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ENZIMAS

BASES MOLECULARES DE SU

MECANISMO DE ACCIÓN

ENZIMAS

BASES MOLECULARES DE SU

MECANISMO DE ACCIÓN

Dr. Valmore Bermúdez Pirela, MD, MgSc, MPH, PhDMaestría en Metabolismo HumanoEspecialización en Endocrinología y Metabolismo

Dr. Valmore Bermúdez Pirela, MD, MgSc, MPH, PhDMaestría en Metabolismo HumanoEspecialización en Endocrinología y Metabolismo

Universidad del ZuliaFacultad de MedicinaEscuela de MedicinaCátedra de BioquímicaCentro de Investigaciones Endocrino - Metabólicas

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Las enzimas son compuestos químicos orgánicos de naturaleza proteica que aceleran la velocidad de una reacción química termodinámicamente posible.

¿ Qué es una enzima?

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IÓN

Las enzimas aceleran la velocidad de una reacción química por que se comportan como catalizadores orgánicos (biocatalizadores). La catálisis es el proceso mediante el cual se acelera la velocidad de una reacción química.

Cuando se hace referencia a que la reacción debe ser termodinámicamente posible, se destaca el hecho que en el sistema donde ocurre la reacción química existe suficiente energía útil (energía de activación) para realizar el trabajo que implica convertir el sustrato en producto.

¿Qué significa este concepto?

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IÓN

La termodinámica es la rama de la física que estudia los fenómenos energéticos y los intercambios de energía entre la materia.

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica nació como consecuencia del estudio de las máquinas de vapor, pero durante el siglo 20 se observó que podía aplicarse a los sistemas orgánicos.

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IÓN ¿Qué significa energía útil suficiente

dentro del sistema para realizar un trabajo?

Estado inicial

Estado final

S

P

Si dejamos caer una bola, evidentemente irá hacia abajo sin ninguna ayuda. El trabajo en este sistema, está representado por el movimiento que hace la bola desde el estado inicial (S) hasta el estado final (P). Para realizar este trabajo, hace falta cierta cantidad de energía útil dentro del sistema. Nótese que en éste sistema hay suficiente energía útil que permite la caida de la bola.La energía útil en este sistema está representada por la energía gravitatoria que ejerce una atracción de la bola hacia abajo.

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IÓN ¿Qué pasaría si saliéramos al espacio,

fuera de la atracción gravitatoria de la tierra?

Estado inicial Estado final

S P

Evidentemente, la bola no caería…….No existe suficiente energía útil en el sistema en forma de energía gravitatoria para realizar el trabajo, es decir, que la bola caiga hacia la tierra (la bola esta fuera del campo gravitarorio de la tierra).

Evidentemente, la bola no caería…….No existe suficiente energía útil en el sistema en forma de energía gravitatoria para realizar el trabajo, es decir, que la bola caiga hacia la tierra (la bola esta fuera del campo gravitarorio de la tierra).

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IÓN Si hay suficiente energía en el

sistema….

Estado inicial

Estado final

S

P

Se dice que la reacción acontecerá de forma espontánea…….Es decir, que S se convertirá en P sin ninguna otra ayuda que la energía útil del sistema.

Caida espontánea

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IÓN Consideremos ahora el caso inverso

Estado final

Estado inicial

S

P

¿Habrá energía suficiente en el sistemaPara que se realice el trabajo que se plantea en la gráfica?Es decir, ¿que la bola suba espontáneamente hacia la mano?

Evidentemente, NONo hay energía libre suficiente, en forma de energía ANTI-gravitatoria para hacer que la bola suba hasta la mano espontáneamente.Esto quiere decir, que esta reacción en este sistema, es una reacción irreversible.

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IÓN En conclusión:

Una reacción es termodinámicamente posible cuando hay suficiente energía libre (ó útil) para realizarla.

Cuando la reacción es termodinámicamente posible, está implícito el hecho que esta reacción será espontánea.

Si en el sistema hay suficiente energía útil, la reacción puede ser reversible, es decir, que el producto puede volverse a convertir en sustrato.

