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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA David Gustavo García Gutiérrez Temario 1. Introducción a la bioquímica 2. La matriz de la vida: interacciones en un medio acuoso 3. Energética de la vida 4. Ácidos nucleicos 5. Nivel primario de la estructura proteica 6. Estructura tridimensional de las proteínas 7. Función...

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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA David Gustavo García Gutiérrez

Temario Introducción a la bioquímica 2. La matriz de la vida: interacciones en un medio acuoso 3. Energética de la vida 4. Ácidos nucleicos 5. Nivel primario de la estructura proteica 6. Estructura tridimensional de las proteínas 7. Función de las proteínas 8. Hidratos de carbono: Azucares, Sacáridos y glucanos 9. Lípidos, membranas y transporte celular 10. Enzimas 1.

Enzimas Tema 10

Introducción 

Enzimas 

Las reacciones químicas presentan una energía de activación elevada, que en condiciones compatibles con la vida ocurrirían a velocidades casi nulas, con lo cual la vida sería imposible.



Las enzimas son catalizadores biológicos



Un catalizador reduce la barrera de energía para una reacción



Catalizan sin ser consumidas



Aumentan la velocidad hasta 1020 veces



Una enzima une al sustrato o los sustratos, promueve la reacción y libera el producto o los productos

Introducción 

Características de las enzimas: 

Velocidades de reacción más elevadas



Condiciones de reacción más suaves:   

temperaturas por debajo de 50°C, a la presión atmosférica y a valores de pH casi neutros.



Mayor especificidad de reacción: especificidad muy grande, tanto respecto a las identidades de sus sustratos (reactantes) como de sus productos



Capacidad para la regulación: propiedad fundamental para la relación entre la actividad enzimática y la homeostasis de los organismos vivos.

Introducción 

Estructura de las enzimas  Son

 De

macromoléculas

origen proteico

 Peso

molecular alto: 10,000 – 1´000,000 Daltons

Nomenclatura 

Las enzimas se designan añadiendo el sufijo"-asa“ al nombre del sustrato de la enzima o a una frase que describa la acción catalítica de la enzima.  Ejemplo  “Ureasa“:

cataliza la hidrólisis de la urea  “Alcohol deshidrogenasa“: cataliza la oxidación de los alcoholes a sus correspondientes aldehídos.

Nomenclatura 

Nominación de enzimas  International  Las

Union of Biochemistry (IUB)

enzimas se clasifican y designan de acuerdo con la naturaleza de las reacciones químicas que catalizan.  Existen seis clases principales de reacciones que catalizan los enzimas, así como subclases y sub-subclases dentro de las clases.

Terminología y clasificación 

Clases 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Oxidorreductasas Transferasas Hidrolasas Liasas Isomerasas Ligasas

Terminología y clasificación 

Oxidorreductasas 



Son aquellas enzimas que catalizan las reacciones de oxidorreducción: la transferencia de electrones o sus equivalentes entre un donante y un aceptor. 

Deshidrogenasas: Separan átomos de hidrógeno del sustrato.



Oxidasas: Oxidan el sustrato al aceptar sus electrones.



Otras:oxigenasas, reductasas, peroxidasas, e hidroxilasas.

Transferasas 

Catalizan la transferencia de un grupo químico entre un donante y un aceptor. 

Ejemplos de grupos incluyen amino, carboxil, carbonil, metil, fosforil, y acil (RC=O).



Nombres triviales comunes para este tipo de enzimas incluyen frecuentemente el prefijo trans-. Algunos ejemplos son, transmetilasas, transaminasas y transcarboxilasas.

Terminología y clasificación 

Hidrolasas 



Catalizan la ruptura de enlaces químicos con la participación de las moléculas del agua  Las hidrolasas incluyen a las esterasas, fosfatasas, glucosidasas, lipasas y peptidasas

Liasas 

Catalizan reacciones en las cuales se produce la adición o sustracción de grupos químicos (e.g., H2O, CO2, y NH3) a dobles enlaces o para formar dobles enlaces  Decarboxilasas, hidratasas, dehidratasas, deaminasas, y sintasas son ejemplos de liasas

Terminología y clasificación 

Isomerasas 

Catalizan varios tipos de rearreglos intramoleculares que llevan ese nombre.  



