Biopolímero

Biopolímero
s (4831)
4.3. Conceptos de catálisis química.
4.3.3. Ejemplos de tipos de catálisis. Aplicación a la catálisis enzimática
Los iones metálicos como catalizadores
Como se dijo anteriormente los campos positivos de los iones metálicos
pueden estabilizar cargas negativas generadas en un estado de transición
favorenciendo así la reactividad de los compuestos. Este es el caso del Zn2+ en
carboxipeptidasas que cataliza la hidrólisis de enlaces amida (figura anterior).
2+
Por una parte, el Zn está coordinado con el oxígeno carbonílico, lo que
produce una polarización del enlace, y posteriormente estabiliza la carga
negativa generada sobre el oxígeno en el estado de transición. Los estudios
realizados con reacciones modelo de este tipo estiman un aumento de la
6
velocidad de reacción del orden de 10 .
Por otra parte, las moléculas de agua coordinadas con metales se ionizan
mucho mejor que el agua no coordinada. Por ejemplo el complejo de cobalto
3+
2+
[(NH3)CoH2O] se ioniza a [(NH3)CoHO] con un pKa 6'6, nueve unidades por
debajo de lo que lo hace el H2O. Por tanto los cationes metálicos acomplejados
con agua son una fuente de iones hidroxilo altamente reactivos.
La anhidrasa carbónica utiliza
este último mecanismo en su
estrategia catalítica. Este
enzima cataliza la hidratación
del CO2 a HCO3-. Esta enzima
es una metaloenzima de Zn2+,
el catión está coordinado con
los nitrógenos de tres
histidinas y con una molécula
de agua que se ioniza con un
pKa de 7. Este hidroxilo
activado es el que realiza el
ataque nucleófilo sobre el
carbono ( posiblemente
también el catión polarice el
oxígeno carbonílico)
Catálisis Covalente
Recibe el nombre de catálisis covalente aquella en donde el catalizador no sólo
estabiliza energéticamente el Complejo Activado, ya sea esta por formación de
enlaces de hidrógeno, neutralización del campo eléctrico, etc., sino que
además el sustrato se ve modificado transitoriamente por formación de
enlace covalente con el catalizador( realmente se cambia el camino de la
reacción) para dar lugar a un intermedio de reacción muy reactivo.
Dependiendo del tipo de reacción implicada en la formación del enlace
covalente sustrato-catalizador, la catálisis covalente puede ser nucleófila y
electrófila. En los siguientes párrafos se dan algunas ideas y ejemplos de este
tipo de catálisis de especial relevancia en la catálisis enzimática.
Catálisis Nucleófila
Una
reacción
muy
extendida en
los sistemas
biológicos es
la
transferencia
de grupos
acilo, por
ejemplo en
la hidrólisis
de péptidos,
la cual
constituye
un ejemplo
de catálisis
nucleófila.
En el
esquema de
la izquierda
se da el
mecanismo
para la
hidrólisis del
anhidrido
acético a
ácido
acético
catalizada
por piridina.
Los estudios de estructura-reactividad (efecto de grupos
electroatrayentes y electrodonantes) han aportado mucha
información sobre la distribución de carga en el estado de
transición de las reacciones de ataque nucleófilo sobre grupos
carbonilos, concretamente, en las reacciones de ataque de
nucleófilos sobre ésteres se ha demostrado
experimentalmente que (1) la velocidad de esta reacción
aumenta con el poder electroatrayente de la parte acílica (el
CHCl2CO2Et es más reactivo que el CH3CO2Et), (2) la
velocidad también aumenta con el poder electroatrayente del
grupo saliente (el acetato de p-nitrofenilo es más reactivo que
el acetato de fenilo) y (3) que el aumento en la basicidad del
nucleófilo atacante (electrodonación) aumenta también la
velocidad de reacción. La siguiente figura ilustra este último
hecho y muestra la variación de las constantes de velocidad de
la hidrólisis de un ester en función de la nucleofilicidad del
catalizador.
La variación del
logaritmo de la
constante de
velocidad de la
reacción de
hidrólisis del
acetato de
paranitrofenilo con
el pK del
catalizador
nucleófilo (en este
caso aminas, SC
es semicarbazida)
es una relación
lineal y constituye
otro ejemplo de
LFER.
