1

ENZIMASENZIMASIMPORTANCIA

CARACTERÍSTICASClave en la función biológica.Catalizadores biológicos.Poder catalitico elevadoEspecificidad (sustratos)Funcionan en condiciones suaves de temperatura y pHSu deficiencia es notableSe han bautizado con el sufijo “asa”Transfieren electrones, átomos o grupos funcionales dador o aceptor (codificación)

DEFICIENCIA ENZIMÁTICA

HemoglobinaHinchamiento de pies y manos, dolorAnemia Calciforme

Hesoaminidasa-ADebilidad MotoraEnfermedad de Tay-Sachs

Fosforribosil pirofosfatotransferasa

Sobreproducción de ácido úricoGota

GlucocerebrosidasaErosión de huesos y articulacionesEnfermedad de Gaucher

Adenosina desaminasaPerdida severa de la respuesta inmuneInmunodeficiencia

Hipoxantina-Guaninafosforibosil transferasa

Defectos neurologicos, retraso mental

Síndrome de Lesch-Nyhan

Canal de CloruroSecreción anormal en pulmones y glándulas sudoríparasFibrosis cística

Enzima o ProteEnzima o ProteíínanaEfectos FisiolEfectos FisiolóógicosgicosEnfermedadEnfermedad

ACTIVIDAD CATALÍTICAHoloenzimaHoloenzima:

Grupo prostético: cofactor o coenzima unido covalentementeApoenzima o apoproteína: parte proteica

Cofactor: iones inorgánicosCoenzima:

Complejo Orgánico o metal orgánicoTransportadores de grupos funcionalesGeneralmente son vitaminas

2

COENZIMA

FolatoGrupos Monocarbonados

TetrahidrofolatoBiotinaCO2Biocitina

Vitamina B12H y grupos alquilo5’-Desoxiadenosil-cobalamina

Piridoxina (B6)Grupos AminoFosfato de PiridoxalÁcido PantoténicoGrupo AciloCoenzima A

Ácido Nicotínico (niacina)

Ion HidruroNicotinamida Adenina-dinucleotido

Riboflavina (B2)ElectronesFlavina Adenina DinucleótidoTiamina (Vitamina B1)AldehídosTiamina pirofosfato

Precursores (dieta)Grupos TransferidosCoenzima

COFACTORES

Glutation peroxidasaSeDinitrogenenasaMoUreasaNi2+

Piruvato quinasaK+

Arginasa, Ribonucleotido reductasaMn2+

Hexoquinasa, Glucosa 6-fosfatasaPiruvato Quinasa

Mg2+

Anhidrasa Carbónica, Alcohol deshidrogenasaZn2+

CitocromoCu2+

Citocromo, Catalasa, PeroxidasaFe2+ o Fe3+

EnzimaEnzimaCofactorCofactor

DOMINIOSGliceraldehido 3P

http://www.genome.jp/kegg-bin/get_htext?ECtableClasificación de enzimas

CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE ENZIMAS

Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N mediante reacciones acopladas a la rotura del ATP

Ligasas6

Trasnferencia de grupos dentro de moléculas dando formas isoméricas

Isomerasas5

Adición de grupos a dobles enlaces o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos

Liasas4

Reacciones de Hidrólisis (transferencia de grupos funcionales al agua)

Hidrolasas3

Reacciones de transferencia de gruposTransferasas2

Transfiere electrones (iones hidruros o atómos de H+)Oxidoreductasas1

Tipo de reacción catalizadaClaseNo.

3

CATALIZADORESSon compuesto que aceleran la reacción pero no participan en ella

CONDICION BIOLOGICOS QUÍMICOS

Energía de activación Baja Baja

Participan en la reacción NO NO

Especificidad Alta (papel biológico) Baja

Activación Si, Cofactores (Cu, Co,

Mg, Na, Fe, Ca)

Si, por la elevación de la

temperatura

Temperatura de Reacción 25-70°C 100-450°C (se emplean baños de

arena o sales fundidas o aceites.)

