Catálisis enzimática

Tema 8 (cont)
Catálisis enzimática
1
Para entender las enzimas necesitamos dos propiedades
termodinámicas de la reacción
1. Diferencia de E libre (ΔG) entre productos y reactantes.
Se relaciona con la constante de equilibrio (K).
ΔG (+) r.endergónica
ΔG = 0 r. en equilibrio
ΔG (-) r. exergónica
ΔG= ΔG0 + RT ln K´eq
E libre estándar
No influye sobre la v de reacción
2. Energía que se requiere para iniciar la conversión de
reactantes en productos= E libre de activación (ΔG‡)
Determina la v de reacción
Las enzimas influyen en ésta
2
Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la
termodinámica
1º.- Principio de conservación de la energía
2º.- Aumento natural del desorden
Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz
de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión
constantes, condiciones físicas para la vida
Entalpía (H): contenido calórico del sistema
Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema
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1
H > 0 Reacción endotérmica (absorbe calor)
H < 0 Reacción exotérmica (libera calor)
S > 0 Aumenta entropía en el sistema
S < 0 Disminuye entropía en el sistema
ΔG = ΔH - TΔS
Entalpía (H): contenido calórico del sistema
Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema
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La única energía que pueden utilizar las células es la
energía libre, porque es la única capaz de realizar
trabajo durante una reacción a Tª y presión
constantes : Energía libre de Gibbs (G)
Proporciona información sobre:
- La dirección de la reacción química
- Composición en el equilibrio
- La cantidad de trabajo desarrollado por la reacción
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Variación de energía libre (ΔG)
Predice si una reacción es posible energéticamente o no
ΔG = 0 Proceso en equilibrio
ΔG > 0 Reacción endergónica, consume energía
ΔG < 0 Reacción exergónica, genera energía (espontánea)
Relación entre el G y la K de equilibrio de una reacción:
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2
En condiciones estándar
¾ 25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M
la variación de G se denomina: ΔGo
¾ En condiciones fisiológicas: pH = 7 , ΔG´o
ΔG´o es un parámetro que expresa la termodinámica de
una reacción, al igual que la constante de equilibrio y es
característica de cada reacción bioquímica
K´eq < 1 ΔG´o (+) endergónica
K´eq = 1 ΔG´o (0) equilibrio
K´eq > 1 ΔG´o (-) espontanea
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ΔGo = variación de E libre en condiciones estándar
(25º C, 1 atm, [R] y [P] = 1 M). Valor fijo para cada
reacción
ΔG = variación de E libre real. Es variable, depende de
la [R] y [P] y de la Tª
Si la reacción está en el equilibrio,
la variación de energía libre es nula ΔG = 0
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• La velocidad de la reacción depende de la “Energía
libre de activación” (ΔG‡) que no está relacionada
con ΔG
• La diferencia en la E libre entre el estado de
transición X‡ y el S se denomina “Energia de
activación” (ΔG ‡)
S
‡ indica
X‡
P
estado de transición. Con >E libre que S ó P
ΔG ‡ = G ‡ X - GS
• Aceleran las reacciones porque ↓ ΔG ‡
9
3
Energía de activación: La conversión de S en P es
termodinámicamente favorable (ya que P tienen menor
energía que S) pero S no pasa a P si no adquiere la
energía suficiente para superar la barrera de energía.
Esta energía necesaria se denomina “Energía de
activación” ó energía libre de Gibbs” (ΔG ‡)
Ej: Oxidación de glucosa a CO2 y H2O
ΔG ‡
P
S
P
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Reacción química ordinaria
9 Para que se verifique una reacción es necesario
comunicar una energía denominada Energía de Activación.
Incluso cuando ΔG < 0
9 El compuesto S con un determinado nivel energético
debe alcanzar un estado de transición, o nivel energético
mas alto para ser transformado en producto P.
9 P se encuentra en
un nivel energético
menor
9 El estado de
transición representa
una barrera energética
que hay que salvar.
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ΔG ‡ S→P = Energía de activación para que S alcance el estado de transición
ΔG ‡ P→S = Energía de activación para que P alcance el estado de transición
ΔG 0+
ΔG ‡ P→S
= Variación de E libre estándar global para ir de S a P
-
ΔG ‡ S→P
=
9 Cuanto mayor sea la
Energía de activación para
el estado de transición, S
tendrá mas dificultades
para transformarse en P.
