enzimas

1. Capítulo 6
Las enzimas: los
catalistas de la vida

2. UNIVERSIDAD DE PANAMÁ
ESCUELA DE BIOLOGÍA
FISIOLOGÍA GENERAL (BIO 312)

3. • E n el Capítulo anterior se estudió el signo
(+ o -)de ∆G y su significado al igual que
su magnitud y si la reacción puede
ocurrir, pero no nos dice si la reacción
actualmente ocurrirá.
Las enzimas: los catalistas de la vida

4. ∀ ∆G’ nos dice si la reacción puede llevarse a
cabo pero no nos dice si en realidad se llevará a
cabo.
• En realidad no solo se necesita saber las
energéticas y la dirección de la reacción sino
también el mecanismo y las tasas.
• Todas las reacciones celulares son mediadas
por proteínas catalíticas, aunque a veces por
RNA. Éstas se denominan enzimas.
Las enzimas: los catalistas de la vida

5. Las enzimas: los catalistas de la vida
• Por ejemplo: si una hoja de papel puede
quemarse o si un fósforo puede
prenderse, pero ninguno de los dos se
está actualmente quemando.
• Esto se debe a que las moléculas
reactivas no tienen suficiente energía para
iniciar la reacción.

6. La energía de activación
• Para cada reacción debe existir una
energía de activación específica (EA), es
decir una cantidad mínima de energía
necesaria para que dos moléculas puedan
reaccionar.
• Por ejemplo, la energía de activación que
se requiere para la reacción entre ATP y
H2O:

7. La energía de activación

9. La energía de activación
• Para que un ATP reaccione con un H2O, estas
moléculas deben chocarse y a temperatura
ambiental éstas se mueven con facilidad, cada
una con cierta cantidad de energía, en un
instante dado, que casualmente le permite
moverse.
• Para que la reacción ocurra, esta energía debe
ser lo suficientemente alta como para permitir la
reacción.
• Pero, ¿cuántas moléculas en esa solución la
tienen?

10. Esta figura presenta la
distribución de energía
entre las moléculas
en donde algunas
moléculas se mueven
más rápido que otras
porque tienen más
energía que las otras.
Solo las moléculas N1 o
N2 tienen suficiente
energía para sobrepasar
EA y pueden reaccionar:

11. Reacciones metaestables
• En las reacciones biológicas, a
temperaturas normales EA es muy alta y
muy pocas moléculas la pueden
sobrepasar en un instante dado

12. Reacciones metaestables
• La mayoría de las moléculas están
estables y por lo tanto ni cambian ni
reaccionan a pesar de que
termodinámicamente son favorablemente
reactivas.

13. Reacciones metaestables
• En otras palabras son
termodinámicamente inestables pero
cinéticamente estables; no tienen
suficiente energía cinética o de
movimiento para sobrepasar EA.
• En este caso se dice que son
metaestables.

14. Reacciones metaestables
• Si las células no fueran metaestables
todas las moléculas reactivas procederían
instantáneamente hacia el equilibrio y la
vida sería imposible.
• Por lo tanto, la alta EA impide que las
reacciones celulares ocurran
rápidamente.

15. Como se sobrepasa la energía de
activación
• Si las moléculas reactivas son
metaestables, la única manera que la
reacción puede ocurrir de manera rápida
es aumentando el número proporcional de
moléculas con suficiente energía para
poder sobrepasar EA.

16. Como se sobrepasa la energía de
activación
• Esto se logra de dos maneras:
1. aumentando el contenido energético
promedio de todas las moléculas reactivas ó
2. disminuyendo EA.

17. 1. aumentando el contenido energético
• En la figura de
activación térmica se
nota que T2>T1 y por
lo tanto el número de
moléculas con
suficiente energía
para reaccionar es N2
en vez de N1 y se
acelera la hidrólisis
de ATP.

18. 1. aumentando el contenido energético
• En algunos casos un pequeño empuje es
suficiente porque la reacción iniciada
libera suficiente energía para activar las
reacciones subsiguientes por ejemplo,
rozando por fricción un fósforo o una
chispa para prender gasolina.

19. 2. disminuyendo EA.
• Las células son isotérmicas es decir
temperatura constante y por lo tanto se
requieren métodos isotérmicos para
resolver el problema.

20. 2. disminuyendo EA.
• La alternativa a la termoactivación es
reducir EA.
• Esto es posible si se reduce la
aleatoriedad de las colisiones entre
reactivos es decir,
• obligándolos a ordenarse de tal manera
que se coloquen sobre una superficie en
posiciones cercanas y orientadas a que
reaccionen.

21. 2. disminuyendo EA
• Los catalizadores
proveen esta
superficie y reducen
la EA necesaria para
la reacción tal cual
aparece en la figura.

