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UNCo – Facultad de Ciencias Médicas Introducción a la Química de los Sistemas Biológicos – 2020 Guía de estudio Nº 11: Enzimas

GUIA DE ESTUDIO Nº 11: Enzimas I.- Conceptos básicos: Cinética química: Concepto de velocidad de reacción, constantes cinéticas, influencia de la temperatura. Catalizadores químicos y biológicos. Enzimas. Generalidades. Especificidad. Sitio activo. Valoración de la actividad enzimática. Cinética enzimática. Velocidad inicial. Efecto de la concentración de sustrato, temperatura, fuerza iónica, pH. Enzimas micaelianas. Km y velocidad máxima. Enzimas alostéricas. Medición experimental de la actividad enzimática. Regulación enzimática. II.- Objetivos: ✓ Conocer las características más importantes de las enzimas y su modo de acción. ✓ Analizar el efecto de factores físicos, tales como la temperatura y pH sobre la velocidad de acción de una enzima ✓ Comprender la influencia de activadores e inhibidores sobre la acción enzimática. III.- Actividades Actividad Nº 1.-Cinética química 1.1.- En los gráficos de la derecha se muestran diagramas de energía para una reacción espontánea y una no espontánea, en presencia y en ausencia de catalizador

a) Asignar a los siguientes ítems la representación que le corresponda en los gráficos: i.

Energía de activación de la reacción catalizada.

ii.

Energía de activación de la reacción no catalizada.

iii.

Variación de energía libre de la reacción con su signo correspondiente (+/-).

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b) Tachar lo que no corresponda: i.

La curva A/ B representa una reacción espontánea debido a que la energía libre del estado inicial es MAYOR/ MENOR que la del estado final. Por lo tanto, el signo de G de la reacción será MAYOR/ MENOR que cero, y la reacción será ENDERGÓNICA/ EXERGÓNICA.

ii.

La diferencia de energía libre ( G) global entre los reactivos y los productos es IGUAL/ DIFERENTE en las reacciones catalizadas y no catalizadas.

iii.

La constante de equilibrio de una reacción química NO VARÍA/ VARÍA con la temperatura.

iv.

La reacción catalizada por una enzima tiene lugar a una MAYOR/ MENOR velocidad porque AUMENTA/ DISMINUYE la energía de activación.

v.

Los catalizadores ALTERAN/ NO ALTERAN la posición de equilibrio de la reacción que catalizan.

vi.

Los catalizadores SUFREN/ NO SUFREN cambios en las transformaciones químicas en las que participan y PUEDEN/ NO PUEDEN ser reutilizados.

1.2.- En cada caso, indicar si las afirmaciones son correctas o incorrectas, justificando brevemente: a) Para cada reacción química hay una barrera energética que debe superarse para que la reacción suceda. b) El aumento de la energía cinética de los reactantes disminuye la velocidad de reacción. c) Los catalizadores aumentan la velocidad en la cual la reacción alcanza el equilibrio al aumentar la energía de activación.

1.3.-Señalar las principales diferencias entre un catalizador químico y un catalizador biológico. Catalizador químico

Catalizador biológico

Condiciones de reacción

suaves

extremas

suaves

extremas

Velocidad de reacción

superior

inferior

superior

inferior

Especificidad

alta

baja

alta

baja

Regulación Tipo de compuesto

si no inorgánico/orgánico

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si no inorgánico/orgánico

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Actividad Nº 2.-Enzimas.

2.1.- Nombrar las seis clases de enzimas e indicar mediante un ejemplo el tipo de reacción que catalizan

2.2.- ¿Cuál de los siguientes enunciados, acerca de las reacciones catalizadas por enzimas, NO es correcto? a) Las enzimas forman complejos con sus sustratos. b) Las enzimas disminuyen la energía de activación de las reacciones químicas c) Las enzimas cambian la k de equilibrio de las reacciones químicas. d) Muchas enzimas cambian de forma ligeramente cuando unen al sustrato. e) Las reacciones ocurren en el centro activo de las enzimas, donde una orientación espacial precisa de los aminoácidos es una cuestión muy importante para la catálisis.

