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BOLILLA 1: ENZIMAS. Introducción: Nomenclatura y clasificación.

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BOLILLA 1: ENZIMAS. Introducción: Nomenclatura y clasificación. Determinación de la actividad enzimática. Unidades. Complejo enzima-sustrato. Sitio activo. Cinética enzimática. Factores que modifican la actividad enzimática. Tipos de Inhibiciones. Regulación.

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BOLILLA 1:

ENZIMAS.

Introducción: Nomenclatura y clasificación.

Determinación de la actividad enzimática. Unidades.

Complejo enzima-sustrato. Sitio activo.

Cinética enzimática.

Factores que modifican la actividad enzimática.

Tipos de Inhibiciones.

Regulación.

Enzimas alostéricas. Propiedades y cinética.

Control por proteínas: activación proteolítica.

Modulación covalente.

Isoenzimas.

Regulación de la expresión génica: represión e inducción enzimática.

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HISTORIA

  • A fines del siglo XVIII: catalizadores en estudios de la digestión de la carne por secreciones del estómago.
  • Louis Pasteur, 1850 (fermentos –azúcar  alcohol- de la levadura)
  • EduardBuchner, 1897 (levaduras)
  • FredrickKühne fue el primero en llamar a los fermentos: ENZIMAS
  • James Summer, 1926 (ureasa)
  • John Northrop y MosesKunitz, 1930 (pepsina, tripsina y quimotripsina)
  • Estructura y función
  • 1963: 1º Secuencia de aminoácidos de la ribonucleasa pancreática bovina A
  • 1965: 1º Estructura por RX de la Lisozima de clara de huevo de gallina
  • 1983: Sidney Altman y Col. observaron que el RNA de la ribonucleasa tiene actividad catalítica.
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ENZIMAS - FUNCIÓN

En los seres vivos se producen reacciones químicas para:

  • Transformar los nutrientes de los alimentos para obtener energía.
  • Transformar nutrientes simples en moléculas complejas y viceversa.
  • Obtener materia prima para la síntesis de nuevas moléculas.
  • Degradar componentes celulares una vez cumplida su vida útil.
  • Extraer energía desde combustibles por oxidación.
  • Polimerizar subunidades para formar macromoléculas.
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Las transformaciones bioquímicas en los seres vivos ocurren:

  • a gran velocidad
  • con gran especificidad
  • en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión, etc.

Un catalizador es una sustancia capaz de acelerar una reacción química sin formar parte de los productos finales ni desgastarse en el proceso.

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ENZIMAS

Los catalizadores biológicos son macromoléculas llamadas enzimas

La mayoría de las enzimas son proteínas, con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, llamadas ribozimas.

Actividad catalítica: depende de la integridad de su conformación proteica nativa

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CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS

PROTEINAS y RNA(Ribozimas):

Estructura terciaria y cuaternaria

SITIO DE UNION AL SUSTRATO:

Uniones no Covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas, electrostáticas)

NECESITAN DE FACTORES ENZIMATICOS:

Inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas)

ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO:

Estéreo-especificidad y especificidad geométrica

SON REGULABLES:

La síntesis de la proteína, su actividad y degradación.

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DISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS

COMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula.

SISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos complejos.

ENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta varios sitios catalíticos distintos en una misma cadena polipeptídica.

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Tipos de reacciones catalizadas por enzimas

  • Oxido-reducción
  • Rotura y formación de enlaces C-C
  • Reorganizaciones internas
  • Transferencia de grupos
  • Reacciones de condensación
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NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Nombre común : nombre de uso cotidiano

asa + nombre del sustrato de la reacción

Ejemplo: sacarasa, ureasa, amilasa, etc

Nombres arbitrariosEj: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico, etc.

Nombres según el tipo de reacción catalizada.

Ej: deshidrogenasas, carboxilasas, etc.

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Nombre sistemático:

Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB)

Se asigna a cada enzima un nombre descriptivo y un número que permite identificarla inequívocamente

Nombre común: Hexoquinasa

Nombre sistemático: ATP: glucosa fosfotransferasa

Código de 4 dígitos: 2.7.1.1.