S es muy estable y tardará
mas tiempo en alcanzar el
estado de transición →
reacción es mas lenta y
tarda mas.
ΔG 0+
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4
¿Cómo actúa un enzima?
9 Es un catalizador
9 Disminuyendo la Energía de activación
9 No modifica el equilibrio de la reacción
9Cataliza el paso de S a P y de P a S
9 Acelera la interconversión de S a P.
9 El equilibrio se alcanza de forma mas rápida.
9 Incrementa la velocidad de reacción
9 < < ΔG ‡ ; ΔG 0+ no se modifica
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E de activación r. no catalizada
Formación y
desintegración
de especies
químicas
transitorias
Paso limitante de velocidad
E de activación r.
catalizada
T de reacción
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Etapas de la reacción catalizada enzimaticamente
1. E reconoce a S. Comienza la formación de ES*
2. Complejo ES formado
3. Transformación del complejo ES en un complejo
intermedio de transición EI. Se favorece la acción
catalítica del enzima
4. Comienza la formación del complejo EP
5. Empieza la disociación de P en EP*
6. Disociación total de P y liberación de E → E + P
S + E ↔ ES* ↔ ES ↔ EI ↔ EP ↔ EP* ↔ E + P
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Paso limitante de
velocidad
EI
ES*
EP*
EI, es un complejo intermedio de transición
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Enzimas
• Las energías de activación son barreras energéticas
que las reacciones químicas deben salvar.
• Cuanto mas elevadas sean → mas estables son las
sustancias reaccionantes
• Las Enzimas se necesitan para disminuir la energía
de activación de forma selectiva en las reacciones
que son necesarias para la supervivencia celular
• Permitiendo que la reacción tenga lugar en una escala
útil para las células
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¿Como se puede explicar la acción de un enzima?
• Las enzimas interaccionan de manera transitoria con
el sustrato
• Esas interacciones suponen la activación de ese
sustrato
• El máximo de las interacciones tienen lugar cuando se
alcanza el estado intermedio de transición (EI)
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Energía de fijación
• Energía desprendida durante la formación del complejo
ES y sobre todo del EI
• Se forman interacciones débiles progresivas ( puentes
de H; fuerzas Van der Waals; interacciones hidrofóbicas)
Energía de
fijación
ΔG
t de reacción
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El poder catalítico de una reacción se fundamenta
• a) Energía de fijación ( interacciones ES)
• b) Propio poder catalítico del E
• c) Estructura del S en EI, es decir en el centro activo,
debe ser complementaria a la del E también en ese centro
activo
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Ejplo : Barra metálica y encaje inducido
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Energía de fijación
“Es la principal fuerza motriz dominante de la
catalisis”
Barreras energéticas (físicas y termodinámicas)compensadas
por la Energia de fijación del S al E
1. Reducción de
la Entropía
2. Romper la capa
de solvatación que
el S posee con el
agua
3. Compensa las
distorsiones del S
en ese momento
4. Permitir la alineación
correcta de los grupos
funcionales catalíticos
del E
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8
1
E
E
Entropía ↑
Menor movimiento= mas orden= Entropía ↓
2
S
E
E
E
Romper capa de
solvatación
3
I
S
E
E
E
Adaptación del S
EI Compensa las
distorsiones de S
4
S
E
E
Alineación eficaz de los
grupos catalíticos para
interaccionar con S 25
1. Reducción de la Entropía
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2. Romper la capa de solvatación que el S posee con el agua
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3. Distorsiones estructurales ó electrónicas del S en ese momento
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Relación entre la E de fijación y la especificidad del E
Especificidad:
capacidad de una E para diferenciar entre dos sustratos
competitivos
> especificidad
>
Energía de fijación
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Mecanismos catalíticos
El S unido al E utiliza grupos funcionales distintos
a los de fijación que intervienen rompiendo o
formando enlaces.
