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Enzimas: conceptos básicos y cinéticos

ENZIMAS

CATALIZADOR BIOLÓGICO

S + E ES E + P

S= SustratoP= ProductoES= Complejo enzima-sustrato

• Poder catalítico

• Especificidad

Abbreviations: OMP, orotidine monophosphate; AMP, adenosine monophosphate.Source: After A. Radzicka and R. Wofenden. Science 267 (1995):90-93

7.7 × 1061 × 1061.3 × 10-15 secondsCarbonic anhydrase

1.9 × 106502.6 × 10-57.4 hoursChorismate mutase

1.0 × 1094,3004.3 × 10-61.9 daysTriose phosphate isomerase

3.9 × 101166,0001.7 × 10-77 weeksKetosteroid isomerase

1.9 × 10115783.0 × 10-97.3 yearsCarboxypeptidase A

6.0 × 1012601.0 × 10-1169,000 yearsAMP nucleosidase

5.6 × 1014951.7 × 10-13130,000 yearsStaphylococcal nuclease

1.4 × 1017392.8 × 10-1678,000,000 yearsOMP decarboxylase

Rate enhancement (kcat/kun)

Catalyzed rate (kcat, s-1)Uncatalyzed rate (kun, s

-1)Nonenzymatic half-lifeEnzyme

1. Anhidrasa carbónicaTransporte de CO2

- 14% es transportada unida a la Hemoglobina

- Como bicarbonato (HCO3-) en la sangre.

A pesar que está reacción ocurre a velocidad razonable en ausencia de catálisis, existe la enzima anhidrasa carbónica que cataliza este proceso.

La enzima es requerida ya que la hidratación de CO2 y deshidratación de HCO3-, está asociada a procesos rápidos. Particularmente de transporte, donde el HCO3-debe deshidratada en el pulmón. CO2 debe ser convertido en HCO3- para la generación del humor acuoso y de otras secreciones. CO2 y HCO3- son sustratos y productos de varias enzimas.

2.Enzimas proteolíticas

Tripsina (enzima digestiva)

Trombina (coagulación sanguinea)

La especificidad de una enzima se debe a la precisa interacción

del sustrato con la enzima. Esta precisión es el resultado de la

intrincada estructura tridimensional de la enzima (proteína).

Clasificación

Aminoacyl-tRNA synthetaseLigation of two substrates at the expense of ATP hydrolysis

6. Ligases

Triose phosphate isomeraseIsomerization (intramolecular group transfer)

5. Isomerases

FumaraseAddition or removal of groups to form double bonds

4. Lyases

ChymotrypsinHydrolysis reactions (transfer of functional groups to water)

3. Hydrolases

Nucleoside monophosphatekinase (NMP kinase)

Group transfer2. Transferases

Lactate dehydrogenaseOxidation-reduction1. Oxidoreductases

ExampleType of reactionClass

Enzimas

Sitio activo: lugar en la enzima donde ocurre la catálisis.

E-S

SITIO ACTIVO

- PUENTES DE H- INTERACCIONES IÓNICAS- ENLACES COVALENTES

• Sitio catalítico

• Sitio de Unión

Cofactores

Propionyl CoA carboxylaseK+

Superoxide dismutaseMn2+

Glutathione peroxidaseSe

Nitrate reductaseMo

UreaseNi2+

HexokinaseMg2+

EcoRVMg2+

CarboxypeptidaseZn2+

Carbonic anhydraseZn2+

Metal

Thymidylate synthaseTetrahydrofolate

Methylmalonyl mutase-Deoxyadenosyl cobalamin

Pyruvate carboxylaseBiotin

Acetyl CoA carboxylaseCoenzyme A (CoA)

Glycogen phosphorylasePyridoxal phosphate

Lactate dehydrogenaseNicotinamide adenine dinucleotide

Monoamine oxidaseFlavin adenine nucleotide

Pyruvate dehydrogenaseThiamine pyrophosphate

Coenzyme

EnzymeCofactor

COFACTORES

1.- GRUPOS PROSTÉTICOS:i.- Están fuertemente unidos a la Eii.- Forman parte del sitio activo.

2.- COENZIMAS.i.- Pequeñas moléculas orgánicas consideradas co-sustratos que no están permanentemente unidas al sitio activo. Muchas derivan de vitaminas.ii.- Debe reaccionar con la E.iii.- Debe unirse al sitio activo.iv.- Cambia químicamente y se separa del sitio activo.

