Clase Proteínas BIOQ IngAmb 2016-I v2 (1).pdf

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PROTEINAS, ESTRUCTURA. ENZIMAS, ACTIVIDAD.

Prof . Mg Blgo. Oscar Acosta Conchucos.BIOQUIMICA 2016 - I

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Facultad de Farmacia y Bioquímica

Departamento Académico de Bioquímica

EAP INGENIERIA AMBIENTAL

Estructura de un aminoácido• Son estructuras químicas con un grupo amino y

otro carboxilo como mínimo.

• Son estructuras cuaternarias con C, H, O y N.Pueden poseer además azufre.

• Existen más de 300 de ellos en la naturaleza, perolas proteínas se generan a partir de únicamente 20de ellos.

• 8-10 de los aminoácidos deben estar contenidos enla alimentación por cuanto no se sintetizan en elorganismo y se les denomina esenciales.


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• Aminoácidoshidrofóbicos.

• Se ubican en elinterior de lasproteínas.

• La glicina por serpequeña seacomoda a todasla curvasproteicas.

• Glicina rica en elcolágeno.

Cadenas laterales alifáticas


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• Los hidroxilados sonhidrofílicos, fosforilables y

ocupan la superficie proteica.

• La serina se encuentra en el

sitio activo de muchas

enzimas, no así la treonina

• Los aminoácidos azufrados,

participan frecuentemente de

los enlaces inter proteínas que

mantienen estructuras

terciarias y cuaternarias.

• La metionina inicia la síntesis

de las proteínas.

NH3

CH2-CH-COOH

OH

NH3 OH

CH3-CH-CH-COOH

Serina

Treonina

NH3

CH2-CH-COOH

SH

NH3

CH2-CH-COOHCH2-

S-CH3

Cisteina

Metionina

Aminoácidoshidroxilados

Aminoácidos azufrados

• Al ser dicarboxílicos proporcionan cargas eléctricasnegativas a las proteínas en solución. Además generanproteinatos al reaccionar con cationes.

• Sostienen, por participar de los enlaces, la estructurasecundaria, terciaria y cuaternaria de la proteína.

• El glutamato y la glutamina son neurotrasmisoresabundantes.

Con grupos ácidos o sus amidas


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• Proporcionan cargaspositivas a las proteínas.

• Participan de los enlacesde hidrógeno ymantienen la estructurasecundaria, terciaria ycuaternaria de laproteína.

• La Histidina seencuentra en los sitios

activos de las enzimas.• La arginina es necesaria

en la síntesis de úrea.

Con grupos básicos

NH3

NH-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

C=NH2

NH2

Arginina

NH3

NH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOHLisina

NH3

-CH2-CH-COOH

NH N Histidina

• Contienen grupoaromáticos, que leconfieren carácterhidrofóbico.

• Se sitúan en elinterior de laproteína.

• Estos aminoácidosdan color a lasproteínas.

• El triptofano esprecursor de laniacina.

• La prolina es rica enel colágeno.

Con anillos aromáticos

Prolina


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• Los aminoácidos pueden tener carga positiva, negativa o cero.• La ionización del carboxilo produce cargas negativas, la captura

del protón por parte del grupo amino produce una carga positiva.

• A un pH biológico entre 7 y 7,4 los grupos carboxilo sonpredominantemente COO- y los grupos amino existen como NH3+

• La carga neta es la suma algebraica de grupos negativos y

positivos del aminoácido.

++

+-

+--

+--

H NH R NH R

H COOR COOH R

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• Es el pH en el cual el aminoácido presenta cargas positivas ynegativas iguales.

• Desde un punto de vista práctico resulta de obtener la media entrelas constantes de disociación del carboxilo y del grupo amonio.

CH3-CH-COO-

NH3+

pK1 R-COO- 2,35

pK2 R-NH3+ 9,69

02,62

69,935,2

2

21

++ pK pK pI


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• Muchas de las características físicas y químicas de los aminoácidosdependen de la estructura del grupo R anexo a su carbono alfa.