• CATALISIS ACIDO-BASE
• CATALISIS COVALENTE
• CATALISIS POR IONES METÁLICOS
• CATALISIS ELECTROSTÁTICA
• EFECTO DE PROXIMIDAD Y ORIENTACIÓN
• FIJACIÓN PREFERENCIAL DEL ESTADO DE
TRANSICIÓN
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CATÁLISIS ACIDO-BASE
Catálisis ácida: transferencia parcial de un protón
desde un residuo de la enzima, que se comporta como un
ácido de Bronsted (especie donadora de protones), al
sustrato o intermediarios de la reacción, disminuyendose la
E libre del estado de transición
Catálisis básica: transferencia de un protón desde el
sustrato o intermediarios de la reacción a un residuo de la
enzima, que se comporta como una base de
Bronsted (especie aceptora de protones) , disminuyéndose
así la energía libre del estado de transición.
Catálisis ácido-base general concertada:
simultáneamente se dan ambos procesos. Generalmente
concertada.
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CATÁLISIS ACIDO-BASE
Transferencia de protones
H2O donador → H+ ; H3O+ ; - OH
“Cátalisis ácido-básica especifica”
“Cátalisis ácido-básica general”
Interm. inestable
A + B
Donadores o aceptores distintos
al H2O
P
H2O
H+ ; H3O+ ; -OH
Interm. inestable
A + B
P
Grupos dadores o aceptores de H+
“R” de aa; aa; ácidos ó bases débiles
Estos grupos se posicionan en el centro activo del E, permiten la
transferencia de H+ e incrementan la V de 102 a 105 veces
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Ej: Catalisis ácido-base de la hidrólisis de RNA
por la Ribonucleasa A de páncreas bovino
Transparencia Voet cap 11
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11
Mecanismo de RNAsa A
Hidrólisis de RNA en dos
pasos, con formación
intermedia de un
nucleótido 2´, 3´- cíclico
1. His12 (base)quita un protón de un grupo
2´- OH de RNA. Promueve ataque
nucleofílico al átomo de P adyacente.
His119 promueve la escisión del enlace.
2. Eliminado el grupo, ingresa H2O en el
sitio activo. El intermediario 2´3´-cíclico se
hidroliza. His12 actúa como base e His119
como ácido general. RNA hidrolizado
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Ej: Catálisis ácido-base de tautomerización ceto-enol
Transparencia Voet cap 11
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R. No catalizada
Muy lenta
Se rompe el
enlace C=O
Existe un
dador de
protones al <E
activacción del
est.trans.
carbanión
(C unido a O
con carga -)
El protón se desplaza
hacia el O. Crea un =
entre los dos C
Reduce su
carácter de
carbanión
Existe un
aceptor de
protones al <E
activacción del
est.trans.
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39
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CATÁLISIS COVALENTE= Catálisis nucleofílica
• La E forma un enlace covalente transitorio con el S
• El
ataque de un grupo nucleofílico (-) ó electrofílico (+)
del centro activo del E
Unión del S con el E = Intermedio ES
Ej: E unidos a coenzimas, forman estos
enlaces covalentes con el S
Ej: Serin Proteasas
Coenzimas : Pirofosfato de tiamina (TPP)
Fosfato de piridoxal(PLP)
Actúan asociadas con sus apoenzimas como catalizadores covalentes
CATÁLISIS COVALENTE
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consiste en tres pasos sucesivos
– Ataque nucleofílico de la enzima sobre el sustrato (formación del
enlace covalente).
– Toma de electrones por el catalizador u otro sustrato (formación del
producto).
– Separación del producto de la enzima (ruptura del enlace covalente,
generalmente por hidrólisis).
E:
H2O
A–B
A – E + B´
A´+ B´+ E
E: enzima con grupo nucleofílico
R-CO-NH-R´ + E- CH2OH
R-COO-CH2- E + R´-NH2
enlace ester entre el E y una parte del S
Se,
recuperación del E
hidrolisis
R-COO-CH2- E + H2O
R-COOH + E-CH2OH
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CATÁLISIS COVALENTE
El N protonado actúa
como sumidero de eintermedio covalente
Amina como nucleófilo
ataca al grupo carbonilo
del acetoacetato para
formar base de Schiff
(enlace imino)
1.R. Nucleofílica entre E y S→ enlace covalente
2. Eliminación de e- por el E ahora electrofílico
3. Eliminación del E
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Grupos nucleofílicos y electrofílicos de importancia
biológica
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Grupos nucleofílicos y electrofílicos de importancia
biológica
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CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
Los metales pueden estar:
- fuertemente unidos al E
- captados de la solución junto con el S
a) Estabilizando
el estado de
transición de la
reacción
Escudo de cargas
negativas
b) Facilitando una
mejor orientación
del S
c) Facilitando
reacciones de oxidoreducción mediante
cambios reversibles en
el ión metálico
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CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
1. METALOENZIMAS: E y M después del proceso de
purificación siguen unidos fuertemente ( Fe2+; Fe3+;
Cu2+; Zn2+; Mn2+; Co2+)
nunca darán E-S-M, pues E y M han de estar unidos
1. ENZIMAS ACTIVADAS POR METALES
• El metal participa en el proceso catalítico → complejo
ternario con el E y el S.
