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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUCUMAN
QUÍMICA ORGANICA II
INGENIERÍA QUÍMICA
ENZIMAS
INTRODUCIÓN
Las reacciones químicas en sistemas biológicos raramente ocurren en
ausencia de un catalizador. Estos catalizadores se denominan enzimas y son casi
en su totalidad de naturaleza proteica, con la excepción de un pequeño grupo de
moléculas de RNA catalítico (ribozimas). Las funciones vitales de cualquier célula
serían imposibles de mantener si las reacciones que ocurren en ella fueran
extremadamente lentas. Además de incrementar la velocidad de las reacciones,
las enzimas exhiben una elevada especificidad y en algunos casos pueden ser
reguladas por diferentes metabolitos, aumentando o disminuyendo su actividad.
Las enzimas, como todos los catalizadores, son efectivas en pequeñas
cantidades, no sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis ni
afectan el equilibrio de las reacciones que catalizan. Aunque el estado inicial y
final de la reacción es el mismo, se llega al equilibrio mucho más rápidamente, es
decir, sólo modifican la velocidad de la reacción.
Por otro lado, debido a su naturaleza proteica, comparten características
con las proteínas no enzimáticas y difieren de los catalizadores inorgánicos en
que:
a) Son termolábiles y su actividad depende en la mayoría de los casos del pH
del medio.
b) El reconocimiento de la enzima por su sustrato es altamente específico.
c) Tienen gran eficiencia, es decir, transforman un gran número de moléculas
de sustrato por unidad de tiempo.
d) Están sujetas a una gran variedad de controles celulares, genéticos y
alostéricos.
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Las enzimas alteran las velocidades de reacción, pero no los
equilibrios ni la posibilidad termodinámica de que una reacción
se lleve a cabo, o sea que actúan sobre la energía de
activación.
NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre
del sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por
ejemplo, la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea y la arginasa cataliza la hidrólisis
de la arginina. Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de
reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa cataliza la
deshidrogenación (oxidación) del Gliceraldehído-3-fosfato a 3-fosfoglicerato.
Incluso tienen nombres específicos que no dan información alguna del sustrato o
de la reacción que catalizan , como la tripsina (enzima proteolítica).
No obstante, existe una clasificación sistemática de las enzimas que las
divide en 6 grandes grupos, cada uno de los cuales se subdivide a su vez en
clases:
1: Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción. Ej. CATALASA)
2: Transferasas (transfieren grupos funcionales. Ej. Glucosa fosfotransferasa)
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3: Hidrolasas (reacciones de hidrólisis. Proteasas: pepsina; glucanasas: amilasa),
4: Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces)
5: Isomerasas (reacciones de isomerización. Ej. Fosfotriosa isomerasa)
6: Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP. Ej. Oxalacetato sintetasa).
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Las enzimas son catalizadores biológicos de naturaleza proteica, en su mayoría.
Una determinada enzima (E) se combina con un determinado sustrato (S)
formando un complejo enzima-sustrato (E-S) el cual se descompone para dar el
producto (P) y enzima libre (E):
La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas
por enzimas. Los estudios cinéticos proporcionan información directa acerca del
mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad del enzima. La velocidad
de una reacción enzimática puede medirse midiendo la aparición de los productos
o bien la desaparición de los reactivos. La medida se realiza generalmente en las
condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc,
concentraciones saturantes de sustrato y, en estas condiciones, la velocidad de
reacción observada es la velocidad máxima (Vmax).
Sin embargo, dichas condiciones varían cuando se quiere estudiar el efecto
de alguna de estas variables (pH, temperatura, concentración de sustrato, etc.) o e
de otros factores (inhibidores o activadores), sobre la velocidad de la reacción.
Al medir la aparición de producto (o la desaparición del sustrato) en función
del tiempo se obtiene la llamada curva de avance de la reacción (Figura 1), o
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simplemente, la cinética de la reacción. A medida que la reacción transcurre, la
velocidad de aparición del producto (pendiente de la curva en cada punto) va
disminuyendo porque se va consumiendo el sustrato de la reacción.
Para que los valores determinados reflejen la cantidad de enzima presente
en la preparación siempre se procede a medir la velocidad inicial de la reacción
(v0) que es igual a la pendiente de la curva de avance a tiempo cero. Así, la
medida de v0 se realiza antes de que se consuma el 10% del total del sustrato,
puede considerarse la [S] como esencialmente constante a lo largo del ensayo y,
en estas condiciones, no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la
cantidad de producto formada es tan pequeña que la reacción inversa apenas
ocurre.
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La ecuación de Michaelis-Menten
Las reacciones enzimáticas, como habíamos dicho anteriormente, se
caracterizan porque aunque aumente la concentración de sustrato, la velocidad no
aumenta linealmente, aparece un efecto de saturación. La saturación a que todos
los centros activos de la enzima están ocupados. La velocidad depende tanto de la
cantidad de enzima como del sustrato en suficiente cantidad.
En la cinética de Michaelis-Menten se considera sólo la velocidad inicial de las
reaciones para cada concentración de sustrato cuando se construye una gráfica,
evitando el error introducido por el deterioro de la enzima. Como en un primer
momento no hay producto no se considera la reacción inversa.
[S]
La velocidad depende de una constante de velocidad K y de su inversa
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El paso limitante en la velocidad es K2, por lo tanto la expresión de la velocidad
será
Donde K2 también recibe el nombre de Kcat. La concentración de la enzima será
mucho menor que la de sustrato porque no se consume. Las enzimas que siguen
esta cinética se dice que siguen la cinética de Michaelis-Menten. Al aumentar la
concentración de enzima la gráfica es igual pero por arriba.