• Grupos tan pequeños como el de la Glicina permiten su presencia enlugares poco accesibles de una estructura proteica.

• Grupos aromáticos como el de la Tirosina permiten absorción de la luzUV y su medida por procedimientos espectrofotométricos.

• Grupos básicos o ácidos permiten la formación de enlaces (dehidrógeno) con los de otros compuestos.

CH3-CH-COO-

NH3+

CH=carbono alfa

CH3=grupo R

ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS


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• La conformación nativa de una proteína se define como laestructura tridimensional que es biológicamente activa. Semantiene sobre la base de los enlaces covalentes y no covalentesanteriormente explicados.

• La estructura primaria está definida por la secuencia deaminoácidos unidos por los enlaces peptídicos.

• Su carácter de doble enlace fija una estructura rígida, incapaz degirar sobre su eje, y el movimiento se trasmite a los enlaces delcarbono alfa. Esto mantiene una estructura fija coplanar (en unmismo plano).

CO CH NH CO

CH NH CO CH NH

R

R

RLibre

Rígido

• La estructura primaria de una proteína está dada por la secuencia deaminoácidos.

• Los pasos del estudio de esta secuencia son: – Composición de polipéptidos por hidrólisis y cromatografía. – Aminoácido N terminal, con DNPB y aa. C terminal con Hidrazina. – Ruptura en pequeños fragmentos con tripsina, quimo tripsina, bromuro de

cianógeno. – Reconstrucción de la secuencia.

insulinaCadena A

Cadena B Aminoácidos de la insulina


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• Las rotaciones permitidas en el

esqueleto del poli péptido generan

una estructura repetitiva denominada

secundaria, la cual puede ser:

– alfa helicoidal

– estructura beta u hoja plegada

• Esta estructura es mantenida por los

puentes de hidrógeno de la proteína.

En el alfa hélix los puentes son intra

catenarios y en la estructura beta inter

catenarios.

• La doble ligadura virtual , del

enlace peptídico limita las

conformaciones de una cadena

obligando al giro alrededor de

un eje (alfa hélice).

• Sus medidas son:

– 3,6 residuos / giro – 0,54 nm / giro

– 0,15 nm /átomo equivalente


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• La conformación beta o dehoja plegada se presenta enalgunas proteínas o en algunaporción de ellas.

• La estructura es estabilizadapor puentes de hidrógenoentre varias cadenas.

• Puede ser paralela yantiparalela.

• La estructura terciaria se refiere a la disposición tridimensionalde la cadena polipeptídica en una proteína, permitiendo ladisposición globular o fibrosa de la misma.

• La mantienen todos los enlaces no covalentes y aún el enlacedisulfuro.

• La interacción proviene de aminoácidos que pueden estaralejados en la secuencia pero cerca en la disposicióntridimensional.

• La proteína está plegada de forma tal que los grupos hidrofílicosocupan el exterior de la misma y los hidrofóbicos el interior.• La estructura cuaternaria se produce en aquellas proteínas que

tienen dos o más cadenas polipeptídicas, las que seestabilizan por enlaces no covalentes.


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COMPARACION ENTRE HEMOGLOBINA Y MIOGLOBINA

• Las cuatro cadenas(dos alfa y dos beta) seacomodan, creandouna estructura globularcon cuatro bolsillos.


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Proteínas Fibrosas: COLÁGENO

El colágeno forma partede las matricesextracelulares de lasdiferentes partes deldiente.

ENZIMAS


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Catálisis

• Un catalizador esuna sustancia queacelera una reacciónsin consumirse.

• Lo hace reduciendola energía deactivación.

• Se denominaenergía deactivación a aquella

necesaria paraalcanzar el estado detransición.

Por qué aumenta la Velocidad de Rx.?

