FACULTAD DE QUÍMICADEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA

CURSO DE BIOQUÍMICA(CLAVE 1508)

Licenciaturas de QFB y QA

Prof. Laura Carmona SalazarGrupos: 03 Semestre: 13-I

Este material es exclusivamente para uso educativo y no de lucro

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DELAS PROTEÍNAS

6. Funciones de las proteínas

UNA FUNCIÓN IMPORTANTE QUE PUEDEN DESEMPEÑARLAS PROTEÍNAS ES LA CATÁLISIS DE LAS REACCIONESEN SISTEMAS BIOLÓGICOS:

ENZIMASENZIMAS

LA ACTIVIDAD CATALÍTICA DEPENDEDE LA INTEGRIDAD DE SU CONFORMACIÓNPROTEICA NATIVA

ADEMÁS PUEDEN REQUERIR DE OTROS COMPONENTESQUÍMICOS ADICIONALESQUÍMICOS ADICIONALES

¿QUÉ HACEN?

LAS ENZIMAS MODIFICAN LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN PERO NO LOSEQUILIBRIOS

LA ENERGÍA LIBRE (G) ES UNA FUNCIÓN TERMODINÁMICA QUE PERMITECOMPRENDER A LOS ENZIMAS

DOS CONSIDERACIONES DE UNA REACCIÓN:

1) La diferencia de energía libre (G) entre los productos y reactantes

2) La energía requerida para iniciar la conversión de los reactantes a productos

S PE

nerg

ía lib

re

Estado de transición

Coordenada de reacción(cambios químicos)

En

erg

ía lib

re

Estadobasal

Estadobasal

DETERMINALA

ESPONTANEIDADDE LA REACCIÓN

EL G ENTRE REACTANTES Y PRODUCTOS INDICA EL EQUILIBRIODE LA REACCIÓN

LOS ENZIMAS ACELERAN ESTE PASO¿CÓMO LO HACEN?

S PE

nerg

ía lib

re

Estado de transición S

Energía librede activación

MÁSLENTA

BARRERAENERGÉTICA

Coordenada de reacción(cambios químicos)

En

erg

ía lib

re

Estadobasal

Estadobasal

Energíalibre

En

erg

ía lib

reEstado de transición S

LOS ENZIMAS FACILITAN LA FORMACIÓN DEL ESTADO DE TRANSICIÓN

(Proporcionando una superficie complementaria a su estereoquímica, polaridado carga)

Coordenada de reacción(cambios químicos)

En

erg

ía lib

re

Estadobasal

Estadobasal

Energíalibre

• Las enzimas disminuyen la energía de activación de las reacciones que catalizan, pero no modifican la constante de equilibrio

• Por tanto aceleran en igual proporción la velocidad de la reacción en las dos direcciones

AUMENTOS EN LA VELOCIDAD DE ENTRE5 A 17 ÓRDENES DE MAGNITUD

¿CÓMO FACILITAN LOS ENZIMAS LA DISMINUCIÓN DE LAENERGÍA LIBRE DE ACTIVACIÓN?

FAVORECER LA FORMACIÓN DE ESTADOS DE TRANSICIÓN:

1) A TRAVÉS DE LA FORMACIÓN DE ENLACES COVALENTESDURANTE LA CATÁLISIS(ENTRE SUSTRATOS Y LAS CADENAS LATERALES DE CIERTOSRESIDUOS DE AMINOÁCIDOS, IONES METÁLICOS Y COENZIMAS)

2) POR MEDIO DE INTERACCIONES NO COVALENTES ENTRE EL ENZIMAY EL SUSTRATO

ENERGÍA DE FIJACIÓNEs aquella energía proveniente de la interacción

enzima-sustrato

ENERGÍA DE FIJACIÓN PERMITE:

LA ESPECIFICIDAD Y LA CATÁLISIS

LAS INTERACCIONES DÉBILES ESTÁN OPTIMIZADAS EN EL ESTADODE TRANSICIÓN

EL SITIO CATALÍTICO DE LOS ENZIMAS SON COMPLEMENTARIOS NOA LOS SUSTRATOS per se SINO A LOS ESTADOS DE TRANSICIÓN

¿EN QUE PARTE DEL ENZIMA SUCEDE ESTO?

MODELO DE LA LLAVE-CERRADURA

Modelo de la llave – cerradura (Fisher)

Substrato+

ab c

Enzima

Complejo[enzima - sustrato]

ab c

MODELOS DE RECONOCIMIENTOENZIMA - SUSTRATO

ab c

Enzima

Modelo del guante – mano (Koshland)

Sustrato+ a

b c

Complejo[enzima - sustrato]

o Modelo de ajuste inducido

MODELO DEL AJUSTE INDUCIDOPostulado por Daniel Koshland en 1958

Disminución de los movimientos de los sustratos que reaccionanREDUCCCIÓN DE LA ENTROPÍA

