UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA BIOLÓGICA Y FISIOLOGÍA ANIMAL BIOQUÍMICA T1. Los enlaces químicos en bioquímica, el agua en las reacciones enzimáticas. Proteínas. Estructura. T2. Enzimas. Características generales: Holoenzima, Apoenzima. La energía libre y la cinética enzimática, Km consideraciones generales. Ms.C. Patricia Elizabeth Torres Plasencia .
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA BIOLÓGICA Y FISIOLOGÍA ANIMAL
BIOQUÍMICA
T1. Los enlaces químicos en bioquímica, el agua en las reacciones enzimáticas. Proteínas. Estructura.
T2. Enzimas. Características generales: Holoenzima, Apoenzima. La energía libre y la cinética enzimática, Km consideraciones generales.
Ms.C. Patricia Elizabeth Torres Plasencia .
Los enlaces químicos en bioquímica
Los enlaces covalentes y no covalentes son importantes para la estructura y estabilidad de las moléculas biológicas.
Los átomos interaccionan por medio de enlaces químicos: covalentes (definen la estructura de las moléculas) y no
covalentes.
Enlaces covalentes: Más fuertes. Consiste en un par de electrones compartidos entre dos átomos adyacentes.
Enlaces no covalentes
Interacciones electrostáticas: Atracción entre cargas opuestas.
Puente de Hidrógeno: Átomo de H parcialmente compartido entre dos átomos relativamente electronegativos (N, O). Grupo donador del enlace de H: átomo estrechamente unido al H y al át. de H. Grupo aceptor de H: át. no unido.
Interacciones de Van der Waals: Base: distribución de cargas eléctricas de un átomo varía con el tiempo (distribución asimétrica de cargas).
Interacciones hidrofóbicas: Algunas moléculas (apolares) no pueden participar en los puentes de H ni en interacciones iónicas con el agua. Tendencia a asociarse: efecto hidrofóbico, Interacción entre moléc. apolares: interacción hidrofóbica.
Propiedades del agua
Diluyente en el que tienen lugar la mayoría de las reacciones bioquímicas.
El agua es una molécula polar
El agua es muy cohesiva: Las moléc. de agua interaccionan a través de puentes de H. Ejm: Hielo.Las moléc. en soluc. acuosa interaccionan con el agua a través de puentes de H e interacc. iónicas.
Proteínas. Estructura
Proteínas: macromoléculas más versátiles de los seres vivos, participan en una gama de funciones de acuerdo a diversas propiedades:
Son polímeros lineales: Construidos por monómeros: Aas.Son la transición desde el mundo unidimensional al tridimensional (función).
Poseen grupos funcionales: alcoholes, tioles, tioésteres , ác. Carboxílicos, carboxiamidas y una serie de grupos básicos.
Pueden interaccionar entre sí y con otras macromoléc. para formar asociaciones complejas.
Algunas son muy rígidas y otras muy flexibles.
Las proteínas se construyen a partir de 20 Aas
Son α-aminoácidos: Átomo de Cα unido a cuatro grupos.Son quirales: Átomo de C unido a cuatro grupos diferentes.
α
Dos isómeros: L y D. L, constituye las proteínas.
Isómero L
Grupo amino
Grupo Carboxilo
Átomo de H.
Grupo R ó cadena lateral.
Isómeros L, configuración absoluta S
A pH neutro, los Aas se encuentran como iones dipolares: zwitteriones
Existen 20 tipos diferentes de Grupos R o cadenas laterales:
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
PrimariaSecundariaTerciariaCuaternaria
Estructura Primaria
Es la secuencia de aminoácidos de una proteína (cadena polipeptídica)
Aas unidos por enlaces peptídicos
Cada unidad aminoacídica se denomina residuo.
El extremo amino terminal (N terminal), es el comienzo de la cadena polipeptídica, por lo que la secuencia de Aas empieza desde ahí.
Estructura Secundaria
Las cadenas polipeptídicas se pueden plegar en estructuras regulares: hélice α, hoja plegada β, giros (β) y bucles (Ω).
Hélice α: Estructura helicoidal, se estabiliza por puentes de H entre los grupos NH y CO de la cadena principal (puentes de H intracatenarios).
Hoja Plegada β: Se estabilizan por puentes de H entre las cadenas polipeptídicas (hebras β).
Hoja β antiparalela: Hebras β en sentidos opuestos. Conecta cada Aas con un único Aa (> estabilidad).
Hoja β paralela: Hebras β en el mismo sentido.
También existen hojas β mixtas.
Giros inversos y bucles: Se encuentran en la superficie y participan en las interacciones entre proteínas y moléculas.
Estructura Terciaria
El plegamiento de la cadena principal es complejo y desprovisto de simetría.
La forma global de la cadena polipeptídica de una proteína se conoce como estructura terciaria.
Motivos o estructuras supersecundarias: Hélice-vuelta-hélice.