Las epimerasas catalizan la inversión de carbonos asimétricos. Las mutasas la transferencia intramolecular de grupos funcionales

Ligasas. 

Catalizan la unión covalente de 2 sustratos mediante la energía de hidrólisis de nucleósidos trifosfatados, generalmente el ATP. 

Los nombres de muchas ligasas incluyen el nombre sintetasa y carboxilasas.

Terminología y clasificación

Nombre Recomendado y Sistemático 

El nombre recomendado 



Conveniente para el empleo diario y es el nombre trivial de la enzima empleado.

El nombre sistemático: 

Se emplea cuando debe hacerse mínima la ambigüedad: 

Consiste en el nombre del sustrato seguido de una palabra que acabe en " -asa" y que especifica el tipo de reacción que cataliza la enzima, de acuerdo con la clasificación del grupo principal.

Terminología y clasificación 

Número de la comisión de enzimas EC (Enzyme Commission numbers) Ejemplo  Enzima carboxipeptidasa A: EC 3.4.17.1   



El primer número (3) índica la clase principal a la que pertenece la enzima (Hidrolasas) El segundo número (4) índica la subclase (actúa sobre el enlace peptídico), El tercer número (17) designa la sub-subclase metalo-carboxipeptidasas; la carboxipeptidasa A tiene un ion Zn2+ unido que es esencial para su actividad catalítica El cuarto número (1) es el número de serie de la enzima asignado arbitrariamente en la sub-subclase.

Terminología y clasificación ATP + D-Glucosa  ADP + D-Glucosa-6-fosfato 

IUB - ATP:glucosa fosfotransferasa



EC. 2.7.1.1   





2 - clase - Transferasa 7 - subclase - Fosfotransferasas 1 - sub-subclase - Fosfotransferasa que utiliza un grupo hidroxilo como receptor 1 - indica que la D-glucosa es el receptor del grupo fosfato

Nombre trivial: Hexocinasa

Zimógenos o Proenzimas 

Son precursores inactivos de las enzimas



Un zimógeno es una molécula que necesita ser activada para convertirse en una enzima activa Las enzimas digestivas, algunos factores de la coagulación y otras proteínas son sintetizadas como zimógenos.  Es uno de los “mecanismos de seguridad” con que cuenta el organismo para su supervivencia. 

Isoenzimas o Isozimas 

Son enzimas que difieren en la secuencia de aminoácidos, pero que catalizan la misma reacción química



Estas enzimas suelen mostrar diferentes parámetros cinéticos o propiedades de regulación diferentes

Función de las enzimas 

Sustrato  Sustancia

con la cual reacciona la enzima  Posterior a la reacción se transforma en producto

Función de las enzimas ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO  Las enzimas son específicas en las reacciones que catalizan, como se dice habitualmente: una enzima-un sustrato. 

La especificidad puede darse en varios grados:  Especificidad absoluta: Se da cuando la enzima sólo actúa sobre un sustrato. 

Especificidad de grupo: Se da cuando la enzima reconoce un determinado grupo de moléculas.



Especificidad de clase: Es la menos específica, dado que la actuación de la enzima no depende del tipo de moléculas, sino del tipo de enlace.

FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 

Inhibidores 

Irreversibles: Tienen lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo de la enzima alterando su estructura.



Reversibles: Tienen lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que sólo impide temporalmente su normal funcionamiento.



Competidores: Se debe a la presencia de una sustancia similar al sustrato por lo que se puede competir en la fijación al centro activo.



No competidores: Es debida a un inhibidor que se une a la enzima impidiendo la fijación del sustrato al centro activo.

