CATALISIS ENZIMATICA

Una de las principales características de las enzimas es su gran capacidad catalítica, aumentando la

velocidad de las reacciones por factores que van de 10 x 10 7 a 10 x 10 12, y este límite está dado por la

velocidad de difusión de las macromoléculas en disolución

TEORIA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN

• La Teoría del estado de transición permite un tratamiento simple de las reacciones químicas que hace posible comprender mejor la reactividad y la cinética de las reacciones catalizadas

• Esta teoría fue propuesta por Wigner y Pfizer y desarrollada posteriormente por Eyring

• En esta Teoría se ignora el proceso por el cual las moléculas colisionan y tiene en cuenta solamente los reactivos en el estado basal y las especies inestables que se forman en el camino de reacción

Presupuestos de la Teoría

• Al efectuarse la reacción debe haber un desprendimiento de energía, ∆G debe ser negativo. Es decir el potencial químico de los reactivos debe ser mayor que el de los productos

• Para que los reactivos actúen entre sí debe formarse un complejo activado con mayor energía que la que corresponde a los reactantes en su estado basal

• En el estado de transición , que corresponde al máximo de energía que alcanza el sistema, se están rompiendo enlaces y formando otros nuevos. Es un estado muy inestable en el camino de reacción

• La diferencia de energía entre el estado de transición y los reactantes en su estado basal se denomina energía de activación

Diagrama de coordenada de reacción

• En el diagrama de coordenada de reacción , los picos corresponden a los estados de transición ( formas inestables), donde los enlaces se están rompiendo (se gasta energía) y formando (pierden energía) y los valles a los intermedios que se forman y en los cuales los enlaces están ya formados.

Para derivar la velocidad de reacción por un método sencillo se considera que el estado de transición y el estado basal están en equilibrio termodinámico, de modo que la concentración del estado de transición se puede calcular a partir de la diferencia de energía de Gibbs

• Para una reacción unimolecular, si (X) es la concentración del reactante y (X‡) la del estado de transición , y ∆G‡ la diferencia de energía entre ambos

(X‡) = (X) e – ∆G‡/RT

La frecuencia a la cual se descompone el estado de transición es igual a la frecuencia de vibración del enlace que se rompe.

Igualando la energía de un oscilador armónico E= h ν con E= kT energía promedio por molécula, tenemos

k es la cte de Boltzman

ν = kT/ h h es la cte de Plank

La velocidad de descomposición será d(X)/dT = ν (X‡) d(X)/dt =kT/h (X) e –∆ G‡/RT

• Luego la constante de velocidad para la reacción de 1er orden es:

k = kT/h e –∆ G‡/RT .

y como ∆G = ∆ H - T∆S

k= kT/h e ∆S‡/R . e - ∆H ‡/RT ec. de Eyring

Un tratamiento más riguroso incluye el empleo de un factor κ, coeficiente de correlación, que es la igual a la fracción del estado de transición que se transforman en productos. En las reacciones simples es aproximadamente 1, en reacciones complejas puede ser muy diferente a 1.

Aplicaciones del estado de transición (TS)

• Relaciona la velocidad de una reacción con la energía de Gibbs de activación (ΔG‡), diferencia de la energía de Gibbs entre el TS y el estado basal.

• Permite calcular y comparar las reactividades de pares de sustrato

• O considerar las velocidades de una reacción en condiciones diferentes

• En algunos casos se pueden realizar cálculos cuantitativos, pero generalmente se emplea para estimar cualitativamente la reactividad

Relación entre la ecuación experimental de Arrhenius y la Teoría del estado de transición

• De acuerdo a la ecuación de Arrhenius , basada en el comportamiento experimental ln k = ln A – Ea/RT

Y la ecuación de Eyring, transformada a la forma logarítmica

ln k = ln kB + ln T – ln h - ∆H‡/RT + ∆S‡/R

Y derivando respecto a la temperatura ambas ecuaciones, como hB, kB

son constantes, y A y Ea, se consideran,independientes de T tendremos d lnk/dT = Ea/RT2 y d lnk/dT = 1/T + Δ H‡/RT2

Ea/RT2 = 1/T + Δ H‡/RT2

y Ea = ∆ H‡ + RT

Esta ecuación permite calcular el valor de la entalpía de activación a partir de la Energía de activación que es un valor basado en datos experimentales