Cadenas polipetídicas que se pliegan en dos ó más regiones (dominios), conectadas por segmentos flexibles.
Estructura Cuaternaria
Para proteínas que poseen más de una cadena polipeptídica. Se refiere al ordenamiento espacial de las subunidades y la naturaleza de sus interacciones. Forma más simple: dímero.
Las cadenas polip. pueden ensamblarse en estructuras de múltiples subunidades. Cada cadena polip. es una subunidad.
ENZIMASCaracterísticas generales.Holoenzima.Apoenzima.Energía libre .Cinética enzimática, Km consideraciones generales.
ENZIMAS. Características Generales
Casi todos son de naturaleza proteica, excepto moléculas de RNA catalíticamente activas (ribosimas).
1. Composición:
En los viroides de plantas, como los que producen la mancha de los paltos y la mancha de la planta del tabaco. Estas ribozimas contienen secuencias de RNA, que tienen esta posibilidad de cortar otras cadenas RNA, en secuencias de nucleótidos bien determinadas.
La actividad catalítica de muchos enzimas depende de la presencia de pequeñas moléculas llamadas cofactores.
Metales Moléculas orgánicas pequeñas deriv. vitaminas: coenzimas
COFACTORES
Grupo Prostético Cosustrato
ENZIMAS. Características Generales
Unión fuerte Unión débil
Enzimas que requieren elementos inorgánicosCitocromo oxidasa
Catalasa, peroxidasaFe2+, Fe+,
Citocromo oxidasa Cu2+
DNA polimerasaAnhídrasa carbónica
Alcohol deshidrogensa
Zn2+
HexoquinasaGlucosa 6-fosfatasa
Mg2+
Arginasa Mn2+
Piruvato quinasa K+, Mg2+
Ureasa Ni2+
Nitrato reductasa Mo2+
2. Poder catalítico
3. Especificidad
ENZIMAS. Características Generales
Aumentan las velocidades de las reacciones hasta 106 veces, sin afectar el equilibrio de la reacción.
El enzima no se modifica tras su actuación catalítica.
Radica en el centro activo del enzima (responsable de la interacción).
Pepsina 1.5
Tripsina 7.7
Catalasa 7.6
Arginasa 9.7
Fumarasa 7.8
Ribonucleasa 7.8
Enzima pH óptimo
ENZIMAS. Características Generales
4. Requieren de condiciones ambientales: pH
Mamíferos 37
Bacterias y algas apróx. 100
Bacterias Árticas apróx. 0
Enzima Temp. Ópt. (oC)
Bacterias en muestra de hielo antigua
5. Requieren de condiciones ambientales: Temperatura
Transformación de Alimentos
Fermentaciones Quesos Vinos
Medicina Transaminasas
Industria Química Penicilina
Agricultura Rhyzobium
DIVERSAS APLICACIONES:
ENZIMAS. Clasificación
La UIB: sistema de nomenclaturas sin ambigüedad. Cada enzima: nombre y número de código singular que identifican el tipo de reacción catalizada y los sustratos comprendidos.
Anteriormente, los nombres: tipo de reacción catalizada, seguido por sufijo –asa. Deshidrogenasas, proteasas e isomerasas.
Descubrimiento de más y más enzimas surgieron ambigüedades inevitables.
1. Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxidorreducción, transferencia de hidrógeno (H) o electrones (e-) de un sustrato a otro.
De acuerdo al tipo de reacción catalizada, los enzimas se agrupan en seis clases:
EC 1.1.1.2 Accepted
name:alcohol dehydrogenase (NADP+)
Reaction: an alcohol + NADP+ = an aldehyde + NADPH + H+
Other name(s):
aldehyde reductase (NADPH2); NADP-alcohol dehydrogenase; NADP+-aldehyde reductase; NADP+-dependent aldehyde reductase; NADPH-aldehyde reductase; NADPH-dependent aldehyde reductase; nonspecific succinic semialdehyde reductase; ALR 1; low-Km aldehyde reductase; high-Km aldehyde reductase; alcohol dehydrogenase (NADP+)
Systematic name: alcohol:NADP+ oxidoreductase
Comments: A zinc protein. Some members of this group oxidize only primary alcohols; others act also on secondary alcohols. May be identical with EC 1.1.1.19 (L-glucuronate reductase), EC 1.1.1.33 [mevaldate reductase (NADPH)] and EC 1.1.1.55 [lactaldehyde reductase (NADPH)]. A-specific with respect to NADPH.
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
http://www.enzyme-database.org/http://us.expasy.org/enzyme/
2. Transferasas:
Transfieren grupos funcionales entre dadores y aceptores. Transfieren grupos amino, acilo, fosfato, glucosilo y los grupos monocarbonados.
3. Hidrolasas:
La reacción generalizada implica la rotura hidrolítica de enlaces C-C, C-O, C-N, O-P y C-S; la rotura del enlace peptídico es un buen ejemplo de esta reacción.