Presión de reacción Atmosférica Alta presión atmosférica

Desactivación Si Si

Regulación de la actividad

por moleculas pequeñas

Si No

Sitio activo Si Si

PESOS MOLECULARES DE ENZIMAS

101,000-253,000Xilanasas

27,300-27500Proteasas

33,000-35,000TAG lipasa

23,000-92,000Celulasas

67,000-76,000α-Amilasa

PMEnzima

Peso mínimo de 7,000 requerido para que una enzima funcione como un catalizador estable en la conversión de sustratos

CAPACIDAD CATALÍTICA

Biologicos Actividad N(0°C) N(37°C)

Ribonucleasa Transferencia de grupos R 2 103

Tripsina Hidrólisis de péptidos 10-3 102

Papaina Hidrólisis de péptidos 10-2 101

Bromelina Hidrólisis de péptidos 10-2 10-1

Químicos 25°C T óptima

SiO2 Cracking 10-8 104 (420)

Zeolitas Cracking 103 108 (325)

V2O3 Hidrogenación 10-11 102 (350)

Cu3Au Deshidrogenación 107 1010 (350)

Al3-Al2O3 Isomerización 10-2 102 (60)

N=nN=núúmero de recambio= No mero de recambio= No moleculasmoleculas / s/ s VELOCIDADES ENZIMÁTICAS

1017Orotidina monofosfato descarboxilasa

1014Ureasa

1013Succinil CoA tranferasa1012Fosfoglucomutasa1011Carboxipeptidasa A109Triosa fosfato isomerasa107Anhidrasa carbonica105Ciclofilina

IncrementoIncrementoEnzimaEnzima

4

CLASIFICACION ESTRUCTURAL Reacomodamiento de la enzima

CONSTANTE DE EQUILIBRIO Y ENERGÍA LIBRE

][]['

SPKeq =

'ln'º KeqRTG −=∆

R=8.315 J/mol KT=25ºC

Sitio Activo

5

SITIO ACTIVOA) El modelo llave-cerradura supone que la estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto.

B ) En algunos casos, el centro activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al centro activo del enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto

AB

Muchas reacciones son favorecidas por dadores o aceptores de electrones

Otros como los aminoácidos, participan en el proceso catalítico

6

TASA DE REACCIÓNS Pε

••Del sustrato: Es la velocidad con la que esta Del sustrato: Es la velocidad con la que esta desapareciendo el sustrato en funcidesapareciendo el sustrato en funcióón del tiempon del tiempo••Del producto: Es la velocidad con la que esta Del producto: Es la velocidad con la que esta desapareciendo el sustrato en funcidesapareciendo el sustrato en funcióón del tiempon del tiempo

sdtdt[=]ó - V=MdPdS V =γs ; γp [=] M*gcat-1*s-1

••Propiedades extensivas: dependen de la cantidad de materia presePropiedades extensivas: dependen de la cantidad de materia presente (V), nte (V), (Propiedades intensivas: no dependen de la cantidad de materia p(Propiedades intensivas: no dependen de la cantidad de materia presente. resente. PPff, , ρρ y P, y P, PfPf

Tasa de Reacción (γ )••Para que la (Para que la (γγ) sea una propiedad intensiva no debe de tener ) sea una propiedad intensiva no debe de tener gradientesgradientes de T (de T (ººC) o de [ ] y la C) o de [ ] y la alicuota alicuota debe ser adecuadadebe ser adecuada

[C]-dS

dt t=0= - γs

dP dt t=0

= - γpS

P

t

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS (Nivel)STICAS (Nivel)

AltoAltoAltoAltoBajoBajoCostoCosto

IndeseableIndeseableNoNoPosiblePosibleAplicaciAplicacióón n MMúúltipleltiple

Microbiano Microbiano (Vegetal, Animal (Vegetal, Animal

IntracelularIntracelular

Microbiano Microbiano ExtracelularExtracelular

OrigenOrigen

CristalinoCristalinoCristalinoCristalinoExtracto Extracto crudocrudo

PurezaPureza

mgmg--µµgggg--mgmgTonTonEscalaEscalaClClííniconicoAnAnáálisislisisIndustrialIndustrialCaracterCaracteríísticassticas

Precipitación de Proteínas

ResultadosCondición

Precipitación reversibleDisolventes (acetona)

Precipitación reversibleFuerza iónicareninaHidrólisis enzimática

La combinación de pH y T produce acciones mas rápidas

Disminución del pHDesnaturalización irreversibleElevación de la temperatura

7

APLICACIÓN DE ENZIMAS

Fines terapéuticosEjemplo: Intolerancia a la lactosa

Clínico

TerapéuticaEjemplo: análisis de glucosa en sangre

Análisis

Volúmenes GrandesBaja Pureza Ejemplo: Amilasas, Proteasas

(empleadas en detergentes)

INDUSTRIAL

CARACTERISTICASNIVEL

AMILASASAMILASASα−amilasa (α-1,4 glucohidrolasa)

β-amilasa (α-1,4 gluco malto hidrolasa)

Glucoamilasa (α-1,4 gluco hidrolasa)

Isoamilasa o pululanasa (α-1,6 gluco hidrolasa)