2.3.-Consultar la bibliografía e indicar que tipo de coenzimas/cofactores utilizan las enzimas teniendo en cuenta la clasificación citada anteriormente. Justifica con ejemplos.

Actividad Nº 3.-Cinética enzimática. 3.1-En base a los datos presentados en la Tabla graficar: V0(f) [S] Tabla: Velocidades iniciales para una reacción enzimática [S] (moles / litro) V0(moles/min.) 0.1 12 0.21 37.5 0.325 48 0.588 52 0.893 53.6 1.232 53.6 3.2- Teniendo en cuenta el gráfico obtenido en la actividad 3.1.-, responder: a) ¿Qué forma tiene la curva: hipérbola ó sigmoidea? ¿Qué ecuación matemática la representa?

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b) ¿Por qué se mantiene constante la velocidad a partir de la [S] de 0,9 M? ¿Cómo se denomina este parámetro? Indicarlo en el grafico c) Indicar de que orden es la reacción a [S] pequeñas y a [S] altas d) ¿Cómo se podría incrementar nuevamente la velocidad? e) ¿Cuál es la concentración de enzima libre a una [S] de 0,9 M? f) ¿A qué concentración de sustrato se logra la mitad de la velocidad máxima? ¿Cómo se denomina este parámetro? Indicarlo en el grafico g) ¿El Km es un valor fijo para cada enzima o puede variar según estructura del sustrato, la temperatura y el pH? h) Graficar la inversa de velocidad en función de la inversa de la concentración de sustrato, indicando en el mismo Km y Vmáx (Lineweaver-Burk)

3.3.-Indicar si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas, justificando en todos los casos: Una enzima que tiene dos sustratos, por los que presenta los siguientes valores:

Sustrato (S1) Km1 = 5, 10-6 M Sustrato (S2) Km2 = 5, 10-9 M

a) presenta mayor afinidad por el S1 b) presenta mayor afinidad por el S2 c) presenta la misma afinidad para los dos sustratos d) los valores de Km no se relacionan con la afinidad de la enzima por el sustrato e) la velocidad máxima para S1 es igual a ½ de 5. 10-6

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Actividad Nº 4.-Factores que modifican la actividad enzimática 4.1.-Las curvas que se muestran en el siguiente gráfico representan la actividad de dos tipos diferentes de enzimas. a) ¿Cuál es la temperatura óptima de la enzima A? ¿Y la de la enzima B? b) ¿A qué temperatura se interrumpe por completo la actividad de cada una de estas enzimas? c) Explicar cuáles son las causas de la variación en la actividad enzimática en temperaturas inferiores a la óptima y en temperaturas superiores a ella. d) ¿Qué indica la “cima” de cada curva? e) Tomando en cuenta las temperaturas a las que actúan estas enzimas, ¿cuál de ellas podría ser una enzima del cuerpo humano? Justificar brevemente la respuesta. f) ¿Cuál de estas enzimas podría provenir de un organismo extremófilo? Justificar brevemente la respuesta.

4.2.- En relación a las enzimas cuyas curvas de actividad se observan en el gráfico de la derecha: a) Indicar pH óptimo de cada una de ellas. b) Buscar en la bibliografía clasificación y función de cada una de las enzimas presentadas. c) Indicar de qué manera el pH puede afectar la actividad enzimática. d) Explicar de qué manera los seres vivos pueden mantener estable el pH intracelular para que no se modifique la actividad enzimática.

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4.3.-La presencia de inhibidores afecta la actividad enzimática: a) Describir el tipo de inhibición enzimática propuesta en la imagen de la derecha: b) Indicar si las misma es reversible o irreversible. En caso de ser reversible, ¿de qué forma se podrá revertir? c) ¿Cómo sería el gráfico según LineaweaverBurk para este tipo de inhibidor? d) Si es posible, mencionar algún ejemplo de este tipo de inhibición

Antes de comenzar a resolver la siguiente actividad ingresa a PEDCO y accede al video tutorial elaborado por la cátedra

4.4.- El ibuprofeno es una sustancia que ejerce su acción antipirética y antiinflamatoria por un mecanismo de inhibición competitiva sobre la enzima ciclooxigenasa. Esta enzima cataliza la primera etapa de conversión del ácido araquidónico en peróxidos cíclicos que darán lugar a prostaglandinas y tromboxanos, mediadores de estos procesos inflamatorios. Se ha realizado un ensayo para estudiar los parámetros cinéticos de esta enzima en presencia y en ausencia de ibuprofeno y se han obtenido los datos que se reflejan en el de la derecha. a) ¿Podría este gráfico reflejar los parámetros cinéticos de la ciclooxigenasa en presencia y ausencia de ibuprofeno? b) Señalar: ¿cuál de las rectas corresponde al ensayo en presencia de inhibidor? c) Calcular Vmáx, Km y Km aparente.