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FACTORES QUE INCIDEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
La actividad enzimática está influida por una serie de factores:
•Cambios en la temperatura
• Cambios en el pH
• Presencia de cofactores
• Las concentración de sustratos y productos finales
• Presencia de inhibidores
• Modulación alostérica
• Modificación covalente
• Activación por Proteólisis
• Isoenzimas
TEMPERATURA
Dentro de ciertos límites, la velocidad de reacción aumenta con la
temperatura. En general la velocidad se duplica cada incremento de unos 10°C y
viceversa. Existe una temperatura óptima, por encima de esta la velocidad
decrece rápidamente por desnaturalización de la enzima. La temperatura de
máxima actividad no corresponde necesariamente con la temperatura de máxima
estabilidad.
TºC
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PH
Efecto del pH del medio de incubación: cambios moderados en del pH
afectan el estado iónico de la enzima y con frecuencia también del sustrato. En
general , la actividad óptima se encuentra entre pH 5 y pH 9 como latripsina. ver
Fig.5., sin embargo algunas enzimas como la pepsina Fig.6 tiene su óptimo a
valores de pH bastante alejados de dichos límites. A valores extremos de pH se
produce desnaturalización de la enzima.
PRESENCIA DE COFACTORES
Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren cofactores Muchos de
estos coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas.
Los cofactores pueden ser iones inorgánicos o complejos orgánicos
(coenzima).
Coenzima: es una molécula no proteica unida covalentemente a la enzima,
es decir un grupo prostético.
Apoenzima: parte proteica a la que se uno la coenzima.
Holoenzima: es la enzima completa activa (grupo prostético y apoenzima).
apoenzima + grupo prostético= holoenzima
inactiva
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funcional
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CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO
La velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato.
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PRESENCIA DE INHIBIDORES
Inhibidores competitivos
Un inhibidor competitivo, ocupa el sitio activo de la enzima y compite con el
sustrato para ocupar este lugar.
Esto reduce la eficiencia de la enzima en el proceso de catálisis. Puede revertirse
el proceso con el agregado de mayor cantidad de sustrato.
Inhibidores no competitivos
La inhibición no competitiva de una enzima puede ocurrir cuando un
inhibidor se une a ella en un lugar distinto del centro activo. Los inhibidores no
competitivos rebajan la velocidad de la reacción, i.e. la velocidad de formación del
producto es menor con el inhibidor presente que con el inhibidor ausente. Esto
significa que el centro activo esta modificado, pero no inhabilitado, por la presencia
del inhibidor.
Como se muestra en la gráfica 2, el efecto del inhibidor no competitivo no
puede ser sobrepasado con alta concentración de sustrato. Puesto que el inhibidor
y el sustrato no compiten por el mismo lugar de unión sobre la enzima; un inhibidor
no competitivo reduce la velocidad de la reacción en todas las concentraciones de
sustrato.
MODULACIÓN ALOSTÉRICA
Enzimas alostéricas
Las enzimas con
múltiples subunidades tienen estructura cuaternaria. Una
consecuencia de las subunidades múltiples es que cada subunidad catalítica
individual tiene su propio centro activo. Esto significa que una enzima con
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estructura cuaternaria puede unir más de una molécula de sustrato. Alostérica
significa
"forma
diferente";
las enzimas alostéricas pueden cambiar de
conformación. Las enzimas alostéricas presentan conformaciones activa e inactiva
como resultado de la unión del sustrato en el centro activo y de las moléculas
reguladoras en otros lugares de unión (centros alostéricos). En el caso simple de
una enzima alostérica con una conformación activa y otra inactiva, el cambio en la
velocidad de reacción, con el incremento de la concentración de sustrato, es
tipicamente
una
curva
con
forma
sigmoidea
"S".
Unión de efectores a las subunidades reguladoras
Las enzimas alostéricas pueden tener también subunidades reguladoras que unen
moléculas reguladoras: inhibidores o activadores. A los activadores y los
inhibidores se les llama en general "efectores". Los inhibidores promueven que las
enzimas alostéricas adopten su conformación inactiva y los activadores favorecen
la conformación activa.
Entre las dos conformaciones activa e inactiva existe un equilibrio. La cantidad de
enzima activa e inactiva es dependiente de las concentraciones relativas de
sustrato e inhibidor, como sugiere el siguiente diagrama:
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La unión de un inhibidor alostérico provoca que la enzima adopte la conformación
inactiva y promueve la unión cooperativa de la segunda molécula de inhibidor.
Un exceso de sustrato puede revertir el efecto inhibidor. La unión del sustrato
promueve que la enzima asuma la conformación activa y se favorezca la unión
cooperativa de sustrato adicional, induciendo la formación del producto.
El significado de las curvas de forma-S, con y sin inhibidor
Cuando la concentración de sustrato se incrementa,
el sustrato se une a la enzima y dispara el cambio de
conformación hacia la conformación activa de la
enzima.
En presencia de inhibidor, se requiere mayor
concentración de sustrato para que la enzima cambie
a su conformación activa. Sin embargo, cuando se
alcanza la suficiente concentración de sustrato para
disparar el cambio hacia la conformación activa, el
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sustrato se une cooperativamente (curva con formaS) y la misma velocidad máxima se alcanza, en
presencia o ausencia de inhibidor.
MODIFICACIÓN COVALENTE
Otras enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose
covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi (Fósforo
inorgánico) o el AMP (Adenosín monofosfato).
También se da el caso inverso, en el que una enzima muy activa se desactiva al
liberar algún grupo químico
En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es
más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo
contrario.
ACTIVACIÓN POR PROTEÓLISIS
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Algunas enzimas no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin
actividad enzimática. Estas proteínas se llaman proenzimas o zimógenos
ISOENZIMAS
Pueden existir enzimas dotadas de distintas características pero que catalicen una
misma reacción, son llamadas isoenzimas.
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