22. Los catalizadores
• no cambian permanentemente ni son
consumidos durante la reacción, solo
proveen una superficie y un ambiente
adecuado para facilitar la reacción.

23. Los catalizadores
• Por ejemplo:
• 2H2O2  2 H2O + O2
• El peróxido existe en estado
metaestable a menos que se añada
iones férricos (Fe3+
) que acelera la
reacción 30,000 veces reduciendo la
cantidad de EA necesaria para la
reacción.
• En sistemas biológicos la enzima
catalasa que contiene hierro aumenta
la velocidad de la reacción 100 X 106
es decir cien millones de veces.
• La combinación del hierro con
porfirina y la proteína que los
envuelve es mucho más efectiva que
solamente los iones férricos.

24. Las enzimas como catalizadores
biológicos

26. Propiedades de los catalizadores
1. Aumentan la velocidad de la reacción
disminuyendo la energía de activación
necesaria, permitiendo que las
reacciones termodinámicamente
permisibles se produzcan a una
velocidad razonable sin que se tenga
que acudir a una activación térmica.
3. Cambia solamente la velocidad que
lleva hacia el equilibrio y no afecta la
posición del equilibrio. Esto quiere decir
que aumenta la velocidad de una
reacción exergónica y que no puede
impulsar una reacción endergónica.
2. Forman complejos transitorios con las
moléculas sustratos, ordenando estas
últimas de una forma que se facilita su
interacción.

27. Las enzimas como proteínas
• Esencialmente las enzimas son proteínas,
aunque algunas moléculas de RNA
presentan actividad catalizadora.

30. El punto activo
• Las enzimas contienen dentro de su
estructura terciaria un grupo de aa’s que
forman el punto en donde realmente
ocurre el evento catalítico.
• Este punto es una hendidura o un hueco
con propiedades químicas y estructurales
que acomodan el sustrato de manera muy
específica.

31. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas.
• En el caso de la hexoquinasa, el sustrato glucosa
encaja en la enzima como llave en cerradura.

32. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas. En el caso de la hexoquinasa, el
sustrato glucosa encaja en la enzima como llave
en cerradura.

33. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas. En el caso de la hexoquinasa, el
sustrato glucosa encaja en la enzima como llave
en cerradura.

34. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas. En el caso de la hexoquinasa, el
sustrato glucosa encaja en la enzima como llave
en cerradura.

35. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas. En el caso de la hexoquinasa, el
sustrato glucosa encaja en la enzima como llave
en cerradura.

36. El punto activo
• Se utilizan modelos computarizados de técnicas
gráficas en donde se puede notar que el
sustrato encaja en la enzima como llave en
cerradura.

37. • En la mayoría de los casos solo cisteína, histidina,
serina, aspartato, glutamato y lisina son los aa’s
que tienen que ver con el punto activo.

38. El grupo prostético
• Son pequeñas moléculas
o iones metálicos que
participan en la
configuración de la
enzima y que no son
polipéptidos
• Por ejemplo, el hierro en
la catalasa y el zinc en la
carboxipeptidasa A.
• Generalmente funcionan
como aceptores de
electrones y se
encuentran en el punto
activo.

39. Especificidad de la enzima
• Especificidad del substrato:
– en general una enzima cataliza, una y una
sola reacción.

40. Especificidad de la enzima
• Sensibilidad al
ambiente: un aumento
en la temperatura
aumenta el número de
colisiones aumentando
el “chance” es decir la
probabilidad de la unión
o toque entre dos o más
moléculas del substrato.
• Sin embargo, la
temperatura llegará a un
límite en donde la
enzima empieza a
desnaturalizarse y la
velocidad de la reacción
empieza a disminuir.
• Los enlaces de
hidrógeno se rompen,
las interacciones
hidrofóbicas cambian y
la integridad estructural
del punto activo se
rompe con consecuente
pérdida de actividad.

41. • Lo mismo ocurre con el pH debido a que algunos aa’s en el
punto activo deben estar ionizados y otros no.
• Cambios en el pH cambian esta situación.
• La mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo entre 6.5 y
7.5, pero la pepsina a 2.0 y la tripsina a 8.5.

42. Las enzimas como catalizadoras
• Típicamente las reacciones catalizadas
por enzimas proceden a velocidades entre
108
y 1010
veces más rápidas que las que
no están catalizadas

43. • Dentro de la hendidura o hueco del punto activo, el
substrato forma un enlace temporal con la superficie de la
enzima con una orientación justa como para facilitar la
reacción.
• Este enlace puede ser de hidrógeno o iónico y por lo tanto
fácil de romper y también reversible.

44. El modelo de la “llave y la cerradura.”
• Este modelo explica que la especificidad entre el
substrato y la enzima se debe a que el substrato
encaja exactamente en el punto activo.