Si en el sistema no hay suficiente energía útil después de la conversión del sustrato a producto, la reacción será irreversible.

S P

S P

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IÓN Volvamos a la termodinámica:

Las leyes….

Primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la energía:

“La energía no se crea ni se destruye solo se transforma (de una forma de energía a otra)”

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IÓN Primera ley de la termodinámica o ley de la

conservación de la energía:

“La energía no se crea ni se destruye solo se transforma (de una forma de energía a otra)”

Esta ley presenta de forma implícita dos ideas:1. Si la energía nunca se creó y no puede ni destruirse ni acabarse, se

deduce que la cantidad de energía total del universo es constante. Esto quiere decir, que el contenido energético del universo no ha cambiado desde que fue creado (desde el Big Bang) hasta nuestros días, esto es, desde hace unos 15.000.000.000 de años.

2. A pesar que el contenido energético del universo es constante, entre un momento y otro acontecen transformaciones de una forma de energía a otra. Para mantener estable la energía total, es de prever que durante las transformaciones de una forma a otra de energía, algunas aumentarán, lo que será compensado con la disminución de otras formas de energía.

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IÓN

“La energía no se crea ni se destruye…(siempre ha sido y será la misma cantidad)

Esquemáticamente este proceso puede representarse de la siguiente manera:

Contenido energético total del universo en el momento de

su creación

Contenido energético total del universo en la actualidad

15.000.000.000 de años

Obsérvese que la cantidad de energía totalen el universo antes y después de mucho tiempo, es la misma

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“Solo se transforma”….en otras formas energéticas manteniendo el contenido total inalterable…..

Esquemáticamente este proceso puede representarse de la siguiente manera:

Durante los primeros instantes del universo, todo era luz y calor..en esencia, solo energía calórica y lumínica

En la actualidad la distribución y tipos de energía son diferentes ( y más diversos) a las observadas al inicio de la creación del

universo

15.000.000.000 de años

Obsérvese que la cantidad de energía totalen el universo antes y después de mucho tiempo, es la misma

50 %lumínica

50 %calórica50 %calórica

20 %calórica20 %calórica

25 %cinética25 %cinética

20 %lumínica

25 %potencial25 %potencial

20 %otras

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IÓN Segunda ley de la termodinámica.

La entropía de todos los procesos del universo (y del universo mismo) tiende siempre a incrementarse hasta alcanzar el equilibrio, el cual representa el estado de máximo desorden.

Esto quiere decir que cualquier sistema dentro del universo, e incluso, todo el universo tiende a desordenarse espontáneamente, buscando así el equilibrio.

El desorden se va incrementando en la medida que la energía útil (que se encarga de mantener organizado un sistema) va disminuyendo.

La caída de la energía útil, tal como lo expresa la primera ley de termodinámica es seguida por el incremento de otras formas energéticas que no son útiles para realizar un trabajo determinado en el sistema.

Si consideramos que el sistema usa la energía útil para mantenerse organizado, la disminución de ésta ocasionará desorden…..Cuando el desorden sea máximo se habrá establecido el equlibrio. Por lo tanto, los sistemas orgánicos están adaptados para mantener la energía útil en niveles óptimos para mantenerse ORGANIZADOS

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IÓN Segunda ley de la termodinámica.

La lucha del orden contra el desorden……(donde inevitablemente siempre gana el desorden)

El orden, implica alto grado de energía útil……pero esta energía se utiliza para mantenernos organizados. De esta forma, como la energía útil tiende a disminuir cuando se realiza el trabajo llamado “organizarnos” debemos producir todos los días más energía útil para reponer la invertida.

Y así, la vida de cualquier ser vivo transcurre en una lucha contra la segunda ley de termodinámica…..Nos alimentamos para extraer de los alimentos la energía potencial presente en los enlaces químicos y guiarla hacia los enlaces de alta energía del ATP.

