Mecanismos químicos de las reacciones enzimáticas.

Mecanismos químicos de las
reacciones enzimáticas.
Efectos fisicoquímicos generales
Estrategias químicas específicas
Posgrado en Ciencias Bioquímicas
UNAM
Autor: Rogelio Rodríguez-Sotres
Las enzimas alcanzan tasas de aceleración excepcionales
Ejemplos de aceleración de la reacción por diversas enzimas
Vel de la reacción
Factor de aceleración
No catalizada
catalizada
Veces
knon (s-1)
kcat (s-1)
(kcat/knon)
Ciclofilina (a)
0.028
13 000
460 000
Anhidrasa carbónica (a)
0.13
1 000 000
7 700 000
Fotosíntesis
0.000026
50
1 900 000
Síntesis de
escenciales
0.000000004
0.04
10 000 000
Digestión de proteínas en el
tracto digestivo
Triosa fosfato isomerasas (b)
0.0000006
2 000
300 000 000
Degradación de azúcares
para generar energía
Fumarasa (b)
0.00000008
2 000
100 000 000 000
Respiración celular
Cetoesteroide isomerasa (a)
0.00000017
66 000
390 000 000 000
Producción
esteroides
Carboxipeptidasa A
0.000000003
578
190 000 000 000
Digestión de proteínas en el
tracto digestivo
Adenosina Deaminasa (a)
0.00000000018
370
2 100 000 000 000
Síntesis de precursores de
ácidos nucléicos
Ureasa (b)
0.0000000003
30 000
100 000 000 000 000
Mecanismo de defensa de
algunas plantas
Enzima
Corismato mutasas (a)
Quimotripsina (b)
Fosfatasa alcalina (b)
Orotidina-5-P-descarboxilasa (a)
Función en la naturaleza
Síntesis de antibióticos
aminoácidos
de
hormonas
Liberación de fósforo para
1 × 10-15
100
100 000 000 000 000 000 su aprovechamiento
2.8 × 10-16
39
140 000 000 000 000 000 nucleícos
Degradación
de
ácidos
• Las catálisis enzimática aprovecha varios efectos
fisicoquímicos y diferentes estrategias químicas
para catalizar su reacción química.
• Mientras los efectos fisicoquímicos son parte de
todos los mecanismos de reacción enzimática.
• Las estrategias empleadas dependen de la reacción
química catalizada.
• Algunas estrategias son comunes a varias
enzimas ...
Efectos fisicoquímicos generales
propuestos para explicar la catálisis
enzimática.
Aumento de la concentración efectiva
• Las
enzimas
son
específicas
para
sus
sustratos
• Cuando los sustratos se
unen a la enzima se
concentran
en
un
pequeño volumen.
• Este efecto tiene una
contribución
baja ,
estimada en aceleraciones
de 102 a 103 veces.
Factores de orientación.
HO
OH
O
OH
OH
OH
solución
OH
OH
E
O
OH
OH OH
• Los sustratos unidos al sitio activo tienen menos movilidad.
• Además, se hallan orientados adecuadamente.
• Esto puede facilitar el acercamiento de los grupos reactivos
(contribución 103 a 106 veces).
Efectos entrópicos en una reacción
química
∆SROTACIONAL
Efectos de orientación en una
reacción química
Efectos de orientación...
Posibles estados
de transición
Alteración del potencial
electrostático
• Las enzimas poseen
regiones
hidrofóbicas,
• regiones con
carácter dipolar y
• regiones con cargas.
• La adecuada
distribución de estas
regiones las hace
“supersolventes”.
La enzima como supersolvente
∆Gtot
= ∆ Grea + ∆ Gsol
RO H
RO H
∆ Gtot
RO H
+
= ∆ Grea
RO H
+
La enegía de orientación de los dipolos ya se pagó
durante el plegamiento de la proteína
(factores de 1010 a 1012 veces)
Estrategias químicas específicas:
• Catálisis general
ácido base
Aminoácidos ácidos y/o
básicos, Mg, Zn, Ca...
• Catálisis covalente
Se forma un intermediario
covalente E-reactante.
• Catálisis por
Oxido-reducción
Cisteína↔cistina, grupos
prostéticos y/o metales
• Efecto tunel
.
(e y H )
Deshidrogenasas y otras
oxidorreductasas
Catálisis ácido-base:
específica vs. general
• En la catálisis ácido-base
expecífica, los H+ o los OHpromueven la reacción, sólo
depende del pH.
• En catálisis ácido-base
general una especie
protonada o desprotonada
facilita la reacción, depende
del pH y de la concentración
del amortiguador.