• Las enzimas aceleran la velocidad de reacción por las siguientesrazones:

– La unión de sustrato y enzima incrementa la concentraciónefectiva de sustrato en las inmediaciones del sitio activo. Haytambién un cambio conformacional que orienta al sustrato.

– La unión enzima sustrato tiene un nivel más alto de energía y

las modificaciones de longitud y ángulo del sustrato asemejan ala forma del estado transitorio.

– Algu nos de los residuos del si t io act ivo , participan de lareacción donando y aceptando protones.

– Alg unos residu os catalítico s tienen grupos que ayudan aromper enlaces covalentes.


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El sitio activo de la enzima

•El sitio activo es una ranura compuestapor residuos de aminoácidos distantesque producen un microambienteespecífico.

•Los sustratos se unen mediante múltiplesinteracciones débiles.

•Las interacciones proveen de la energíanecesaria para reducir la energía libre deactivación.

•La especificidad de la unión depende dela localización de los átomos en el centro

activo.•El sitio activo promueve la formación delestado de transición.

ENZIMAS.Modelos de unión del S a la E


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Como actúa una enzima?Como cambia la energía de activación?

• Reduce la en tal pía del estado de transición (perdida por

calor)• Reduce la en tr opía de la transición (mayor orden maseficiencia)

Clases de enzimas

Clase de enzima Tipo de reacción catalizada

OxidoreductasasReacciones que transfieren electrones de un sustratoa otro.Óxido reducción

TransferasasTransfieren un grupo funcional de una molécula a otra.Grupos como metilos, acilos, fosfatos etc

Hidrolasas

Rompen enlaces entre carbonos u otras moléculas

con la adición de una molécula de agua.

LiasasRompen enlaces C-C, C-S, C-N sin el ingreso de unamolécula de agua.

IsomerasasTransforman un isómero en otro transfiriendo un grupofuncional de una posición a otra.

LigasasForman enlaces C-C, C-N, C-O y C-S uniendo dosmoléculas con gasto de energía.


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Los números de la clasificación

Los números de la clasificación corresponden a:Clase, sub. clase, sub. subclase y sustrato

1. Oxidoreductasa1.1 Actúa sobre grupos CH-OH1.1.1 Con NAD o NADP1.1.1.37 deshidrogenasa málica

Ejemplos de enzimas:

1.Oxidoreductasas- lactato deshidrogenasa2.Transferases- glucoquinasa3.Hidrolasas- quimotripsina4.Liasas- fumarasa

5.Isomerasas- fosfohexosaisomerasa6.Ligasas- acil coA sintetasa

Clasificación de enzimas


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Enzima Fuente Sustrato Producto

α -Amilasa Glándulas

salivales, páncreas

Almidón,

glucógeno

Oligosacáridos

Dextrinasa Intestino delgado Dextrinas Glucosa

Isomaltasa Intestino delgado α-1,6glucósidos

Glucosa

Lactasa Intestino delgado Lactosa Galactosa,glucosa

Maltasa Intestino delgado Maltosa Glucosa

Sacarasa Intestino delgado Sacarosa Fructosa,glucosa

Trehalasa Intestino delgado Trehalosa Glucosa

Cofactores y coenzimas

• Cofactor – De naturaleza orgánica o inorgánica que favorece la actividad

enzimática.

• Coenzima – De naturaleza orgánica, requerida por una enzima para su

actividad catalítica. Generalmente una vitamina o su derivado.

• Las oxido reductasas siempre necesitan: – NAD+/NADH + H+ – NADP+/NADPH + H+ – FAD/FADH2


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Metales como cofactores enzimáticos

Metal Enzima Función

Fe Citocromo oxidasa Oxidación-reducción

Cu Ac ascórbico oxidasa Oxidación-reducción

Zn Alcohol deshidrogenasa Facilita la unión del NAD

Mn Histidina amoniaco liasa Facilita extracción de e-

Co Glutamato mutasa El Co cobalamina

Ni Ureasa Lugar catalítico

Mo Xantino oxidasa ¿oxidación-reducción?