Glucosa Isomerasa

AlmidAlmidóónn

Bacillus, Aspergillus y RhizopusBacillus, Aspergillus y Rhizopus..Jarabes fructosadosJarabes fructosadosEs una endoenzima Es una endoenzima Ataca los enlaces Ataca los enlaces αα--1,41,4Se inhibe con los enlaces Se inhibe con los enlaces αα--1,6, que no son atacados1,6, que no son atacadosLos productos de la hidrLos productos de la hidróólisis del almidon son dextrinaslisis del almidon son dextrinasLas dextrinas largas permanecen como polvo, las dextrinas Las dextrinas largas permanecen como polvo, las dextrinas cortas forman jarabes (mieles)cortas forman jarabes (mieles)

CERVECERA (Proceso de malteado)CERVECERA (Proceso de malteado)ALIMENTICIA (modifica texturas en los alimentos)ALIMENTICIA (modifica texturas en los alimentos)PAPELPAPELELIMINA RESIDUOS DEL ALMIDONELIMINA RESIDUOS DEL ALMIDONCRISTALIZACICRISTALIZACIÓÓN DEL AZUCARN DEL AZUCAR

αα−−amilasa (amilasa (αα--1,4 1,4 glucohidrolasaglucohidrolasa))

Terminal reductor

Extracelular:

Bacillus, Pseudomonas, Rizhopus y algunas levaduras

Hidroliza el almidón

Tiene un poder reductor alto

Ataca el extremo no reductor de la amilosa

El producto principal es la maltosa (dímero de glucosa), que

invierte el C1 de α a β (de ahí su nombre)

ββ--amilasa (amilasa (αα--1,4 1,4 glucogluco maltomalto hidrolasahidrolasa))

Terminal reductor

8

OH H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O O

OH H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

OH H

H

OHH

OH

CH2

H

O

OH H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

OH H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O O

OH H

H

OHH

OH

CH2OH

H

Tipos de EnlacesTipos de Enlaces

OH

OH HH

OHH

OH

CH2OH

O

OH H

OHH

OHH

OH

CH2OH

β(1→4)

α(1→4) α(1→4)

α(1→6)

Representación

Mecanismo de HidrMecanismo de Hidróólisislisis

GlucoamilasaGlucoamilasa ((αα--1,4 1,4 glucogluco hidrolasahidrolasa))

ExtracelularExtracelular

Aspergillus, Bacillus, RizhopuAspergillus, Bacillus, Rizhopus y algunas s y algunas

levaduraslevaduras

Ataca el extremo no reductor Ataca el extremo no reductor

Exoenzima Exoenzima

El producto de la degradaciEl producto de la degradacióón del almidn del almidóón es la n es la

glucosaglucosa

Terminal reductor

9

Isoamilasa o pululanasa (α-1,6 gluco hidrolasa)

Extracelular

Pullularia, Fibuliger, Schawanniomyces, (levaduras)

Endoenzima

Productos finales de su actividad las dextrinas

Su actividad se mide por su poder reductor y la disminución de la viscosidad

Terminal reductor

Mezcla de Enzimas

β-amilasa y glucoamilasa(aumentan las terminales reductoras)

α-amilasa y isoamilasa

SACARIFICACIÓNLICUEFACCIÓN

Elaboración de jarabes glucosados (Glucosa Isomerasa)

20% almidónCalentar 1-2h a

90°C

Hidrólisis ácida pH2120°-90°C para faciltar la

actividad enzimática

α-amilasa hidroliza el almidón en cadenas

mas cortas

100°C bacillus55°C Aspergillus

GlucoamilasapH4-5, 60°C

98% de Glucosa

Glucosaisomerasa

Glucosa 60Fructosa 40

O

CH2OH

OH

H

OH

OH

OH

D-glucosa (forma piranosa) (Haworth)

O

OCH2OH

OH

OH

OH

CH2OH

D-fructosa (forma furanosida) (Haworth)

O

pirano furano

SACAROSA GLUCOSA : FRUCTOSA 50 : 50

INVERTASA

Otra formaOtra forma

PROTEASASSu sustrato son las propias proteínasMonomericasMr = 15,000-35,000 (excepto la leucina aminopeptidasa350,000)

Clasificación de acuerdo al pH

Tienen que ver con la digestión de alimentosÁcidasNo tienen aplicaciones industriales importantesNeutras

Industriales (detergentes)AlcalinasAplicaciónEnzima

10

Clasificación de acuerdo a la actividad

Exopeptidasas, actúan sobre N terminalAminopeptidasas

Exopeptidasas contienen Zinc, actúan sobre C terminal, pH neutro

Carboxipeptidasa

Endopeptidasas con residuos de cisteínareactivos

Tiol-proteasas

Endopeptidasas con un carboxilato reactivo, pH bajo (bromelina, Fishina)