La formación de enlaces débiles enzima-sustrato da lugar a la DESOLVATACIÓNDEL SUSTRATO (las interacciones reemplazan los puentes de hidrógenoque existan entre el sustrato y el agua en disolución)

CAMBIO CONFORMACIONAL del enzima cuando se fija el sustrato

Sitio activoo

Sitio catalítico

* Región tridimensional de la proteína

* Une al sustrato específicamente, mediante un reconocimiento estructural complementario

* Es una región pequeña comparada con la magnitudtotal de la proteína

* Es una hendidura en la estructura de la enzima,localizada más o menos superficialmente en el

cuerpo de la enzima

CARACTERÍSTICAS DEL SITIO CATALÍTICO O SITIO ACTIVO

Sitio catalítico reconocimiento estructural complementario

*Contiene a los grupos catalíticos y a los cofactores, si los hay

*La interacción de éste, con el sustrato es no – covalente,por tanto, es reversible

* Es hidrofóbico, aunque puede tener a.a. polares yaún cargados

* Tiene capacidad de “orientar” al sustrato

LAS ENZIMAS PUEDEN REQUERIR DE MOLÉCULAS ADICIONALES PARA SUACTIVIDAD

COFACTOR Uno o varios ionesInorgánicos

Una molécula orgánica UNIÓN FUERTE SE LLAMAGRUPO PROSTÉTICO

COENZIMA

VITAMINA COENZIMA REACCIÓN EN LA QUE ESTÁ INVOLUCRADA

Tiamina (vitamina B1) Tiamina pirofosfato Activación y transferencia de aldehídos

Riboflavina (vitamina B2) Flavin mononucleótido o FMN; flavin adenin dinucleótido o FAD+,

Oxidación-reducción

Niacina Nicotin amida adenin dinucleótido o NAD+; Nicotin amida adenin dinucleótido fosfato o NADP+

Oxidación-reducción

LAS COENZIMAS SE DERIVAN DE LAS VITAMINAS

fosfato o NADP+

Ácido pantoténico Coenzima A Activación y transferencia de grupos acilo

Piridoxina Fosfato de piridoxal Reacciones que involucran la activación de aminoácidos

Biotina Biotina Activación y transferencia de CO2

Ácido lipoico Lipoamida Activación del grupo acilo:oxidación-reducción

Ácido fólico Tetrahidrofolato Activación y transferencia de grupos funcionales de un sólo carbono

Vitamina B12 Adenosil cobalamina; metil cobalamina

Isomerizaciones y transferencia de grupos metilo

ESTRUCTURA DE LAS COENZIMAS

ESTRUCTURA DE LAS COENZIMAS

Pirofosfato de tiamina

Biotina

Ácido ascórbico

Nomenclatura de las enzimas

b) Nombre sistemáticoa) Reacción que catalizab) Clase c) Subclase d) Número

Tipos de enzimas según la reacción que catalizan:

a) Nombre común: sustrato o producto + terminación asa

1) Oxidoreductasas.- Reacciones redox que involucran transferenciade electrones

2) Transferasas.- Reacciones de transferencia de grupos funcionales

3) Hidrolasas.- Reacciones de hidrólisis

4) Liasas.- Crean dobles enlaces

5) Isomerasas.- Reacciones de isomerización

6) Ligasas.- Formación de puentes con rompimiento de ATP

¿CÓMO SON?

QUIMOTRIPSINA LIBRE

SITIO ACTIVO

LOS ENZIMAS CATALIZAN REACCIONES DE MANERA EFICAZ Y ALTAMENTEESPECÍFICA

INTERACCIÓN PRECISA DEL ENZIMA-SUSTRATO

COMPLEJA ESTRUCTURACIÓN PROTEICA

ESPECIFICIDAD

ATAQUE NUCLEOFÍLICO SOBRE ELCARBONILO DEL ENLACE PEPTÍDICO

INTERMEDIARIO TETRAHEDRICODE VIDA CORTA

SITIO ACTIVO

LAS PROTEASAS O PROTEINASAS O PEPTIDASAS

ENZIMAS QUE ROMPEN ENLACES PEPTÍDICOS DE OTRAS PROTEÍNAS

SERIN-PROTEASAS ZINC-PROTEASAS ASPARTIL-PROTEASAS CISTEIN-PROTEASAS

ROMPEN EN SITIOS ESPECÍFICOS

PROTEASAS DE SERINA Tienen prácticamente el mismo mecanismo catalítico

Contienen la tríada catalítica: Ser, Asp, His

TRIPSINA rompe después de una Arginina o LisinaQUIMOTRIPSINA rompe después de un aminoácido con R hidrofóbico

SUBTILISINA rompe después de un aminoácido con un R pequeño no polar

MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA

1.- CATÁLISIS ÁCIDO – BASE

2.- CATÁLISIS COVALENTE

3.- CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS

AMINOÁCIDOS IMPLICADOS EN CÁTALISIS ÁCIDO-BASE GENERAL

RESIDUO ÁCIDO GENERAL BASE GENERALDE AMINOÁCIDO (DADOR DE H+) (ACEPTOR DE H+)