Una variación
también lineal,
pero de signo
contrario, puede
encontrarse en la
reacción de
hidrólisis de
esteres cuando se
representa el
logaritmo de la
velocidad de
reacción frente al
pKa de los grupos
salientes.
La relación de LFER entre la constante de velocidad y el pK en
este tipo de catálisis recibe el nombre de ecuación de
Brönsted:
log k2 = log k0 + β pKa
Los hechos experimentales anteriormente expuestos, indican
la existencia, en este tipo de reacciones, de un complejo
activado con generación de una cierta carga negativa sobre el
sustrato, ya que los grupos que estabilizan cargas negativas
aumentan la velocidad de reacción y una disminución de la
carga sobre el nucleófilo ya que se aumenta la velocidad de
reacción con el aumento de su capacidad electrodonadora.
Estos hechos son compatibles con complejos activados como
los que se presentan a continuación.
En el primero
de ellos el paso
limitante de la
reacción sería
la formación
del intermedio
tetraédrico,
mientras que en
el segundo el
paso limitante
es la rotura.
En la relación de Brönsted de la catálisis covalente, el signo y
la magnitud de β es indicativo del signo y de la magnitud de la
carga desarrollada en el estado de transición y del grado de
formación y rotura de enlaces. Considerense los dos casos
extremos que se dan a continuación.
En el ataque de aminas
terciarias sobre esteres de
alcoholes muy básicos el
valor de β es 1'5 para la
variación del pKa del
nucleófilo y -1'5 para la
variación del pK del
alcohol saliente. La
estructura del complejo
activado del paso limitante
de la reacción, debe ser
muy próxima a la de los
productos en donde el
grupo acilo se ha
transferido totalmente a la
amina (paso limitante la
rotura del intermedio
tetraédrico)
En la reacción de
nucleófilos básicos con
esteres que tengan grupos
salientes activados, los
valores de β obtenidos son
solo de +0'1 a 0'2 para la
variación del pKa del
nucleófilo y de -0'1 a -0'2
para la variación del pK
del grupo saliente. Lo que
muestra que en el estado
de transición se han roto
muy poco los enlaces
iniciales y se han formado
muy poco los enlaces
finales (paso limitante la
formación del intermedio
tetraédrico)
Hay que subrayar no obstante, que el valor de β sólo es
indicativo de la carga desarrollada y del grado de formación y
rotura de enlaces en el estado de transición si no hay catálisis
ácido-base general. Si hay catálisis ácido-base general no hay
una relación entre β y la extensión en la formación de los
enlaces.
En la tabla siguiente se da una relación de los grupos
nucleófilos más importantes en los cadenas laterales de los
enzimas, así como el nombre de algunos enzimas con
reacciones de atáque nucleófilos y el intermedio de reacción
generado.
Nucleófilo
Enzima
Intermedio
- OH (serina)
Serin proteasas
Fosfatasas ácidas y
alcalinas
Fosfoglucomutasas
Acilenzima
Fosforilenzima
OH- (unido a Zn2+)
Anhidrasa carbónica
Alcohol
deshidrogenasa
_
- SH (cisteína)
Tiol proteasas
Gliceraldehído 3fosfato deshidrogenasa
Acilenzima
+
-
+
2+
-CO2 (aspartato)
ATPase (K /Na , Ca )
fosforilenzima
-NH2 (lisina)
Acetoacetato
descarboxilasa,
aldolasa, transaldolasa,
enzimas dependientes
de PLP, DNA ligasa
Base de Schiff
Imidazol (histidina)
Fosfoglicerato mutasa,
succinil-CoA sintetasa,
nucleósido
difosfokinasa
Fosforilenzima
- OH (Tirosina)
Glutamina sintetasa
Topoisomerasas
Adenilenzima
Nucleotidilenzima
(fosfotirosina)
Adenilenzima
(fosfoaminda)
Los grupos más usados en catálisis nucleófila por las enzimas
son el hidroxilo de la serina, como en las serin proteasas,
colinesterasas, esterasas, lipasas y fosfatasas ácidas y
alcalinas y el tiol de la cisteína, como en las tiol proteasas
(papaína, ficina y bromelaina) en la gliceraldehído 3-fosfato
deshidrogenasa, etc. El grupo imidazol de la histidina se
utiliza generalmente como catalizador ácido-base general pero
a veces actúa como nucleófilo con el grupo fosforilo en las
reacciones de transferencia de fosfatos.
Biopolímeros. J. Donoso.Página actualizada en Abril 2006