45. El modelo del encaje inducido de
Daniel Koshland
• La forma de la
enzima y de
su punto
activo cambia
cuando el
substrato se
liga a la
enzima en el
punto activo:

46. El modelo del encaje inducido de
Daniel Koshland
• La forma de la
enzima y de
su punto
activo cambia
cuando el
substrato se
liga a la
enzima en el
punto activo:

47. • El punto activo es tan solo complementario al
substrato ante de ligarse pero se transforma en
un encaje muy específico una vez que el
substrato se encuentra en su lugar
• por ejemplo, en el caso de la carboxipeptidasa A
ya estudiada, el ligamiento del substrato trae
tres aa’s críticos hacia el punto activo: arginina,
glutamato y tirosina.
• El propósito de este cambio es tomar o
distorsionar algunos enlaces del substrato
haciéndolo más susceptible al ataque catalítico.
El modelo del encaje inducido de
Daniel Koshland

48. La cinética de las enzimas
• La palabra cinética viene del griego
kineticos y quiere decir movimiento.
• En el contexto de enzimas quiere decir la
velocidad y la manera que esta velocidad
es influenciada por una variedad de
factores incluyendo el substrato, los
productos y los inhibidores.

49. La cinética de las enzimas
• Nuestras consideraciones están
restringidas a las velocidades iniciales de
la reacción,
• medidas sobre el período de tiempo
durante el cual la concentración del
substrato no es todavía lo suficientemente
bajo como para afectar la velocidad; y la
acumulación del producto no produce
efectos medibles de retroceso.

50. Las cinéticas de Michaelis-Menten
• Las reacciones catalizadas aumentan de
velocidad con el aumento en la
concentración del substrato,
• es decir el reactivo catalizado;
• pero cada vez el aumento es menor con
el aumento del substrato.

51. Las cinéticas de Michaelis-Menten
• Si se grafica la
velocidad “V”
vs. la
concentración
[S], se obtiene
una hipérbola,
• solo que el
extremo superior
se vuelve
asintótica.

52. Las cinéticas de Michaelis-Menten
• Para determinar la
velocidad máxima de una
reacción enzimática, la
concentración del
substrato ([S]) es
aumentada hasta
alcanzar una velocidad
constante de formación
de producto.
• Esa es la velocidad
máxima (Vmax) de la
enzima.
• En ese caso, los sitios
activos de la enzima
están saturados con
sustrato.

53. Las cinéticas de Michaelis-Menten
• Este trabajo fue pionero por los
enzimólogos alemanes Leonor Michaelis
y Maud Menten en 1913

54. • De manera sencilla una reacción enzimática se
describe con la siguiente reacción:

55. • La velocidad “v” de la reacción fue definida como la tasa
de formación y por lo tanto aumento de la concentración
del producto [P] en función del tiempo “t”. Si tomamos
en cuenta el hecho de que a medida que aumenta la
concentración del producto [P] disminuye la
concentración del substrato [S], entonces la velocidad
“v” se define de dos maneras:
• y por lo tanto la ecuación Michaelis-Menten
tiene la siguiente forma:

56. • Esta ecuación está dada en un momento
dado y vamos a parar el tiempo al inicio
de la reacción y por lo tanto los valores de
“v” y de [S] son considerados al inicio, ya
que inmediatamente después cambian.

57. ¿Cuál es el significado de Vmax y de
Km?
• Caso 1: El substrato [S] se encuentra a muy
muy bajas concentraciones ([S]<< Km). En la
ecuación Michaelis-Menten el valor de [S]del
denominador es tan bajo que no afecta la
ecuación y puede ser eliminado y la ecuación
queda así:

58. Caso 1: ([S]<< Km).
• “v”es proporcional a
[S] y corresponde en
el diagrama a la
región de primer
orden en donde la
relación entre estos
dos parámetros es
lineal.

59. ¿Cuál es el significado de Vmax y de
Km?
• Caso 2: altas concentraciones del sustrato
([S]>> Km). En este caso Km no influye en la
ecuación:
• saturación porque todas las moléculas de la
enzima (E) están ocupadas y al añadir S éstas
no van a encontrar ninguna E disponible para
formar el complejo ES.

60. Caso 2: ([S]>> Km).

61. Caso 2: ([S]>> Km).
• Vmax solo aumenta con un aumento en E y por lo
tanto es proporcional a [E].

62. ¿Cuál es el significado de Vmax y de
Km?
• Caso 3: [S] = Km.
• Km se denomina la constante Michaelis y mide
la afinidad que existe entre la enzima y el
sustrato y es específica para cada reacción.
Mientras más baja sea Km mayor es la afinidad
entre E y S.

63. La ecuación Lineweaver-Burk
• Hemos visto que la ecuación Michaelis-Menten es:
• El trazado de esta
ecuación es una
hipérbola,
matemáticamente
difícil de manejar.