Cofactores 

Iones metálicos (Fe2+, Cu2+, Mg2+, entre otros)  

Las enzimas que precisan de iones metálicos se llaman: metaloenzimas. El ion metálico puede actuar como:   

Centro catalítico primario Grupo puente para reunir el sustrato y la enzima, formando un complejo de coordinación Agente estabilizante de la conformación de la proteína enzimática en su forma catalíticamente activa



Coenzimas, moléculas orgánicas tales como el NAD+, que solo se hallan transitoriamente con la enzima



Grupos prostéticos, los cuales se hallan asociados de modo permanente con la enzima, frecuentemente mediante enlace covalente. Tal es el caso del FMN en la enzima NADH deshidrogenasa o del FAD en la succinato deshidrogenasa.

Función de las enzimas 

Cofactor

Coenzimas 

FAD (flavín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.



FMN (Flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones.



NAD+(nicotín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.



NADP+ (nicotín-adenín dinucleótido fosfato): transferencia de electrones y protones.



Coenzima A: transferencia de grupos acetilo (por ejemplo, en la descarboxilación del ácido pirúvico) y de grupos acilo en general.



Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria.



Coenzima B12: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre moléculas.



Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.

APOENZIMA - HOLOENZIMA 

La proteína que, cuando se encuentra aislada y separada de su cofactor, es inactiva, se designa como apoenzima



El complejo enzima-cofactor, activo catalíticamente, se llama holoenzima.

Apoenzima (inactiva) + cofactor ↔ Holoenzima (activa)

Cinética Constante de Velocidad  La velocidad de la reacción depende de la concentración de sustrato. 

Cada reacción, bajo determinadas condiciones, presenta una constante de velocidad característica.



Las unidades en que se expresa la constante de velocidad (k) serán s-1

FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 

Influencia de la temperatura: 



Influencia del pH: 



Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima.

Todas las enzimas tienen dos valores límites de pH entre las cuales son efectivas.

Concentración del sustrato: 

Al incrementar la concentración de sustrato, para una concentración de enzima constante se produce un aumento de velocidad de reacción.



Si la concentración de sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que se produce una saturación de la enzima, cuyas moléculas se hallan todas en forma de complejo enzima-sustrato.

Cinética 

Efecto del pH 

La fijación del sustrato a la enzima, frecuentemente utilizando enlaces electrostáticos que dependen de la ionización de los participantes.



La actividad catalítica de la enzima, dependiente del estado de ionización de los aminoácidos importantes localizados en el sitio activo de la enzima, así como de su estructura terciaría y cuaternaria



La ionización del sustrato



La variación de la estructura proteica misma (normalmente, sólo significativa a pH extremos).

Cinética 

El pH de mayor actividad varía para diferentes enzimas. 

Podrían ser desnaturalizadas si se someten a cambios drásticos de pH

Cinética Efecto de la temperatura sobre las enzimas 

La estructura proteica es la que determina la actividad enzimática, cualquier causa que perturbe esta estructura puede llevar a una pérdida de actividad.



Al aumentar la temperatura, la velocidad de reacción aumenta para casi todas las enzimas 



Un incremento de 10°C duplica e incluso triplica la velocidad de reacción

Aumento de temperatura acelera también la inactivación de la enzima por desnaturalización térmica. 

Para muchas enzimas la región de inactivación térmica está muy próxima de la temperatura óptima.

Cinética

Cinética de las Rx Enzimáticas

Cinética de las Rx Enzimáticas Características de Km: La constante de Michaelis es característica de cada enzima y su sustrato particular, y refleja la afinidad de la enzima por dicho sustrato. 

La Km es numéricamente igual a la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima de la enzima, ½Vmax.



La Km no depende de la concentración de la enzima.



Una Km numéricamente pequeña, refleja una gran afinidad por el sustrato, ya que bajas concentraciones de sustrato son suficientes para saturar al 50% de la enzima es decir, para alcanzar la mitad de la velocidad máxima, ½Vmax.



Una Km numéricamente grande, refleja una baja afinidad de la enzima por su sustrato, ya que son necesarias grandes concentraciones de sustrato para saturar el 50% de la enzima.

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