Luego, al hidrolizar los enlaces de alta energía del ATP se liberan cantidades inmensas de energía libre que pueden utilizarse para realizar un trabajo, representado por las innumerables reacciones químicas que requieren esa energía para poder llevarse a cabo.

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IÓN Segunda ley de la termodinámica.

La lucha del orden contra el desorden……(donde inevitablemente siempre gana el desorden, que en nosotros recibe el nombre de muerte)

Lamentablemente, después de algún tiempo de luchar contra la segunda ley, todos los seres vivos experimentan la llamada “muerte”.Todas las células se desorganizan: las membranas se rompen, las mitocondrias y otros organelos se disgregan y todo el contenido celular se combina con el entorno………Los lípidos se peroxidan, las proteínas se hidrolizan a sus aminoácidos y los carbohidratos se oxidan….se establece un equlibrio entre el interior de la célula y su exterior. Este hecho es extremadamente anómalo, pues lo que abunda dentro de la célula usualmente es escaso en el medio ambiente.

La salud implica alto grado de orden y un gran desequilibrio con el medio externo.

La muerte implica un alto grado de desorden y un equilibrio perfecto con el medio. Ya no existe suficiente energía libre para mantener un alto grado de organización.

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“La vida y la muerte”…..Según la termodinámica

Este proceso puede representarse esquemáticamente de la siguiente manera:

La vida, implica un alto grado de ordenque solo puede lograrse con altas dosis de energía útil. Esta energía útil debe mantenerse estable en el tiempo. De esta forma estamos adaptados para tener un Metabolismo que genere altas cantidades de energía útil en forma de ATP.

La muerte implica el desorden máximo. El individuo no puede transformar de forma

eficiente la energía que le ofrece Su entorno, así que progresivamente acumula menos energía útil hasta un punto en el que no

puede mantenerse ordenado.

Muerte

Bajogradodeenergíano utilizable

Bajogradodeenergíano utilizable

70 – 80 años

60 años

30 - 40 años

Alto gradodeenergíaútil

Alto gradodeenergíaútil

Niñez

altogradodeenergíano utilizable

altogradodeenergíano utilizable

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IÓN Bases termodinámicas del mecanismo de acción

de las enzimas

Para que un sustrato A se transforme en el producto B debe existir cierta cantidad de energía libre (útil) en el sistema que se pueda realizar este trabajo químico:

AA BBAlta cantidad

de energíalibre

Baja cantidadde energíalibre

y todos los procesos químicos transcurren desde un punto de alta energía libre hasta uno de baja energía libre. Obsérvese como la flecha, que indica el sentido de la reacción, tiene un solo sentido…Esto es, que la reacción es irreversible. El compuesto B no puede tranformarse en el compuesto A porque hay muy poca energía libre para realizar este trabajo.

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IÓN Bases termodinámicas del mecanismo de acción

de las enzimasNótese también que la conversión de A en B es un proceso espontáneo, debido a que la cantidad de energía libre es suficiente para realizar los cambios químicos que caracterizan la reacción. Al final puede apreciarse una caída en la energía libre. Como la energía libre no se pierde, es obvio que se ha transformado en otras formas energéticas, quizá potencial dentro de la molécula B

AA BB

No hace falta añadir calor al sistema, ni ninguna otra forma de energía……Pero el hecho de que ocurra la reacción, no nos da información alguna de la velocidad con la que ésta acontece…….En los seres vivos es importante que muchas reacciones ocurran adecuadamente…..pero también es importante que ocurran rápidamente.

Alta cantidadde energía

libre Baja cantidadde energíalibre

AA

AA

A-B

A-B

BB

100

0

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IÓN ¿Cómo podemos aumentar la velocidad de una

reacción química?

En líneas generales se puede aumentar la velocidad de la reacción de dos maneras:

1. Incrementando la cantidad de energía libre para realizar el trabajo, hecho que incrementa la pendiente entre el estado inicial y el final…. Esto puede hacerse con calor.