• Cuatro posibilidades
M
E-S-M
M-E-S
E-M-S
E
S
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Ejemplos de metales usados como cofactores
Cu+2
Fe+2 o Fe+3
K+
Mg+2
Mn+2
Mo
Ni+2
Se
Zn+2
citocromo oxidasa
catalasa, peroxidasa
piruvato quinasa
hexoquinasa
arginasa
dinitrogenasa
ureasa
glutation peroxidasa
alcohol dehidrogenasa
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CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
2.- ENZIMAS ACTIVADAS POR METALES
E y M después del proceso de purificación siguen unidos
débilmente, pero el E necesita su presencia para ser
activo
Los iones metálicos (ión cargado) pueden participar en
cualquiera de los mecanismos citados (catálisis ácida,
básica, covalente, aproximación y orientación de las
moléculas que reaccionan, inducción de la
configuración adecuada de la E, etc.)
• Ej: anhidrasa carbónica humana (ión Zn 2+ en centro
activo ligado a 3 N de 3 His) (importancia en el control
del equilibrio ácido-base del organismo)
CO2 + H20 <---> H2CO3
Ac. carbónico
H2CO3 <---> HCO3- + H+
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16
Quimotripsina
Catálisis covalente y
ácido- base general
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1. Rotura del enlace peptídico (S)
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2. Acilación del E
Ser del centro
activo forma enlace
covalente con el S
(catalisis covalente)
His del centro
activo , como base
facilita la reacción
(catalisis básica)
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3. Formación del intermedio
covalente acil-enzima
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4. Unión de H2O al intermedio
covalente acil-enzima
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5. Desacetilación del intermedio
covalente acíl-enzima
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6. Formación del producto.
Separación del enzima
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7. Liberación del producto.
Recuperación del enzima
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CATÁLISIS ELECTROSTÁTICA
• La enzima estabiliza intermediarios o estados de
transición de la reacción por neutralización de cargas
gracias a la disposición espacial en el sitio activo de
residuos con carga opuesta.
• En otros casos la distribución de cargas en el sitio
activo sirve para guiar a sustratos cargados o
polares a sus sitios de unión.
• La exclusión de agua en el centro catalítico del E
favorece la interacción entre especies cargadas
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CATÁLISIS MEDIANTE EFECTOS DE PROXIMIDAD Y
ORIENTACIÓN
• los sustratos quedan inmovilizados y alineados
Efecto proximidad
Efecto orientación
-Aumenta su proximidad
-Las moléculas reaccionan solo si
encuentran la orientación relativa
adecuada
-Congela los movimientos
translacionales
-Incrementan la V de reacción en un
factor de ≅ 100
-Congela los movimientos
rotacionales
-Disminución de entropía
Aumento de reactividad entre moléculas
Aumento de V de reacción
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Proximidad favorable
Orientación desfavorable
Enzima
Sustrato
Proximidad desfavorable
Orientación desfavorable
Proximidad favorable
Orientación favorable
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CATÁLISIS POR FIJACIÓN DEL ESTADO DE
TRANSICIÓN
• Uno de los mas importantes
• “mecanismo del potro” :el E tensionaria mecánicamente
el S → “conformación del estado de transición”
• El E fija y estabiliza el estado de transición mediante 2
enlaces de H ⇒ V incrementa en 106 veces
• El estado de transición establece mejores contactos
con el E que el propio sustrato
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CATÁLISIS POR FIJACIÓN DEL ESTADO DE
TRANSICIÓN
En el estado de transición ES*, los enlaces químicos se
encuentran en formación o rotura
Liberación de energía que contribuye a ↑ v de reacción
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