EL ESTADO

DE TRANSICIÓN

EL SITIO CATALÍTICO DE LOS ENZIMAS SON COMPLEMENTARIOS NO

A LOS SUSTRATOS

per se

SINO A LOS ESTADOS DE TRANSICIÓN

(35)
(36)

MODELO DEL AJUSTE INDUCIDO

Postulado por Daniel Koshland en 1958

Disminución de los movimientos de los sustratos que reaccionan

REDUCCCIÓN DE LA ENTROPÍA

La formación de enlaces débiles enzima-sustrato da lugar a la DESOLVATACIÓN DEL SUSTRATO (las interacciones reemplazan los puentes de hidrógeno

que existan entre el sustrato y el agua en disolución)

(37)

FACTORES FÍSICOS O FISICOQUÍMICOS QUE

PUEDEN AFECTAR LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

1. pH

2. TEMPERATURA

3. FUERZA IÓNICA

(38)

Efecto de la temperatura en la actividad enzimática

Actividad de la enzima Temperatura óptima 20º C 30º C 60ºC

(39)

Efecto del pH en la actividad enzimática

pH óptimo A C T I V I

Tripsina

Colinesterasa

Pepsina

Papaína

I D A D

8

pH

8

pH

2

pH

4

5

pH

8

(40)

E + S ES E + P Sitio activo Sustrato [Enzima-sustrato] + Producto Sitio activo Enzima Sitio activo + Sitio activo

(41)

CINÉTICA ENZIMÁTICA.- Disciplina que se encarga de

estudiar el mecanismo de una reacción catalizada

enzimáticamente.

OBJETIVO.- Determinar la velocidad de la reacción y

evaluar como se ve modificada ésta en

respuesta a cambios en los parámetros

experimentales

VELOCIDAD= Cantidad de sustrato desaparecido o producto formado por la enzima por unidad de tiempo Por tanto sus unidades son

cantidad de compuesto sobre unidad de tiempo:

moles mmoles nmoles gramos miligramos mgramos hora minuto segundo

(42)

E + S

ES

E + P

S

P

ESTADO

PRE-ESTACIONARIO

1) ESTADO PRE-ESTACIONARIO = HAY EXCESO DE SUSTRATO Y AUMENTA LA CONCENTRACIÓN DE ES

(ES RÁPIDO, DURA MICROSEGUNDOS)

2) ESTADO ESTACIONARIO = LA CONCENTRACIÓN ENZIMA-SUSTRATO PERMANECE APROX. CONSTANTE

(43)

REACC

IÓN

VE

LOC

IDAD

D

E

LA

REACC

IÓN

(44)

MODELO DE Leonor MICHAELIS -Maud MENTEN

E + S k1 [ES] E + P

K-1

k2 1

Relaciona velocidad de la reacción con [S] y [E] Vo = k2 [ES] 2

Vo = k2 [ES]

Queremos saber cuánto ES se forma

Velocidad de formación de ES = k1 [E][S] 3

(45)

En el estado estacionario, las velocidades de formación y desaparición

de [ES] son iguales, donde [ES] es constante, mientras que [Reactivos] y [Productos] cambian

k1 [E] [S] = (k2 + k3) [ES] 5 [ES] = [E] [S]

(k2 + k3)/k1 6

Definimos una nueva constante: (para el denominador) Km = constante de Michaelis Km = k2 + k3 k1 7 Sustituimos en 6 [ES] = [E] [S] Km 8

Km es independiente de la concentración del enzima y la de sustrato

(46)

Asumiendo que ponemos un gran exceso de S con respecto a E, entonces [S] va a ser teóricamente la inicial o sea el total de [S].

Con respecto a [E], ésta se va a estar combinando con

él. Va

haber también E libre.

[E] = [Etotal] - [ES] 9

Sustituyendo para [E] en 8

[ES] = ([Etotal] - [ES] ) [S]

Km 10 Km [ES] = [Et] [S] / Km 1 + [S] / Km 11 [ES] = [Et] [S]______ [S] + Km 12

V

o

= k

2

[ES]

(47)

V = k2 [Et] [S]__

[S] + Km 13

Ya que la velocidad máxima (Vmax) se alcanza cuando los sitios de la enzima están saturados con sustratos, o sea cuando [S] >> Km, y entonces

[S]____ [S] + Km Se aproxima a 1 [S] + Km entonces Vmax = k2 [Et] 14 sustituyendo 14 en 13 V = Vmax ___[S] ___ [S] + Km

Km = [S] a la cual la velocidad de la reacción tiene la mitad de su valor máximo

(48)

REACC

IÓN

V = Vmax ___[S] ___ [S] + Km

VE

LOC

IDAD

D

E

LA

REACC

IÓN

Concentración del sustrato

(49)
(50)

GRÁFICA DE DOBLES RECÍPROCOS O DE LINEWEAVER-BURK

(TRANSFORMACIÓN DE LA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN)

Vo = Vmax ___[S] ___ [S] + Km INVERSO 1 = Km + [S] Vo Vmax [S] 1 = Km + [S] Vo Vmax [S] Vmax [S] Pendiente 1 = Km + 1 Vo Vmax [S] Vmax Ecuación de Lineweaver-Burk

(51)

SIGNIFICADO DE LA K

M

Y V

MAX

La KM es un valor de concentración que resulta muy útil

para asegurar una catálisis efectiva.

Puede ser considerada como una medida de la afinidad de

un enzima por su sustrato

La V

es la máxima velocidad que se alcanza cuando

La V

MAX

es la máxima velocidad que se alcanza cuando

en el medio de reacción todos los enzimas tienen los sitios

activos ocupados

Kcat

Es una constante de velocidad que describe la velocidad

(52)

Kcat = NÚMERO DE RECAMBIO

Equivale a expresar el número de moléculas de sustrato

convertidas en producto por unidad de tiempo en una sola

molécula de enzima cuando esta se encuentra saturada

Kcat= Vmax / [E]

t

= Número de recambio en el sitio catalítico por seg

Kcat/ Km= Medida de la eficiencia catalítica si [S]<<<Km

En esta condición, la velocidad de la enzima está sólo

controlada por la difusión de S al sitio catalítico

Algunos enzimas tienen una kcat/Km en el intervalo 108-109 M-1seg-1

, es decir

(53)

La actividad específica es la velocidad de una enzima

expresada en términos de la cantidad de enzima que

produce esa velocidad

Unidades de velocidad

Unidades de

cantidad de enzima

La actividad de una enzima se puede expresar en términos

de la velocidad por la cantidad de la enzima

Actividad específica

Actividad específica = mmoles / min / mg

mmoles / min / mg

nmoles / min / mg

mg (de producto) / min / mg

mg (de producto) / min / mg

(54)

LOS ENZIMAS PUEDEN SER INHIBIDOS

Los inhibidores enzimáticos son agentes moleculares que

Interfieren en la catálisis, haciendo más lentas o

deteniendo las reacciones.

Pueden ser reversibles o irreversibles

Pueden ser reversibles o irreversibles

(55)

INHIBIDORES COMPETITIVOS

INHIBIDORES ACOMPETITIVOS

(56)

Ki o constante de inhibición

La Ki es la constante de equilibrio de fijación de un inhibidor a una enzima Es otra de las constantes cinéticas

Su cálculo depende del tipo de inhibición de que se trate y por tanto del inhibidor y de la enzima 1/V 1/S INHIBICIÓN COMPETITIVA INHIBICIÓN MIXTA INHIBICIÓN ACOMPETITIVA 1/S

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