Cálculo de la entalpía de activación a partir de valores experimentales

• Llevando el valor de ∆ H‡ calculado en base a la ecuación anterior ∆ H‡ = Ea – RT a la ecuación de Eyring

k = k BT/h e –Ea/RT e e ∆S‡/R

y comparando con la ecuación de Arrhenius, vemos que

A= k BT/h e e ∆S‡/R

y ∆S‡ = R ( ln A h /kT - 1) La entalpia y la entropía de activación proveen

información importante sobre el estado de transición, y en consecuencia sobre el mecanismo de reacción

Postulado de Hammond

• Si en el curso de una reacción se forma un intermedio inestable, la estructura del estado de transición se parecerá a la de ese intermedio

• La aplicación de este postulado permite tener una idea del estado de estado de transición y así predecir los tipos de estabilización que requerirá. Si el producto o el sustrato es muy inestable, es de esperar que el estado de transición sea parecido a él.

• Se aplica a reacciones unimoleculares

Mecanismo de la accion enzimática

• En la reacción catalizada por una enzima se debe formar al menos un intermediario de reacción , o a veces varios , en las coordenadas de reacción cada intermedio corresponde a un valle

• La gran capacidad catalítica de las enzimas comparada con los catalizadores no biológicas ha sido siempre un

tema en continua discusión . Se han propuesto varias explicaciones que por si solas no explican la gran capacidad catalítica de las enzimas

Está claro que un catalizador ( y por lo tanto la enzima) reduce la barrera de la energía de activación, y en consecuencia aumenta la fracción de moléculas que pueden alcanzar el estado de transición.

Consideraciones energéticas.La presencia de un catalizador no afecta el equilibrio, las magnitudes termodinámicas de reacción no varían

• Como ∆G ‡= ∆ H‡ -T ∆ S‡, Si se tiene un valor de ∆ H‡ muy positivo (necesidad de gran cantidad de energía) o una conformación poco probable del estado de transición, ∆ S‡, llevarán a un valor de la energía libre de activación muy elevado y en consecuencia pocas moléculas alcanzarán ese estado ( reacción lenta).

• Con frecuencia las moléculas deben pasar por un estado de tensión que requiere mucha energía. En muchos casos el catalizador puede reducir esta necesidad de energía forzando el paso a través de intermediarios. En la gráfica de coordenada de reacción se sustituye la barrera de energía inicial por dos barreras, o más de energía más bajas.

Factores que participan en la gran efectividad de una enzima

-

Catálisis intramolecular de la aspirina

• La hidrólisis de la aspirina fue uno de los primeros casos estudiados de catálisis intramolecular

• Estudios realizados indican que la forma aniónica del grupo carboxilo(presente a una concentración importante a pH bajo ) puede actuar mediante un mecanismo de catálisis básica general, y en esas condiciones,se produce un aumento importante de la velocidad de reacción

Consideraciones entrópicas

La concentración efectiva no es una concentración real. La velocidad del sustrato en la reacción intramolecular se ha multiplicado por un factor, como si la concentración del sustrato hubiera sido aumentada por el mismo factorLas enzimas actúan produciendo una ganancia deentropía de la reacción , es decir de la ∆S‡ de la reacción El paso de E y S al complejo ES está entrópicamente desfavorecido pero en el paso de ES a complejo ES‡

, activado se produce con aumento de entropía como es una reacción intramolecular, y al considerar ambos pasos hay ganancia de entropía

Orientación orbital

• Para que se produzca una reacción los átomos involucrados en la ruptura y formación de enlaces deben estar en una orientación adecuada, ya que se debe producir un solapamiento de los orbitales involucrados.

• La formación del complejo enzima-sustrato favorece esta orientación correcta, sin embargo se ha demostrado que este efecto no es tan importante. Una distorsión de 10 ° de la orientación más favorable significa una energía extra de solo 11 kJ/mol y si es de 5 %, 2,8 kJ /mol

Catálisis ácido-básicaCatálisis ácida

• Muchas reacciones son catalizadas por la transferencia de un protón (H3O+) al sustrato. Los protones en disolución provienen fundamentalmente de la disolución de ácidos fuertes. Es la catálisis aćida específica

• Sin embargo otras reacciones se pueden producir por protones que provienen tanto del ión hidronio como de ácidos débiles. Se denomina entonces catálisis ácida general. Es esta última la que tiene importancia en el mecanismo de muchas enzimas

Catálisis básica

• En la misma forma que se produce la catálisis ácida, se puede tener la catálisis básica específica o la general.