V Nitrato reductasa ¿oxidación-reducción?

Se Glutatión peroxidasa Sustituye al S en una Cys

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

21 Cof P E ES Cof S E ++++

Es la forma de medida de una enzima. La ecuación general de lasreacciones enzimáticas es:

Donde la enzima (E), se une al sustrato (S) para generar un producto (P). Algunas veces es necesario un cofactor (Cof ) que se modifica durante la

reacción.


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La actividad enzimática se mide por la reacción catalítica bajo la forma de:

Desaparic ión del sustra to por unidad de t iempo , o

Formación de producto, o

Modi f icac ión del cofactor .

Unidades: katal = moles de sustrato/segundo.

Unid. Internacionales: umol/minuto

Factores que modifican la actividadenzimática.

La velocidad de una reacción mediada por enzimas estáinfluenciada por:

– Temperatura del medio

– El pH del medio – Concentración de la enzima

– Concentración del sustrato. – Presencia de inhibidores.

Nota: Las reacciones químicas son:

- De primer orden si son dependientes de la concentración de sustrato.

- De orden cero si son independientes de la concentración de sustrato.


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Temperatura• No existe actividad enzimática a-273°C o cero abso lu to .

• A partir de esa temperatura losincrementos provocan mayor actividad enzimática. La que seexpresa como c oef ic ien te de temperatura o Q10. Esto es, elincremento de actividad por cada 10°C de aumento detemperatura.

• En términos generales Q10 = 2,es decir que por cada 10°C detemperatura la velocidad sedobla.

• Existe una temperatura óptimatras la cual los aumentosprovocan desnaturalización dela proteína enzimática y pérdidade la actividad.

Cangrejos del polo

Pepsina de cerdo

Bacterias de aguas termales

pH• Cada enzima tiene un pH óptimo de

trabajo, el cuál es variable. Las enzimasintracelulares trabajan entre 5 y 9 , lasenzimas digestivas pueden trabajar enpH diferentes.

• Los extremos de pH afectan laionización de los centros activos (-COO- (glutamico, aspartico) NH3+

(arginina, lisina,histidina) SH (Cisteina,metionina)).

pH0 14


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FACTOR:

CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO

• Si se aumenta laconcentración del sustrato,manteniendo constante lasdemás variables, lavelocidad inicial dereacción (Vi) aumentahasta un valor máximo(Vmax) el que seestabiliza.

• Se dice bajo estascondiciones que la enzimaestá saturada con elsustrato. Esto se producede acuerdo a la afinidadenzima sustrato.

La ecuación de MICHAELIS - MENTEN

• Esta es la formula para una reacción catalizada por unaenzima, donde S es el sustrato y P el producto.

• Describe la relación entre velocidad y concentración delsustrato y explica el mecanismo de saturación.

• La ecuación de Michaelis - Menten deriva de las siguientesconsideraciones:

1) Etapa constante (meseta)2) Velocidad inicial.

P E ES S E ++k 1

K -1

k 2

K -2


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1) Velocidad inicial

• En el inicio hay poco producto, luego el aporte de E + P a la formación de ES esdespreciable.

• La ecuación de Michaelis se refiere a la velocidad medida durante este periodode reacción.

• Luego en este caso la reacción puede modificarse a:

K -1

P E ES S E ++k 1

K -1

k 2

P E ES S E ++

k 1 k 2

K -2

2) Etapa constante o de meseta

• Se define como la etapa durante la cual el complejo Enzima-sustrato [ES] permanece constante.

• Estado pre inalterable es aquel durante el cual se genera ES y esmuy rápido.

• La ecuación de Michaelis se refiere a la velocidad que se midecuando la etapa constante se alcanza.