Clase 2: transferasa

Subclase 7: fosfotransferasa

Subsubclase 1: fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptor

N° de orden de la enzima en su subclase 1: glucosa como aceptor del grupo fosfato

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1- OXIDORREDUCTASAS: DESHIDROGENASAS, OXIDASAS, OXIGENASAS, REDUCTASAS, PEROXIDASAS

2- TRANSFERASAS: TRANSCARBOXILASAS, TRANSMETILASAS Y TRANSAMINASAS.

3- HIDROLASAS: ESTERASAS, FOSFATASAS, PEPTIDASAS.

4- LIASAS: DESCARBOXILASAS, HIDRATASAS, DESHIDRATASAS, DESAMINASAS.

5- ISOMERASAS: EPIMERASAS, MUTASAS.

6- LIGASAS: SINTETASAS, CARBOXILASAS

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COFACTORES

  • Según su modo de interacción con la enzima
  • COENZIMAS
  • Unión laxa a la enzima
  • Actuaría como co-sustrato
  • Son moléculas orgánicas pequeñas
  • Muchas se encuentran libres y solo se unen a la enzima en el momento de la catálisis
  • GRUPO PROSTÉTICO
  • Molécula orgánica no proteica
  • Se une fuertemente a la enzima
  • Solo se separa por desnaturalización
  • IONES INORGÁNICOS
  • Aniones - cationes
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HOLOENZIMA =

Enzima total

APOENZIMA +

Proteína

Termolábil

No dializa

COENZIMA

No proteínica

Termoestable

COFACTORES

  • Iones inorgánicos: Fe2+ Mg2+ Mn 2+ Zn2+

En el caso de las COENZIMAS se forma un complejo:

Oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas requieren coenzimas

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PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

LOCALIZACIÓN INTRACELULAR

DE LAS ENZIMAS

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PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

  • SITIO ACTIVO
  • Región de la moléculaenzimática a la que se une el sustrato por uniones no covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas, electrostáticas).
  • Es una agrupación de un número no muy grande de aminoácidos distribuidos espacialmente de manera precisa.
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Hipótesis de Fischer: estructuras rígidas

Sitio de unión

Sitio catalítico

Hipótesis de Koshland: estructuras adaptables

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ZIMÓGENOS

Algunas enzimas se sintetizan en la célula de origen al estado de PRECURSORES INACTIVOS llamados zimógenos, proenzimaso preenzimas. Ej: Enzimas digestivas

SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS

  • Varias enzimas diferentes cuyas acciones se complementan.
  • Están ordenados, generalmente en membranas, de modo que el producto de la reacción catalizada por la primera enzima es recibido como sustrato por la segunda y así sucesivamente.
  • Las transformaciones se producen según la secuencia establecida por la disposición espacial de los catalizadores. Ej: Cadena Respiratoria

ENZIMAS MULTIFUNCIONALES

Presentan varios sitios catalíticos distintos en una misma cadena polipeptídica. Ej: ácido graso sintasa.

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Catálisis enzimática

  • Las células y organismos vivos deben realizar distintos tipos de trabajo para permanecer vivos y reproducirse.
  • La síntesis continua de componentes celulares requiere de trabajo químico
  • La acumulación y retención de sales contra un gradiente de concentración implica la realización de un trabajo osmótico
  • La contracción muscular o el movimiento bacteriano representa un trabajo mecánico
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Determinación de la actividad enzimática

  • Se puede determinar, midiendo:
  • La cantidad de producto formado
  • O de sustrato consumido
  • En un tiempo dado
  • Como una sumatoria de todos los factores requeridos para la reacción
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ACTIVIDAD ESPECÍFICA

  • Es una expresión que indica la pureza relativa de una preparación enzimática.
  • Relaciona Actividad Enzimática, no con el volumen de muestra, sino con el total de proteínas existentes en la misma.
  • Se define como:
  • UNIDADES DE ENZIMA POR MG DE PROTEÍNAS PRESENTES EN LA MUESTRA
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mmol de S transformados

U.I. =

minuto

ACTIVIDAD ENZIMATICA

Unidades Internacionales

Cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 μmol (10-6 mol) de Sustrato por minuto:

E

Sustrato  Producto

Siempre bajo condiciones definidas de pH y temperatura

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Para todo esto, los seres vivos requieren y utilizan la energía de su entorno

  • La cantidad de energía realmente transformable en trabajo se denomina
  • energía libre
  • y ésta siempre será ligeramente inferior a la variación de energía total, ya que una parte de la misma se disipa en forma de calor
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La variación de energía libre (G)

  • Energía de Gibbs
  • de una reacción química es una expresión cuantitativa de lo lejos que se encuentra el sistema del equilibrio.
  • Aquellas reacciones que liberan energía libre se denominan exergónicas.
  • Dado que los productos de estas reacciones tienen menor energía libre que los reactivos, G es negativa.
  • Aquellas reacciones en las que los productos poseen mayor energía libre que los reactivos son endergónicas y
  • G es positiva.
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El estado de transición o barrera de activación, representa los cambios que se generan en la molécula del S.

  • Las barreras de activación son importantes para la estabilidad de las biomoléculas.
  • Es por esto que las reacciones sin catalizar tienden a ser muy lentas.
  • Todas las moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso en el interior de las células.
  • Todas las reacciones químicas celulares se llevan a cabo porque las enzimas actúan disminuyendo la barrera energética entre el S y el P
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ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

CONCENTRACIÓN DE ENZIMA

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DE ENZIMA

Cantidad saturante de sustrato, pH y T°C constantes

Se establece la relación entre

Cantidad y Actividad de enzima

Velocidad de reacción

directamente proporcional a la concentración de enzima

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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

[E], [S], pH: constantes

TEMPERATURA

Temperatura

óptima

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Los cambios del pH del medio afectan el estado de ionización de grupos funcionales de las moléculas de E y S.

  • Para la formación del [ES] es necesaria una correcta distribución de las cargas en ambas moléculas

pH óptimo

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6 8

PH ÓPTIMO ES AQUEL EN EL CUAL EL ESTADO DE DISOCIACIÓN DE LOS GRUPOS ESENCIALES ES EL MÁS APROPIADO PARA INTERACCIONAR EN EL COMPLEJO ES

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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

[E], T°C, [S]: constantes

EFECTO DEL pH

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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO

[E], pH, T°C: constantes

Reacción de primer orden: existe proporcionalidad entre velocidad y [S].

Curva hiperbólica

Reacción de 1° orden

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ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTEN

(1913)

Relación precisa entre velocidad inicial y [S]

Constante de Michaelis ( Km)

  • Es característica de una enzima y su sustrato particular
  • Refleja la afinidad del sustrato por la enzima.
  • Km es numéricamente igual a la concentración del sustrato que corresponde a una velocidad de reacción igual a la mitad de la velocidad máxima.
  • En condiciones definidas de pH, T°C, Km tiene un valor fijo para cada enzima y sirve para caracterizarla.
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Orden de la reacción

  • Cuando [S] es menor a Km, la velocidad de reacción es proporcional a la [S]
  • por lo tanto la velocidad de reacción es de primer orden con respecto al sustrato.
  • Cuando [S] es mayor a Km, la velocidad de reacción es constante e igual a Vmax
  • por lo tanto la velocidad de reacción es de orden cero con respecto a la concentración del sustrato.
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k1

k2

E + S

ES

E + P

k -1

ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTEN

Cinética del estado estacionario

Reacción de orden cero

Reacción de 1° orden

V0= Velocidad inicial de la reacción

Vmáx= Velocidad Máxima

Km= constante de Michaelis

[S]= concentración del sustrato

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La ecuación de Michaelis- Menten puede ser transformada algebraicamente en ecuaciones utilizables para la determinación práctica del valor de Km.

Es decir, transformamos matemáticamente una curva hiperbólica en una recta.

Al invertir la ecuación de Michaelis- Menten se obtiene la ecuación de una recta llamada:

LINEWEAVER-BURK

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ECUACIÓN DE LINEWEAVER-BURK

Ordenada al origen = 1/Vmáx.

Intersección c/eje x = - 1/Km

El valor de km guarda relación inversa con la afinidad de la

E por el S

A MAYOR AFINIDAD,

MENOR VALOR DE Km

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