• En la catálisis específica hay transferencia del protón del sustrato hacia el ión OH-

• En la catálisis general, tanto el OH- como las bases débiles pueden aceptar el protón

Constantes de velocidad observadas en las reacciones catalizadas

• Para estudiar la catálisis se miden las velocidades de reacción frente a catalizadores diferentes, y para un mismo catalizador a distintas concentraciones, calculándose así la k observada

• Al graficar la kobs vs la concentración del catalizador, se obtendrán rectas cuya pendiente es la constante de velocidad para un sistema dado siendo

k obs

= ko + k

cat (catal)n

La ordenada en el origen es ko,

que es la constante de

velocidad para la reación no catalizada, la pendiente es k

cat

Eficiencia de la catálisis ácido-básica Ecuaciones de Bronsted

• Se ha demostrado experimentalmente que la eficiencia de la catálisis básica general depende de la fuerza básica del catalizador.

• Bronsted propuso la siguiente ecuación

k = G ( 1/ Ka) β, siendo Ka la cte. de disociación del ácido conjugado a la base considerada

• Tomando logaritmos queda

log k = log G + pKa siendo G y β constantes para el sistema estudiado

β mide la sensibilidad de la reacción al pKa del ácido

Estado de ionización del catalizador• En general un ácido será mejor catalizador cuando

mayor sea la fuerza ácida (menor pKa) y una base será mejor catalizador cuanto mayor sea su fuerza básica ( mayor pKa y menor pKb)

• Sin embargo un factor determinante en la eficiencia de la catálisis ácido-básica es si el catalizador está en el estado de ionización correcto en las condiciones en que se da la reacción

Un ácido debe estar en la forma ácida y una base en la forma básica.

Por ejemplo: un ácido de pK 5 es mejor catalizador básico que uno de pKa 7, sin embargo a pH 7, el segundo tendrá 50 % en la forma ácida y el primero sólo 5 %, el resto está ionizado y será menos efectivo

Catálisis covalente

En este tipo de catálisis el catalizador reacciona con el sustrato, uniéndose a él mediante un enlace covalente, para dar un compuesto intermediario que luego se descompone dando el o los productos y regenerándose la enzima. A veces el compuesto formado experimenta varias transformaciones antes de separarse el catalizador del sustrato

Tipos de catálisis covalente

Puede ser: catálisis nucleofílica o electrofílica

• En este tipo de catálisis se forma un enlace covalente, es decir se comparte un par de electrones, si el catalizador es el aporta el par de electrones se denomina catálisis nucleofílica, y si el catlizador es el que acepta el par electrónico suministrado por el sustrato tenemos la catálisis electrofílica

• La catálisis covalente es muy común en los mecanismos de acción de las enzimas

Catálisis nucleofílica• El catalizador es un nucleófilo: átomo rico en

electrones que ataca a otro átomo pobre en electrones (electrófilo)

El nucleófilo posee un par de electrones no compartidos que, al formar el enlace covalente comparte con el electrófilo

N : + E → N:E → P + N:

• Un catalizador nucleofílico eficaz es el que es buen nucleófilo (reacciona fácilmente con el Sustrato y se puede liberar con relativa facilidad

Estas dos características no se suelen observar simultáneamente

Reactividad de los nucleófilos

• Las reacciones donde participa un electrófilo pueden ser:

• La reactividad de un nucleófilo depende marcadamente de la naturaleza de los reactivos

• Ataque a un centro duro

• Ataque a un centro blando

• Centros duros_Los grupos carbonilo, fosforilo, sulfurilo y otros se pueden considerar centros duros

• En este caso la valencia del átomo atacado(C o P) mantiene su valencia normal en el estado de transición

• Están en este grupo el ataque de un N: a una amida, ester o ester fosfórico

• Se observa una diferencia de reactividad en distintos grupos, por ej las aminas y tiolatos son más reactivos que los oxianiones

• Cuando existe un átomo electronegativo cerca del nucleófilo, aumenta la reactividad del mismo (Efecto alfa)