Vitaminas

Sustratos Productos

"I think that enzymes are molecules that are complementary in structure to the activated complexes of the reactions that they catalyze, that is, to the molecular configuration that is intermediate between the reacting substances and the products of reaction for these catalyzed processes. The attraction of the enzyme molecule for the activated complex would thus lead to a decrease in its energy and hence to a decrease in the energy of activation of the reaction and to an increase in the rate of reaction.“

- Linus Pauling Nature 161(1948):707

Formación complejo enzima-sustrato

Grupos catalíticos

Puentes de H, refuerza la especificidad

Modelos del complejo Enzima-sustrato

Nociones de Cinética Química(Recordatorio)

B

A

Cinética Enzimática

Estado Estacionario

Ecuación de Michaelis-Menten

Tiene unidades de concentración

KM es una importante característica de la interacción E-S y es independiente de las concentraciones de enzima y sustrato

[S] = KM, entonces V0 = Vmax/2

[S] > > KM, entonces V0 = Vmax

[S] < < KM, entonces V0 = (Vmax/ KM) [S]

Por lo tanto, la KM es igual a la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de su velocidad máxima.

O dicho de otra forma, la concentración de sustrato a la que la mitad de los sitios activos de la Enz están ocupados.

300ATP0.4tRNA3ArginineArginine-tRNA synthetase60ATP

1000HCO3-

400PyruvatePyruvate carboxylase50BenzylpenicillinPenicillinase

8000CO2Carbonic anhydrase5000ThreonineThreonine deaminase4000Lactoseβ-Galactosidase

6Hexa-N-acetylglucosamineLysozyme5000Acetyl-l-tryptophanamideChymotrypsin

KM(µM)SubstrateEnzyme

KM para algunas Enz y sustratos

Resumen

Representación de la Ecuación de Michaelis-Menten

Linearización de la Ecuación de Michaelis-Menten

Significados de la KM

Significados de Vmax y de k2 (kcat)

Ejemplo:

Una solución 10-6 M de anhidrasa carbónica cataliza la formación de 0,6 M H2CO3 por segundo cuando está saturada con sustrato. Por lo tanto, k2 es 6 x 105 s-1. Este número de recambio es uno de los mas grandes conocidos. Cada reacción catalizada toma lugar en un tiempo igual a 1/k2, lo cual es 1.7 µs

Eficiencia Catalítica (kcat/KM)

Eficiencia Catalítica (kcat/KM)

kcat/KM está determinada por la velocidad de formación del complejo ES.

Límite de k1 está dada por la difusión (108 y 109 s-1M-1)

7 × 109Superoxide dismutase

1 × 108β-Lactamase

2.4 × 108Triose phosphate isomerase

1.6 × 108Fumarase

2.8 × 108Crotonase

4 × 107Catalase

8.3 × 107Carbonic anhydrase

1.6 × 108Acetylcholinesterase

kcat/KM (s-1M-1)Enzyme

Source: After A. Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding (W. H. Freeman and Company, 1999), Table 4.5.

• Complejos multienzimáticos

• Proteínas andamio (scafolding)

• Microdominios de membrana

Sustratos Múltiples

• Desplazamiento secuencial.

• Doble desplazamiento (Ping-Pong).

Lactato deshidrogenasa

Enzimas Alostéricas

Enzimas que no responden a la cinética de Michaelis-Menten.

Efecto Temperatura y pH

Inhibición Enzimática

Inhibición Reversible Competitiva

Inhibición Reversible Competitiva

Inhibición Reversible No Competitiva

Inhibición Reversible No Competitiva

Análisis de las Inhibiciones

Mecanismos moleculares de la regulación enzimática

1.

2.

3.4.

1. Isoenzimas

2. Vida Media y disponibilidad de la Enzima

3. Control Alostérico

4. Modificación covalente

Regulación de Rutas Metabólicas

Enzimas AlostéricasAspartato Transcarbamoilasa

Aspartato Transcarbamoilasa

Unión cooperativa de Oxígeno a la Hemoglobina.

Proteína Alostéricas

Grupo prostético Hem de la Hemoglobina.

Grupo prostético Hem de la Hemoglobina.

Estructura de la Hemoglobina y transición estado T a R.

Efecto de 2,3-Bifosfoglicerato

Estado T

Hemoglobina fetal

Cadena γ

Efecto del pH y CO2 en la liberación de Oxígeno: Efecto Bohr

Efecto del pH y CO2 en la liberación de Oxígeno: Efecto Bohr

Estabiliza la estructura de la deoxihemoglobina, favoreciendo la liberación de O2