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

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

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

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.

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

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

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

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.

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

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

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)

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

TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura

1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

Cambio conformacional inducido por glucosa en la hexoquinasa

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

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

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

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

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

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

Fenilalanina

Quimotripsina

Arginina

Tripsina

Residuos del centro activo de quimotripsina

Catálisis por quimotripsina

“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

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

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

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)

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

SITIO ACTIVO DE LA ANHIDRASA CARBÓNICA HUMANA

CO2 + H2O HCO3- + H+

(VOET)

Un tercio de las enzimas requieren algún ión metálico para catalizar

Características de coenzimas comunes

(Voet)