4. Liasas:
Añaden o eliminan los elementos del agua, amoniaco o dióxido de carbono.Las descarboxilasas eliminan unidades de CO2 de y -cetoácidos o aminoácidos.
5. Isomerasas:
Catalizan isomerizaciones de diversos tipos dentro de una molécula.Interconversiones cis – trans y aldosa – cetosa.
6. Ligasas:
Catalizan la unión de dos moléculas acopladas a la hidrólisis de ATP. El término sintetasa se reserva para este tipo de enzimas.
Formación del complejo Enzima - Sustrato
La mayor parte de la capacidad catalítica de los enzimas procede de yuxtaponer sus sustratos en condiciones favorables dentro de los complejos ES para facilitar la formación de los estados de transición. Los sustratos quedan unidos a una región específica del enzima denominado centro activo.
CATÁLISIS ENZIMÁTICA:
El Centro Activo, al ser la región que se une al sustrato, contiene los residuos que participan directamente en la producción y roturas de enlaces (grupos catalíticos). La función del centro activo es:
Fijar específicamente al sustratoTransformarlo catalíticamente.
Los centros activos de las diversas enzimas poseen ciertas características comunes:
Centro activo, porción pequeña del volumen del enzima
Es una entidad tridimensional
Los sustratos se unen por fuerzas débiles: Interacciones electrostát., hidrofóbicas, Van der Waals, puentes de H.
Los centros activos son hoyos o hendiduras
La especificidad del enlace depende de la disposición definida de los átomos del centro activo.
Modelo llave - cerradura
Modelo del ajuste inducido
CATÁLISIS ENZIMÁTICA:
Energía libre: La primera ley de la Termodinámica establece que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante.
Para comprender el funcionamiento de los enzimas, es necesario conocer:
La diferencia de la energía libre (ΔG) entre los productos y los reactantes
La energía que se requiere para iniciar la conversión de los reactantes en productos (energía de activación ΔG++.).
Si ΔG es negativo: Reacción espontánea.si ΔG es cero: Equilibrio.si ΔG es positivo: Reacción no espontánea Determina la velocidad de la reacción
Intervienen los enzimas, favoreciendo La formación del estado de transición.
A+B
C+D
Los enzimas alteran las velocidades de reacción pero no el equilibrio
Por lo tanto:De S a P: estado de transición X++ que tiene mayor energía libre.
ΔG entre X++ y el S: energía libre de Gibbs o energía de activación: ΔG++.
Energía liberada por interacciones débiles entre el E y el S (energía de unión) permite que la energía de activación disminuya.
La esencia de la catálisis es la estabilización específica del estado de transición .
CINÉTICA ENZIMÁTICA
La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por los enzimas, así como también los factores que intervienen.
Concentración de enzima, sustratos y productos (incluyendo inhibidores y/o activadores)
pH
Temperatura
¿Qué significa “velocidad” cuando hablamos de una reacción química? Si tenemos la siguiente reacción:
La velocidad (V) es la cantidad de A que desaparece en una unidad de tiempo concreta; es igual a la velocidad de aparición de P, es decir, la cantidad de P que aparece en una unidad de tiempo completo.
La velocidad de la reacción está relacionada directamente con la concentración de A mediante una constante de proporcionalidad k, denominada constante de velocidad:
Muchas reacciones bioquímicas importantes incluyen dos reactantes:
Primer orden
V = k[A][B]Segundo orden
Pseudo primer orden
Orden cero
La concentración del sustrato afecta la velocidad de reacción catalizada por enzimas
Para investigar la velocidad de reacción el método más sencillo es seguir el incremento del producto de la reacción en función del tiempo.
Sin embargo, las cinéticas enzimáticas son más fácilmente comprendidas si se considera solamente la reacción directa (conversión del S a P).
Se alcanza un equilibrio, el enzima esactivo y transforma el P en S y vicev.
Velocidad de catálisis (V0) : número de moles de producto formado por segundo cuando la reacción acaba de empezar (t = 0).
Leonor Michaelis y Maud Menten propusieron un modelo sencillo que explica estas características cinéticas mediante la formación de un complejo E-S intermediario en la catálisis.
E + S ES E + Pk-1
k+1
K-2
k+2
E + S ES E + Pk-1
k+1 k+2
Si [S] es igual a Km, Vo = Vmax/2
Teniendo en cuenta la velocidad de reacción cercana a 0:
En el estado estacionario la [ES] permanece invariable y las concentraciones del S y P van cambiando. Se obtiene una constante que relaciona las constantes de velocidad de destrucción y formación del complejo [ES]
Pero también a partir de la ecuación de Michaelis – Menten:
Baja concentración de sustrato
ALTA concentración de sustratoSATURACION
Si K1 >> K2, Km = cte disociación del complejo ES, es decir es una medida de la estabilidad del complejo ES: una Km baja indica una unión fuerte.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
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