P E ES S E ++k 1 k 2

K -2


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Que es K m• K m es una constante derivada de

• K m, bajo las condiciones de Michaelis, es un estimado de ladisociación entre la E y S

•

Importante:

* Un K m pequeño significa una “gran afinidad” entre la E y el S.* Un K m alto significa poca afinidad entre la E y el S.

• K m es la concentración del sustrato en la cual la velocidad d e lareacción es igual a la mitad de la Vmax ( 1/2V max )

Km = 1/2V max

1

21

k

k k K

m

+

-

P E ES S E ++k 1

K -1

k 2

“Km es una expresión de afinidad entre E y S”

S

Vmax

Vmax/2

Km. KmGlucoquinasa

(hígado)Hexoquinasa

(cerebro)


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Comprendiendo v max

• Vmax se obtiene conforme se incrementa el sustrato. No sealcanza completamente porque requeriría que todo el sustrato seuna a la enzima (no habría constante de equilibrio)

• Numero de recambio, se define como el numero de moleculasde sustrato transformadas por la enzima por unidad de tiempo.,cuando la enzima esta saturada por el sustrato. O [S]>>[Et],

P E ES S E ++k 1 k 2

K -2

Gráfica de Lineweaver Burk• La gráfica de Lineweaver Burk es

usada para obtener Vmax y Km.

• Se usa la inversa de la ecuaciónde Michaelis-Menten.

• Cuando 1/v se grafica frente a 1/sse obtiene una recta, donde lapendiente es Km/Vmax.

• La intersección en el eje de y esigual a 1/Vmax y la del eje de x esigual a -1/Km.

VmaxS Vmax

km

v

1

][

1.

1+

1/v

1/[S]

1/Vmax

-1/Km


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Inhibidores competitivos• Estructuras semejantes al sustrato que compiten con él por el

mismo centro activo.

• Sus efectos pueden revertirse si se incrementa la concentracióndel sustrato hasta ocupar todos los centros activos.• La Vmax no cambia, pero si el Km porque se necesita más

sustrato.

v

[S]

inhibidor

1/[S]

1/V

1/Vmax

-1/Km

Inhibidores competitivos


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Inhibidores no competitivos

• Estructuras diferentes al sustrato por lo que se unen a un sitioindependiente de la enzima.

• Ambos, sustrato e inhibidor pueden unirse a la enzima al mismotiempo. Su efecto no puede revertirse aumentando laconcentración del sustrato.

• No tiene efecto sobre la Km pero sí sobre la Vmax.

V

[S]

inhibidor

1/V

1/[S]

1/Vmax

-1/Km

Inhibiciónno competitiva


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Inhibidores irreversibles• Reaccionan covalentemente con la cadena lateral de un

aminoácido de la enzima, para formar un complejo establepermanentemente inactivado.• Se les llama también substratos suicidas.• Su efecto es igual al de un inhibidor no competitivo.

Droga Uso terapéutico Enz ima afec tada Tipo de inhibidor

Lovastat ina Hipercolesterolemia HMGCoA reductasa Competit iva

5-fluouracil Cáncer Timidilato sintetasa Irreversible

Metrotexate Cáncer Dihidrofolato reductasa Competitiva

Alopurinol Gota Xantino oxidasa Irreversible

Cumadin Ant icoagulante Glutamil carbox ilasa Competit iva

Aspirina Antiinflamatorio Ciclooxigenasa Irreversible

Captopril Hipertensión art. Enz.convert.angiotensina Competitiva

Efecto clínico de los Inhibidores

• El metabolismo se controla:

– Por la disponibilidad de los sustratos en el interior de lacélula.

– Por la concentración de sustratos – Por la función y el control enzimático, que puede ser por:

• Represión

• Retroalimentación (“feedback”)

• Alosterismo (presencia de un activador alostérico

en un sitio distinto al sitio activo).

En el contexto del metabolismo…


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• Represión:

• Retroalimentación:

• Alosterismo:

A B C D E

A B C D E

sustrato

activador

Tarea: Buscar enzimas importantes en salud ambiental…

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