Introducción a la Enzimología: conceptos, mecanismos y clasificación de enzimas

Introducción a la Enzimología

S n u SEVILLA Escuela Universitaria de Osuna T6 .- INTRODUCCIÓN A LA ENZIMOLOGIA

Conceptos Generales de Enzimología

- La Enzimología se ocupa del estudio de las enzimas - Enzimas : biomoléculas sintetizadas en la célula que aceleran de forma muy selectiva y eficiente las reacciones que se dan en el entorno celular (Catalizan una reacción). - Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, sin modificarse de forma permanente por la reacciónCARACTERÍSTICAS DE BIOCATALIZADORES - La inmensa mayoría son de naturaleza proteica. - Participan en las reacciones químicas. - Aumentan de manera importante la velocidad de reacción. - No modifican el equilibrio químico. - No se alteran. - Son altamente específicos. - Pueden regularse.

Velocidad sin enzima Velocidad con enzima 10 7 CO 2 + H O 2 > HCO" + H+ 3 1 H2O2 > HO+O 2 2 1 10 9Sustrato Proteína simple Apoenzima (porción proteica) Cofactor o coenzima (porción no proteica) Holoenzima (toda la enzima) Apoenzima (proteína) Orgánico COENZIMA muchos son vitaminas) Proteína conjugada (Holoenzima) COFACTOR Grupo prostético Ion metálico Zn2+,Mg2+,Mn2+ ENZIMAS

Mecanismos de Catálisis Enzimática

Mecanismo catálisis enzimática Para que se produzca una reacción química se tiene que alcanzar un estado de transición de alta energía. La energía requerida para alcanzar ese estado se llama energía de activación (Ea).

Transition state, S+ AG+ (uncatalyzed) Disminuye la energía de activación TAG (catalyzed) Substrate Free energy -> AG for the reaction Product Reaction progress Las enzimas facilitan la formación del estado de transición porque reducen la energía de activación, y por tanto aceleran la reacción químicaEstado de transición y energía de activación

Transition state (¿) Free energy, G AG uncat AG ES -EP- cat S P Estado de transición: momento molecular transitorio durante el cual se producen nuevas reestructuraciones de enlaces. Estado de máxima energía.

Reaction coordinate La primera etapa de la catálisis es la formación de un complejo enzima-sustrato E+S+ ES- EP E+P ES y EP: intermedios de reacción: especies químicas transitorias con estabilidad significativa que se forman y desintegran en la ruta de la reacción catalizada enzimáticamente.Centro Activo · Constituye la parte del enzima a la que se unen los sustratos y donde se produce la transformación en los productos. En el se orientan los sustratos en la forma adecuada y se estabiliza el estado de transición. ·Es una hendidura tridimensional formada por aminoácidos que pueden estar alejados en la secuencia primaria pero próximos en la estructura terciaria

Residuos polares zona polar Centro activo zona apolar Sustrato Residuos apolares Enzima Complejo enzima-sustrato (detalle) Bioquímica. Conceptos Esenciales ·El S se une a los aas enlazantes mediante numerosas interacciones débiles (puentes de H, enlaces electrostáticos, fuerzas de Van der Waals ... )Modelos de interacción enzima-sustrato El centro activo es una estructura tridimensional donde se acopla el sustrato

a) Reacc. Sin catalizador Energía libre, G AG* Sustrato Estado de transición Producto S ₱ b) Modelo de Fisher Sustrato Complejo enzima-sustrato (muy estable) Complejo enzima-estrato de transición (se pierden interacciones) Energía libre, G AGin cat ES c) Modelo del estado de transición + Sustrato Enzima con centro activo complementario al estado de transición Complejo enzima-sustrato (se crean Interacciones) Complejo enzima-estado de transición (se ganan interacciones) Producto Energía libre, G AGio cat ES S P b)El centro activo del E es complementario a la forma del S. Explica especificidad pero no catálisis. c) El centro activo del E es complementario al S sólo después de la unión ES Modelo mas aceptado Enzima con centro activo complementario al sustratoModelo del ajuste inducido Cambios conformacionales inducidos en la hexoquinasa tras la unión de la glucosa