64. La ecuación Lineweaver-Burk
• Hemos visto que la ecuación Michaelis-Menten es:
• El trazado de esta
ecuación es una
hipérbola,
matemáticamente
difícil de manejar.
• Si se toma el recíproco en ambos miembros de
la ecuación de Michaelis-Menten tenemos:

65. La ecuación Lineweaver-Burk
• Esta ecuación tiene los parámetros de una línea
recta y su gráfica es fácil de manejar.
y = mx + b

66. La ecuación Lineweaver-Burk

67. Valores de la ecuación
Michaelis-Menten
• Calculando los
recíprocos obtenidos
de la ecuación
Lineweaver-Burk, se
pueden obtener Vmax y
Km y completar la
ecuación y la gráfica
Michaelis-Menten.
Observe que Km es el equivalente
de ½ Vmax.

68. Determinación de Km y Vmax

69. Tabla de datos recíprocos
Tubo # Blanco
= 0
1 2 3 4 5 6 7 8
[S] en mM 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40
v = µMol/min 0 2.5 4.0 5.0 5.7 6.7 7.3
1/[S] 0 20 10 5 3.3 2.5
1/v 0 0.4 0.25 0.18 0.15 0.14

70. Gráfica de doble recíproca

71. Matemáticas de la gráfica
• Las intersecciones pueden ser
determinadas tanto gráficamente como
matemáticamente.
• Si la ecuación de una línea recta es:
y = mx + b, entonces las intersecciones
son determinadas de la siguiente
manera:

72. Matemáticas de la gráfica
• La pendiente de una línea recta se define como
su tangente:
• La pendiente en este caso se puede determinar
utilizando los valores de la tabla o de la figura
anterior. Para eso se necesitan dos parámetros
cualesquiera. Tomemos los tubos 4 y 2 de este
ejemplo:

73. Tubo # Blanco
= 0
1 2 3 4 5 6 7 8
[S] en mM 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40
v =
µMol/min
0 2.5 4.0 5.0 5.7 6.7 7.3
1/[S] 0 20 10 5 3.3 2.5
1/v 0 0.4 0.25 0.18 0.15 0.14

74. • La ecuación de esta línea recta se convierte en:
y = 0.015x + b
“b” se determina en un solo tubo, por ejemplo el
tubo # 2 en donde:
y2 = 0.015 x2 + b
Reemplazando:
0.25 = (0.015) (10) + b
0.25 – 0.15 = b = 0.1

75. • En la gráfica notamos la
intersección de la ordenada (eje y):

76. • Ahora se completa la ecuación:
y = 0.015x + 0.1
• es decir:
y = mx + b

77. • La intersección en el eje x (abscisa) es
cuando y = 0, entonces:
-6.67

78. • Las constantes se determinan por medio
de los recíprocos:

79. • Con estos valores se puede construir la gráfica
Michaelis-Menten:

80. Inhibición enzimática
Sustratos análogos
• Son compuestos que estructuralmente se
parecen al sustrato verdadero y se ligan a
la enzima pero no reaccionan.

81. Inhibidores irreversibles
• Se ligan permanentemente a la enzima y
esta pierde sus propiedades catalíticas
• como por ejemplo el gas nervio con la
acetilcolinesterasa, enzima importante en
la transmisión de impulsos nerviosos.
Inhibición enzimática

82. Inhibidores reversibles
• Pueden desligarse de la enzima. Existen
dos tipos:
– Inhibidores competitivos que compiten con
los sustratos por el punto activo e
– Inhibidores no competitivos que no
compiten con los sustratos por el mismo
punto activo.
Inhibición enzimática

83. Inhibidores competitivos

84. Inhibidores reversibles
• Los dos se distinguen por la forma de la
gráfica doble recíproca que forman.

85. Regulación alostérica
• En reacciones celulares en secuencia, el último
producto (P) inhibe la enzima del primer sustrato

86. • Una enzima completa recibe el nombre de
holoenzima. La holoenzima a su vez tiene
tres componentes:
– La apoenzima,
– la coenzima y
– el cofactor.

87. • Las enzimas alostéricas tienen dos puntos: un
punto es el catalítico y el otro es el alostérico:

88. • El sustrato induce en
el punto activo la
configuración
catalítica mientras
que el inhibidor
encaja en el otro
punto alostérico e
induce a una nueva
configuración del
punto activo de tal
forma que no
permite que el
sustrato encaje en el
sitio.

89. • El efector alostérico es una molécula que se
liga en otro lugar o punto de la enzima que no es
el punto activo.

90. • La regulación alostérica es el control de
una vía de reacciones por medio de
efectores alostéricos.
• Esta regulación puede ser negativa
(inhibidora) o positiva (activadora).
• La negativa es típica de las vías sintéticas

91. • mientras que
las positivas
son típicas de
las vías
catabólicas o
degradativas.