Renina, PapainaProteasas Ácidas

Endopeptidasas con un residuo de Serinareactivos, pH casi neutro

QuimiotripsinaSerina-proteasas

MecanismoEjemploEnzima

Serina-Proteasas•Grupo hidroxilo de la Ser195 es acilado por el sustrato

•Imidazol de la His 57 incrementa la nucleofilicidad del hidroxilo de la Ser195

HOCOOH

NH2Serina

NN

COOH

NH2

Histidina

Proteínas Ácidas•Fabricación de derivados lacteos

•Quesos: La renina

•Otras formas de precipitación de proteínas

•Ejemplo renina, quimosina y la quimasa (CUAJO)

•Se extraen de las terneras (baja efectividad de producción de la leche)

•Se sustituyen por Reninas de origen microbiano

•Lactobacillus, Bacillus, Pseudomonas, Streptococcus, Mucor micheli, Endothia, producen reninas

ElaboraciElaboracióón de Quesos (n de Quesos (ProteasasProteasas Acidas)Acidas)Hidrólisis enzimática de la leche (RENINA)

Adición de sales como (CaCl2), para producir geles más sólidos y aumenta la fuerza iónica para precipitar las proteínas

Formación de lactosa ácido láctico

Aumento de la temperatura, para precipitar más proteínas y obtener mayores rendimientos

Efectos Secundarios de las Reninas Microbianas

•Malos Olores•Hidrólisis Excesiva de la k-caseina•Provoca la formación de enlaces disulfuro

10 L de leche 1 kg de Queso

ANIMAL GEN RENINA - E. Coli producción de renina animal

11

LIPASAS•Enzimas que actúan sobre ácidos grasos•Liberan los ácidos grasos de la posición 1 y 3 en el glicerol•Gran importancia en la elaboración de quesos madurados (Roquefort por Penicillium roquefortii)•Es esparcida cuidadosamente sobre el cuajo

CH2

CH

CH2 O C R3

OR2C

O C R1

O

O

O

Triglicerido

PECTINASASPECTINASAS•Producida por Aspergillus y Rhizopus•Clarificar bebidas también la poligalacturonasa: jugos, vinos, etc.•Acción endo (cadenas cortas) y exopoligalacturonasa (polimeros)•Se encuentran en la capa blanca de las naranjas y las manzanas•La molécula de pectina esta esterificada, la acción de la pectina

esterasa libera metanolmetanol y ácido galacturonico,

PenicilPenicil AcilasasAcilasas•Penicillium nonatum, P. chrysogenum, Cephalosporium acremonium.•Rompe el enlace en la penicilina G (β-lactama y ácido fenilacético)•En la farmacéutica: generar penicilinas modificadas:•Cambiando los sustituyentes para microorganismos que sean resistentes a la penicilina•Heptil penicilina (penicilina K)•Cephalosporinas (infecciones como la meningitis).

CH2 CN

O

HN

O

S

CO2-K+β-lactama

Penicilina G

CarbonoAcílico

β-lactama

CarbonoAcílico

CH2 CN

O

HN

O

SS

CO2-K+

CH2OCCH3

O

CEFALOSPORINA

AsparaginasaAsparaginasa•Rompe la asparagina en ácido aspártico•ratamiento de la leucemia y cáncer•Los tumores utilizan la asparagina para crecer (entre otros) al introducir esta enzima compite con el sustrato

H2NCCH2CHCO2-

O

NH3+

ASPARAGINA

-OCCH2CHCO2-

O

NH3+

ASPARTICO

12

LactasaLactasa• Usada en la industria alimentaria• Hidroliza la lactosa en glucosa y galactosa• La enzima β-galactosidasa se emplea para fabricar la

leche deslactosada• La lactosa no es muy soluble en agua a

concentraciones altas por lo que se utiliza esta enzima para producir leches dulces.

O

CH2OH

OHO

OH

OH

OHOH

OH

CH2OH

O

β-1,4-glucosidico

maltosa

glucosaO

CH2OH

OHOH

OH

O

OHOCH2

CH2OH

OH

OHα-1,2-glucosidico

LACTOSA SACAROSA

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA BIOLOGICOS QUIMICOS

Inhibición por producto El producto acumulado

se une al sitio activo.

Ejemplo el exceso de

amoniaco novo de las

proteasas

Igual (reversible)

Envenenamiento Productos que

reaccionan con el sitio

activo. Ejemplo el

cianuro en la cadena

respiratoria

IGUAL

Sinterización (alta

temperatura, Irreversibla

Perdida de los sitios

activos se desnaturaliza

Perdida de sitios activos

por unidad de catalizador