CÁTALISIS COVALENTEAMINOÁCIDOS Y COFACTORES SIRVEN COMO NUCLEÓFILOS PARA FORMARENLACES COVALENTES TRANSITORIOS ENTRE EL ENZIMA Y EL SUSTRATO

ESTABILIZACIÓN DEL ESTADO DE TRANSICIÓN EN LAS PROTEASAS DE SERINA

CARBOXIPEPTIDASA A

CATÁLISIS

EL MECANISMO ES CONCERTADO (VARIOS FENÓMENOS SIMULTÁNEOS)

FACTORES FÍSICOS O FISICOQUÍMICOS QUE PUEDEN AFECTAR LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

1. pH2. TEMPERATURA3. FUERZA IÓNICA4. CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MEDIO

Efecto de la temperatura en la actividad enzimática

Actividadde la

enzima

Temperatura óptima

20º C 30º C 60ºC

Efecto del pH en la actividad enzimáticapH óptimo

ACTIVI

Tripsina Colinesterasa Pepsina Papaína

IDAD

8

pH8

pH2 4

pH5 8

pH

E + S ES E + P

Sitio activo

Sustrato

[Enzima-sustrato]

+

Producto

Sitio activo

Enzima

Sitio activo+Sitio activo

CINÉTICA ENZIMÁTICA.- Disciplina que se encarga deestudiar el mecanismo de una reacción catalizadaenzimáticamente.

OBJETIVO.- Determinar la velocidad de la reacción yevaluar como se ve modificada ésta enrespuesta a cambios en los parámetrosexperimentales

VELOCIDAD= Cantidad de sustrato desaparecido oproducto formado por la enzima por unidad de tiempo

Por tanto sus unidades soncantidad de compuesto sobre unidad de tiempo:

moles mmoles

nmolesgramos

miligramosmgramos

hora

minuto

segundo

E + S ES E + PS P

ESTADOPRE-ESTACIONARIO

1) ESTADO PRE-ESTACIONARIO = HAY EXCESO DE SUSTRATO Y AUMENTALA CONCENTRACIÓN DE ES(ES RÁPIDO, DURA MICROSEGUNDOS)

2) ESTADO ESTACIONARIO = LA CONCENTRACIÓN ENZIMA-SUSTRATOPERMANECE APROX. CONSTANTE

MODELO DE Leonor MICHAELIS -Maud MENTEN

E + S [ES] E + Pk1

K-1

k2 1

Relaciona velocidad de la reacción con [S] y [E]

Vo = k2 [ES] 2Vo = k2 [ES]

Queremos saber cuánto ES se forma

Velocidad de formación de ES = k1 [E][S] 3

Velocidad de desaparición de ES = (k-1 + k2) [ES] 4

En el estado estacionario, las velocidades de formación y desapariciónde [ES] son iguales, donde [ES] es constante, mientras que [Reactivos] y [Productos] cambian

k1 [E] [S] = (k2 + k3) [ES] 5

[ES] = [E] [S](k2 + k3)/k1

6

Definimos una nueva constante: (para el denominador)

Km = constante de Michaelis

Km = k2 + k3

k1

7

Sustituimos en 6

[ES] = [E] [S]Km

8

Km es independiente de la concentración del enzimay la de sustrato

Asumiendo que ponemos un gran exceso de S con respecto a E, entonces [S]va a ser teóricamente la inicial o sea el total de [S].

Con respecto a [E], ésta se va a estar combinando con él. Va haber también E libre.

[E] = [Etotal] - [ES] 9

Sustituyendo para [E] en 8

[ES] = ([Etotal] - [ES] ) [S]Km

10Km

[ES] = [Et] [S] / Km1 + [S] / Km

11

[ES] = [Et] [S]______ [S] + Km

12 Vo = k2 [ES]

V = k2 [Et] [S]__ [S] + Km

13

Ya que la velocidad máxima (Vmax) se alcanza cuando los sitios de la enzima están saturados con sustratos, o sea cuando [S] >> Km, y entonces

[S]____ [S] + Km

Se aproxima a 1[S] + Km

entonces

Vmax = k2 [Et] 14

sustituyendo 14 en 13

V = Vmax ___[S] ___[S] + Km

Km = [S] a la cual la velocidad de la reacción tienela mitad de su valor máximo

RE

AC

CIÓ

N

V = Vmax ___[S] ___[S] + Km

VE

LO

CID

AD

DE

LA

RE

AC

CIÓ

N

Concentración del sustrato

[S] + Km

GRÁFICA DE DOBLES RECÍPROCOS O DE LINEWEAVER-BURK(TRANSFORMACIÓN DE LA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN)

Vo = Vmax ___[S] ___[S] + Km

INVERSO 1 = Km + [S]Vo Vmax [S]

1 = Km + [S]Vo Vmax [S] Vmax [S]

Pendiente

1 = Km + 1Vo Vmax [S] Vmax

Ecuación de Lineweaver-Burk