D-glucose (a) Before glucose binding (b) After glucose bindingEnzimas vs catalizadores inorgánicos - Las enzimas son específicos de sustrato y específicos de tipo de reacción, lo que les hace ser mas efectivos. - Las enzimas tienen dependencia de pH y Tª (valores óptimos de actividad)

Copyright @ The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Chymotrypsin Pepsin Enzyme activity Enzyme activity 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 50 pH Temperature (C) - Las enzimas tienen posibilidad de regulaciónMecanismos de catálisis enzimática a) Catálisis covalente: formación de un enlace covalente transitorio entre el E y el S. b) Catálisis ácido-base: donación o aceptación de un protón por parte del E. Las enzimas utilizan aminoácidos ionizables como partícipes de la catálisis ácido-base. c) Catálisis por iones metálicos: casi un tercio de las enzimas requieren iones metálicos para su actividad catalítica. Hay metaloenzimas (iones unidos al E) y enzimas activadas por metal (captado del medio). Los metales intervienen en reacciones redox cambiando su propio estado de oxidación Fe3+. Cu2+, Co2+, Zn2+ Las enzimas pueden usar una o varias de estas estrategias catalíticas

Nomenclatura y Clasificación de los Enzimas

Reacciones catalizadas por las diferentes clases de enzimas 1 .- Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidación-reducción.

OH H,C-CH-COO- + NAD+ H,C-C-COO- + NADH + H+ LACTATO lactato deshidrogenas PIRUVATO Deshidrogenasas Oxidasas Oxigenasas Reductasas Peroxidasas Hidrolasas 2 .- Transferasas: catalizan la transferencia de grupos funcionales (carbonilo, amino, carboxilo, metilo, fosforilo, acilo) de una molécula a otra.

NH3+ T H,C-C-COO- + THF NH3+ H_C-COO- + エ OH serin hidroximetil transferasa GLICINA SERINA Transcarboxilasas Transmetilasas Transaminasas 3 .- Hidrolasas: catalizan la ruptura de enlaces por la adición de una molécula de agua

H2N .___ NH2 + H20 CO2 + 2NH3 ureasa II 0 UREA Esterasas Fosfatasas Peptidasas THE CH,Clasificación de las enzimas 4 .- Liasas: Catalizan la adición o separación de grupos (CO2, H2O, NH3) para formar dobles enlaces.

0 H3C-C -- COO- 0 HỌC-CH + CO2 piruvato descarboxilasa PIRUVATO ACETALDEHÍDO Descarboxilasas Hidratasas Deshidratasas Desaminasas Sintasas 5 .- Isomerasas: catalizan el reordenamiento intramolecular de grupos.

ÇH3 -OOC-CH,-C-COA -OOC-CH2-CH-C-COA 0 METILMALONIL-COA SUCCINIL-COA Epimerasas Mutasas 6 .- Ligasas: catalizan reacciones de unión de dos o más moléculas.

0 ATP ADP + Pi 0 H3C-C-COO- + CO2 HOOC-CH-C-COO- piruvato carboxilasa OXALOACETATO Sintetasas Carboxilasas PIRUVATO metilmalonil-CoA mutasaNomenclatura de las enzimas El nombre sistemático de un enzima consta de 3 partes: - el sustrato preferente - el tipo de reacción realizado - terminación "asa“ Ej: glucosa fosfato isomerasa (cataliza la isomerización de la glucosa-6-P a fructosa-6-P).

CHOPO~2- H ( H H OH H HO OH H OH Glucosa 6-fosfato Fosfoglucosa isomerasa -2 POCH. 2 OH - H OH H CH- OH OH H Fructosa 6 fosfato

Isoenzimas

ISOENZIMAS Son enzimas que difieren en su secuencia y estructura, pero catalizan la misma reacción:

• Distintos comportamientos cinéticos
• Diferentes propiedades físicas y bioquímicas

LDH (Lactato deshidrogenasa) Piruvato + NADH Lactato + NAD+ LDH (B) Heart Kidney Red blood cell Brain Leukocyte Muscle Liver (LDH-1) (LDH-2) (LDH-3) - (LDH-4) (LDH-5) Uso diagnostico de las LDH: El aumento en sangre de LDH-1 indica infarto de miocardio