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ENZIMAS: TEMA 7
Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas.
Término propuesto por Kühne en 1878 (zyme = levadura)
Las enzimas son necesarias para que las reacciones
bioquímicas:
• Se produzcan a una velocidad adecuada para la célula
• Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de
hacia reacciones colaterales que despilfarren energía
• Pueda regularse la producción de distintas sustancias
según las necesidades
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Hay dos características importantes en la catálisis
1.- Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción sin
verse alteradas en el proceso, no se modifican en su
actuación: E + S ES E + P
2.- Las enzimas no modifican la constante de equilibrio de la reacción
Todas las enzimas son proteínas excepto las ribozimas (formadas por RNA sólo o asociado a proteínas)
Aumentan la velocidad de reacción hasta por un factor de 1014
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CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS
1. Oxidoreductasas: transferencia de electrones
2. Transferasas: reacciones de transferencia de grupo (no
agua)
3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis
4. Liasas: adición de grupos a dobles enlaces o formación
de dobles enlaces por eliminación de grupos
5. Isomerasas: transferencia de grupos dentro de la misma
molécula para dar isómeros
6. Ligasas: formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por
reacciones de condensación acopladas a hidrólisis de ATP
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NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA
El nombre de cada enzima puede ser identificado por:
• un código numérico, encabezado por las letras EC
(enzyme commission)
• cuatro números separados por puntos. El primer
número indica a cual de las seis clases pertenece la
enzima, el segundo se refiere a distintas subclases
dentro de cada grupo, el tercero y el cuarto se refieren
a los grupos químicos específicos que intervienen en
la reacción.
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EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA:EL NOMBRE SISTEMÁTICO DE UN ENZIMA:
Consta actualmente de 3 partes:
• el sustrato preferente
• el tipo de reacción realizada
• terminación "asa"
Ejemplo: Identificación EC 5.3.1.1.
Nombre sistemático Triosa fosfato isomerasa
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“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
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BASES DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA: ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
Para que se de una reacción química tienen que verificarse 3
condiciones
1.- Los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben
colisionar
2.- La colisión molecular tiene que ocurrir con una
orientación adecuada (las enzimas aumentan la probabilidad)
3.- Los reactivos deben poseer suficiente energía para
alcanzar el estado de transición. Esta energía se llama
energía de activación
Las enzimas hacen que la reacción vaya más rápida
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En las reacciones bioquímicas
1. Energía de activación: barrera de energía que hay que superar para que se produzca la reacción. Es la energía necesaria para:
• Alinear grupos reactivos
• Formar cargas inestables transitorias
• Reordenar enlaces
2. Superada esta barrera, se llega a un estado activado o
de transición en el que se produce la orientación y
condiciones adecuadas para la reacción.
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LAS ENZIMAS ACELERAN LAS REACCIONES BAJANDO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
La enzima se une a la molécula de sustrato y la hace adoptar un estado intermediario semejante al de transición pero de menor energíaEsta energía de activación y la conversión del intermediario en producto son menores que la energía de activación de la reacción sin catalizar
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
Diagrama de energía libre Catalizador Enzima
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CÓMO ACTÚAN LAS ENZIMAS
Una enzima une la molécula de sustrato de forma específica en una región denominada CENTRO ACTIVO que suele ser un bolsillo o una hendidura que se forma entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas cadenas:
• Facilitan la unión del sustrato (especificidad de sustrato)
• Intervienen en la catálisis (centro catalítico)
CENTRO CATALÍTICO: puede incluir también:
• Coenzimas (moléculas orgánicas derivadas de vitaminas)
• Cofactores (moléculas inorgánicas como iones metálicos)
Puede coincidir o no con el centro activo
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CENTRO ACTIVO
1.- Supone una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima
2.- Es una entidad tridimensional
3.- Se unen a los sustratos por fuerzas relativamente débiles
4.- Son hoyos o hendiduras de las que suele quedar excluida el agua, salvo que sea un componente de la reacción
5.- La especificidad del enlace depende de la disposición de los átomos del centro activo
Región que se une al sustrato y contribuye con los residuos que participan en la formación y rotura de enlaces (grupos catalíticos)
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Especificidad de acción
1.- Enzimas muy específicas: Ej. Sacarasa
Sustrato natural: sacarosa
Reconoce sustratos análogos (maltosa)
2.- Enzimas poco específicas: Ej. Proteasas digestivas
(quimotripsina)
Las enzimas catalizan reacciones con diferente grado de
especificidad
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TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura
1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido
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Cambio conformacional inducido por glucosa en la hexoquinasa
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MECANISMOS DE REACCIÓN ENZIMÁTICA
S + E ES E + P
1.- CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: Triosa fosfato isomerasa Se produce un intercambio de protones
Dímero: dos subunidades idénticasCilindro paralelo con hélices en los bucles de interconvexión
Lugar activo: cerca de la parte superior del cilindro. Puede acomodar G3P o DHAP
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G3P se une alcentro activo
E + G3P
Intermediario enediol, se forma por transferencia de un protón de C2 al Glu 165 y un protón de His 95 al carbonilo
E- G3P E-enediol E- DHAP
Catálisis ácido-base: triosa fosfato isomerasa
E + DHAP
DHAP unida al centro activo
His 95
Glu 165
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CATÁLISIS ÁCIDO-BASE: SERINA PROTEASASHidrólisis del enlace peptídico (Quimotripsina, Tripsina)
QUIMOTRIPSINA
Carga sobre el carboxilato
Residuos hidrófobos
Bolsillo cerca de la serina del centro activo
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Fenilalanina
Quimotripsina
Arginina
Tripsina
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Residuos del centro activo de quimotripsina
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Catálisis por quimotripsina
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Lugar de ruptura
2 Se transfieren H+ desde Ser a His y luego al fragmento C-terminal
HNH----------(C)3
Intermediario acilo-enzima
4 Una molécula de agua se une a la enzima
5 El agua transfiere el H+ a la His y el OH al resto de S
HOOC----------- (N)
Ser 195-CH2-OH
6
1 Unión no covalente del S con cadenas del bolsillo hidrófobo
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2.- CATÁLISIS COVALENTE
Se forman enlaces covalentes transitorios E-S para facilitar la formación de producto
A-B + X: A-X + B A + X: + B
X: = Núcleo nucleofílico de la enzima
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GRUPOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA
a) Grupos nucleófilos en sus formas básicasb) Los grupos electrófilos contienen un átomo con
deficiencia de electrones (rojo)
(Voet)
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3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
Los iones metálicos participan de diferentes formas en la
catálisis
• Orientación del sustrato para que reaccione
• Estabilizando estados de transición de compuestos
cargados
• Intervienen en reacciones redox cambiando su propio
estado de oxidación
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SITIO ACTIVO DE LA ANHIDRASA CARBÓNICA HUMANA
CO2 + H2O HCO3- + H+
(VOET)
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Un tercio de las enzimas requieren algún ión metálico para catalizar
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Características de coenzimas comunes
(Voet)