AA BBIncremento en

la cantidadde energía

libre

Baja cantidadde energíalibre

AA

AA

A-B

A-B

BB

Mayor velocidadpor incremento de la pendiente (véase la pendienteen la diapositiva anterior)

500

0

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IÓN ¿Cómo podemos aumentar la velocidad de una

reacción química?

En líneas generales se puede aumentar la velocidad de la reacción de dos maneras:

2. Manteniendo la cantidad de energía útil constante, la única manera de aumentar la velocidad de la reacción es utilizando de forma más eficiente la energía útil del sistema. Esto puede hacerse gracias al uso de una ENZIMA

AA BB

Alta cantidadde energía

libre

Baja cantidadde energíalibre

AA

AA

A-B

A-B

BB

0

100

ENZIMAENZIMA

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¿Cómo una enzima puede optimizar el uso de la energía libre en el sistema para así aumentar la velocidad de una reacción?.... Considere estos dos sistemas

AA AA

BB BB

Cantidad deEnergía útil: 100 Kcal

Cantidad deEnergía útil: 100 Kcal

Sistema 1Sistema 1 Sistema 2Sistema 2

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En ambos sistemas, la cantidad de energía útil para realizar el trabajo es la misma. Sin embargo, es obvio que el individuo del sistema 1 empleará menos energía que el individuo del sistema 2 para realizar el trabajo.

AA AA

BB BB

Cantidad deEnergía útil: 100 KcalEnergía utilizada para realizarel trabajo: sólo 10 Kcal.

Cantidad deEnergía útil: 100 KcalEnergía utilizada para realizar

el trabajo: 100 Kcal

Sistema 1Sistema 1 Sistema 2Sistema 2

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IÓN

En ambos sistemas, la cantidad de energía útil para realizar el trabajo es la misma. Sin embargo, es obvio que el individuo del sistema 1 empleará menos energía que el individuo del sistema 2 para realizar el trabajo.

AA

BB

Cantidad deEnergía útil: 100 KcalEnergía utilizada para realizar

el trabajo: 100 Kcal

Sistema 2Sistema 2

100100

0

Energía útil: 100 Kcal

Energía utilizada: 100 Kcal

Total

Conclusión: solo se puedeTirar una piedra con lacantidad de energíadisponible

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IÓN

En ambos sistemas, la cantidad de energía útil para realizar el trabajo es la misma. Sin embargo, es obvio que el individuo del sistema 1 empleará menos energía que el individuo del sistema 2 para realizar el trabajo.

Cantidad deEnergía útil: 100 KcalEnergía utilizada para realizar

el trabajo: 10 Kcal100 10

90

Energía útil: 100 Kcal

Energía utilizada: 10 Kcal

Total

Conclusión: se pueden tirar nueve piedras más con la cantidad de energía sobrante

AA

BBSistema 1Sistema 1 BB BB BB BBBB BB BBBB

La palanca en este sistema es equivalente a la enzima en un sistema químico. Un elemento que permite el ahorro energético y el usodel excedente para realizarMás trabajo

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1.Son compuestos termolábiles.

2.Son reciclables, por lo que…..

3.Se necesitan en baja cantidad.

4.Su actividad, es decir, la velocidad de la catálisis puede regularse.

¿Cuales son las principales características de una enzima?

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IÓN

5. Tienen una gran afinidad por un solo sustrato o por un grupo de sustratos emparentados

estructuralmente.

6. Tienen una gran especificidad por un solo sustrato o por un grupo de sustratos emparentados estructuralmente.

¿Cuales son las principales características de una enzima?

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E + S

Complejo ES

E + P

Page 33: Clase Enzimas Completa

Cual es la principal característica de las

enzimas?

Page 34: Clase Enzimas Completa

IndudablementeLa Regulabilidad de

su actividad

Page 35: Clase Enzimas Completa

Que es regulabilidad?

• La velocidad de una reacción catalizada por una enzima puede incrementarse o disminuirse gracias a:– Alteración tridimensional del sitio catalítico– Aumentando o disminuyendo la cantidad de enzima

Page 36: Clase Enzimas Completa

Regulación de la catálisisenzimática

Disminución/incrementode la eficacia

Aumento/disminuciónDe la concentración

Estos mecanismos implican el cambio de la CONFORMACIÓN TRIDIMENSIONAL del sitio catalítico, haciendo que este permita o no la entrada del sustrato.