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Actividad Nº 5.-Enzimas alostéricas 5.1.-Dado el gráfico de la derecha: a) Indicar qué tipo de enzima (micaeliana o alostérica) representa cada una de las curvas. b) En cada frase colocar curva A o curva B, según corresponda: ✓ No tiene la forma de una hipérbola rectangular sino sigmoidal. __________ ✓ A bajas [S] la velocidad de reacción aumenta de forma relativamente lenta, mientras que a concentraciones de S aproximadamente igual a Km, la velocidad crece menos rápidamente que lo que sugiere la ecuación de MichaelisMenten. __________ ✓ La unión de las primeras moléculas de sustrato a la enzima no varía la afinidad de las mismas por las subsiguientes moléculas de sustrato. __________ ✓ Para que la actividad aumente desde aproximadamente el 10% al 100% se necesita un aumento mucho mayor en la [S] que en el caso de la enzima micaeliana. __________

5.2.- Explicar, teniendo en cuenta la curva de actividad enzimática presentada en la actividad 5.1.cuál es la diferencia estructural entre las enzimas alostéricas y micaelianas.

5.3.-Indicar si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas, justificando en todos los casos: a) Los reguladores alostéricos se unen al sitio activo de la enzima. b) Un regulador alostérico posee una forma similar al sustrato. c) Para todas las enzimas alostéricas, la unión del regulador alostérico induce un cambio conformacional en la enzima. d) Una enzima con comportamiento alostérico puede, en algunas condiciones, comportarse según la ecuación de Michaelis-Menten. e) Las enzimas cooperativas tienen dos conformaciones en equilibrio, y una de ellas posee mayor afinidad por el sustrato.

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5.4.- En la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación, correspondientes con los tres pasos irreversibles y que están catalizados, respectivamente, por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvatoquinasa. Estas enzimas están reguladas principalmente a través de una regulación alostérica. Indicar que reacción catalizan y cuáles son los moduladores positivos y negativos de cada una de las enzimas mencionadas.

Actividad Nº 6.-Regulación enzimática

6.1.-Existen enzimas que pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el P i o el AMP. 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. a) Buscar en la bibliografía ejemplos de modificaciones covalentes por fosforilación. b) Nombrar otros mecanismos de modificación covalente.

6.2.-Algunas enzimas no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas se llaman pro enzimas o zimógenos. Para activarse, los zimógenos sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos. El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las propiedades de la enzima activa. Muchas enzimas digestivas se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten a la forma activa. Es el caso de la a-quimotripsina, que se sintetiza en forma de quimotripsinógeno. Si estas enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce. Así, la tripsina pancreática (una proteasa) se sintetiza como tripsinógeno (inactivo). Si por alguna razón se activa en el propio páncreas, la glándula sufre un proceso de autodestrucción (pancreatitis aguda), a menudo mortal. Buscar en la bibliografía otros ejemplos de enzimas que sufran modificaciones covalentes irreversibles.

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Actividad Nº 7.- Aplicación clínica del estudio cualitativo y cuantitativo de enzimas. Isoenzimas. Las enzimas presentes en suero que actúan sobre el mismo sustrato fisiológico, pero corresponden a isoformas diferentes, provienen de tejidos diferentes, y fueron descubiertas aplicando técnicas electroforéticas. Buscar en la bibliografía qué tipo de enzima es LDH y cuáles son su ISOZIMAS o ISOENZIMAS y su aplicación en el diagnóstico de infarto agudo de miocardio.

Resolvemos la Actividad de Simulación propuesta en PEDCo y la trabajamos en el FORO

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