Quantum tunneling
Loas onda-partículas poseen enegía cinética+ energía potencial. Una
partícula que deba atravesar un medio en el que posee mucha energía
potencial debe tener energía cinética negativa (???).
Sin embargo, si la longitud de onda de la partícula es más larga en el estado
basal que en la barrera, la partícula puede “atravesar la barrera” sin
“poblarla”.
Ejemplos que sirven para ilustrar
estas estrategias …
A) Lisozima
FORMA
ACTIVA
E
Glu35
O
O H
HO
E
pKa1
O
Asp52
Glu35
E
O
O H
O
O
pKa2
Asp52
Actividad enzimática (%)
80
60
40
20
0
2
4
6
pH
8
10
O
O
O
Asp52
100
3D
Glu35
12
O
B) Ribonucleasa A
FORMA
ACTIVA
Lys41
Lys41
His119
+
+
NH3
HN
NH3
+
HN
+
NH3
NH
HN
NH
pKa2
+
Actividad enzimática (%)
100
80
60
40
20
0
2
4
6
pH
HN
N
His12
His12
His12
3D
N
NH
pKa1
+
His119
His119
N
NH
NH
Lys41
8
10
12
C) Carboxipeptidasa A
Centros electrofílicos
Catálisis mediada por metales
Reacción catalizada por la
Carboxipeptidasa
OH
D E
M
C
NH
2
SH
I
A
G
T
I
O
V N
N
O
O
OH
H
S
V K R
I
HOH
D E
M
C
SH
I
I
NH2
A
G
T
S
V K R
I
H
V N
O
O
H N
O
+
H
O
Mecanismo de catálisis de la
carboxipeptidasa
D) Proteasas de serina
Catalisis Covalente
La enzima es modificada covalentemente de manera
transitoria
E) Catalasas
Catálisis redox
Es estado Redox de la enzima se modifica de
manera transitoria
Catalasa: Un ejemplo de catalisis redox
Reacción:
2 H2O2
2 H2O
+ O2
La enzima requiere un grupo Hemo (FeII) que pasa a Fe(III)
Enz red:
E-hemo-Fe2+
E-hemo-FeIII
Pasos de la catálisis
KM1
E-hemo-FeIII.H2O2
+ H2O2
kCAT1
E-hemo-Fe .H2O2
2+
III
E-hemo-Fe .OH
IV
Enz ox: E-hemo-Fe3+.OH
+ H2O2
E-hemo-Fe .OH.H2O2
IV
E-hemo-FeIII.O2.H3+O
E-hemo-FeIV.OH
KM2
kCAT2
+
OH-
E-hemo-FeIV.OH.H2O2
E-hemo-FeIII.O2.H3+O
E-hemo-FeIII
+ O2 +H3+O
Scheme 1. The catalytic reaction cycle in catalases (axial Tyr). The
porphyrin ring is represented by the broad lines on both sides of
the iron, and radicals by dots. (Taken form Hersleth, et al., (2006) Journal of
Inorganic Biochemistry 100, 460 - 476)
0
0*
1
The structures of compound 0, 0* and I (according to Jones, P.
(2005) Journal of inorganic biochemistry 99, 2292 - 2298)
and Dunford, H. B.
Fig. 7. Scheme for KatG catalytic cycles. The species shown in bold text are those identified in the
reference below, or in previous work on KatG (see reference in the original work) . Tyr•, tyrosyl
radical; Por+•, porphyrin pi -cation radical; ROOH, m-chloroperoxybenzoic acid, peroxyacetic acid, or
t-butylhydroperoxide. (This scheme is similar to the one reported for PGHS ). Chouchane et al., J. Biol. Chem.
277, 42633(2002)
Fig. 2. Crystal structure of catalase. The haem regions with key residues are shown, and the
distances are in Ångstrom. Figures were generated using PyMOL [85]. The following
colour coding is used: carbon is light grey, oxygen is red, nitrogen is blue, sulphur is dark
yellow and iron is orange. (B) Ferric, compounds I and II catalase (1GWE, 1MQF, 1GWF)
are shown [6], [10], [11] and [54]. Hersleth, et al., (2006) Journal of Inorganic Biochemistry 100,
460 - 476
FIGURE 1.
Met-Tyr-Trp adduct in Mtb KatG. The figure was constructed using the
coordinates deposited in the Protein Data Bank (accession code 2CCA (26);
displayed using PyMOL software (Ranguelova et al., J. Biol. Chem., 282: 6255(2007).
Un ejemplo animado
Pirofosfatasa inorgánica soluble de Levadura
P2O74- + H2O --Mg2+--> 2HOPO32-
Pirofosfatasa inorgánica