Son mecanismos de regulación RÁPIDA, porque operan sobre la enzima que ya ha sido sintetizada

Estos mecanismos implican el aumento o la disminución en la velocidad de síntesis de una enzima.

Son mecanismos de regulación LENTOS, ya que dependen de la SÍNTESIS DE NUEVA PROTEINA:ADN → ARNm → Ribosoma→Síntesis Proteica.

Page 37: Clase Enzimas Completa

Regulación de la catálisisenzimática

Disminución/incrementode la eficacia

Aumento/disminuciónDe la concentración

AlosterismoModificación CovalenteFeed Back NegativoZimógenosComplejos multienzimáticosCompartamentalización

Inducción y Represión

Page 38: Clase Enzimas Completa

Alosterismo

EnzimaOFF

EnzimaON

Enzima-sustrato

ModuladorAlostéricoPositivo

Cambio Conformacional 3D

Favorable Del sitio catalítico

Sitio catalíticoCon

conformación 3Ddesfavorable

Page 39: Clase Enzimas Completa

Modificación covalente

EnzimaOff

Sustrato

EnzimaOn

Sustrato

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Enzima off

Sustrato+NH3

PO4

PO4

+NH3

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Enzima On

Sustrato

PO4 +NH

3+NH3

PO4

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Page 43: Clase Enzimas Completa

Modificación covalente

Enzima

Sustrato

Enzima

Sustrato

PO4

ATP ADP

PO4

Cinasa Cinasa

Page 44: Clase Enzimas Completa

Sistema de encendido

Sistema de Apagado

Page 45: Clase Enzimas Completa

Feedback Negativo• Es un mecanismo de regulación enzimática en

la cual el PRODUCTO inhibe la actividad enzimática

Page 46: Clase Enzimas Completa

Complejos multienzimáticos

Page 47: Clase Enzimas Completa

Complejos multienzimáticos

Page 48: Clase Enzimas Completa

Zimógenos

Page 49: Clase Enzimas Completa
Page 50: Clase Enzimas Completa

Alimento: Glucosa Alimento: Lactosa (Glucosa-Galactosa)

Degradación

Energía

Glu Glu Gal

GluGlu

Glu

Gal

Gal

Degradación

Energía

Permeasa

Beta-galactosidasa

Operón Lac Inactivo(Repremido)

Operón Lac Activo(Inducido)

Lactosa

Page 51: Clase Enzimas Completa

Inducción y represión, El operón Lac

Page 52: Clase Enzimas Completa

Inducción y represión del Operón Lac enCondiciones de glucosa abundante

Page 53: Clase Enzimas Completa

Inducción del operón Lac en condiciones De Abundancia de Lactosa

Page 54: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática

Es la rama de la enzimología que estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por las enzimas así como los factores (externos) que influyen sobre dicha velocidad

La velocidad de una reacción es la cantidad de sustrato transformado en producto por unidad de tiempo

Page 55: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática

Los factores MAS ESTUDIADOS que modifican la velocidad de una reacción catalizada por enzimas son:1. La concentración de la Enzima2. La temperatura3. El pH4. El aumento progresivo de la concentración

del sustrato5. La presencia o no de inhibidores

Page 56: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática: temperatura

ActividadMáxima

TemperaturaÓptima

Page 57: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática: Efecto del pH

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Cinética enzimática: Aumento de la concentración del sustrato

Page 59: Clase Enzimas Completa
Page 60: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática: Presencia de inhibidores

Page 61: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática: Presencia de inhibidores

Page 62: Clase Enzimas Completa

Cinética enzimática: Presencia de inhibidores

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cantinflear.1. intr. Cuba y Méx. Hablar de forma disparatada e incongruente y sin decir nada.

Gracias por vuestra atención