Basicidad del nucleófilo

• La reactividad de un nucleófilo está relacionada a su fuerza básica (pKb)

• Cuanto mayor es su basicidad, mayor pKa, será mejor nucleófilo

• Al estudiar un nucleófilo se puede emplear la ecuación de Bronsted,para una base, pero la constante β puede tener valores mayores a 1.0

• Además se mantiene la linealidad solo hasta ciertas concentraciones del catalizador

Facilidad de expulsión

• La facilidad de expulsión depende de:

- valor del pKa

- estado de protonación

• A menor fuerza básica mayor facilidad de expulsión

• Centros suaves:

• En estos casos, el ataque del nucleófilo produce un estado de transición donde el átomo atacado actúa con valencia mayor a la normal

• Por ejemplo cuando un nucleófilo actúa sobre un carbono saturado, en el estado de transición el C está unido a 5 grupos.

• Grupos grandes y polarizables como el ioduro o sulfuro (ligandos suaves) reaccionan más facilmente que los átomos pequeños y poco polarizables como el oxígeno o nitrógeno (ligandos duros)

• Los grupos con basicidad menor son más fácilmente expulsados que los tienen mayor fuerza básica

Grupos nuleófilos en macromoléculas biológicas

• Los principales grupos que actuan como nucleófilos provienen de restos de aminoácidos

• Los intermediarios que se forman pueden ser acilderivados, fosforilderivados, adenilderivados o bases de Schiff, según el nucleófilo y el átomo al cual se une

Grupos nucleófilos en enzimas

Nucleófilo Intermediario Enzimas

-OHde la serina Acilenzima serinaproteasas

fosforilenzima fosfatasas alcal.

-OH de treonina acilenzima amidasas

-SH de cisteína acilenzima tiolproteasas,G3Pdeshidrogen.

-CO2 de aspartato fosforilenzima ATPasas (K+Na+, Ca2+)

-NH2 de lisina base de Schiff enzimas de piridoxal,

aldolasas,transaldolasas

imidazol de la fosforilenzima fosfoglicerato mutasa,

histidina succinilCoAsintetasa

-OH de la tirosina adenilenzima glutamina sintetasa

Catálisis electrofílica

• El catalizador es un electrófilo es decir un átomo que tiene déficit de electrones

E + N: → P + E• Un catalizador eficaz es aquel que es

buen electrófilo y también es fácil de liberar

• Varias coenzimas actúan como catalizadores electrofílicos

Catálisis por fosfato de piridoxal

• El fosfato de piridoxal es una coenzima formada por un anillo de piridina con dos grupos metilo, uno de ellos unido e un fosfato, además un grupo fenol y otro aldehido

• Es necesario para actividad de numerosas enzimas: transaminasas, descarboxilasas, racemasas,etc importantes en el metabolismo de aminoácidos

• El fosfato de piridoxal se condensa con los aminoácidos para dar bases de Schiff

• El anillo de piridina actúa como un sumidero de electrones,estabilizando una carga negativa

• Cada uno de los grupos alrededor del C quiral del aminoácido puede ser separado formando un anión que es estabilizado por la base de Schiff formada con el anillo de la piridina

• Se puede producir:

1. separación del H

2. alfa descarboxilación

Separación del hidrógeno alfa

• El protón removido puede volverse a unir

a. racemización el protón vuelve a unirse al C pero en una posición espacialmente diferente

b. transaminación, la adición del protón al carbonilo, produce la base de Schiff de una cetoácido y piridoxamina. Al hidrolizarse se libera el ceetoácido y la piridoxamina.

Este proceso puede revertirse al reaccionar la piridoxamina con un cetoácido diferente

Descarboxilación

• El anillo de la piridina al actuar como sumidero de electrones, favorece la descarboxilación del grupo carboxilo, el resto adiciona un protón al carbono quiral y luego por hidrólisis da amina y piridoxal

Catálisis electrofílica por pirofosfato de tiamina

• El fosfato de tiamina es una coenzima que se une covalentemente al sustrato estabilizando una carga negativa

• La carga positiva en el nitrógeno del anillo, promrgaoviendo la ionización del C 2 que al convertirse en carboión actúa como un potente nucleófilo

• El átomo de nitrógeno provoca estabilización de cargas deslocalizando una carga negativa en el compuesto formado entre la tiamina y varios sustratos

• Esta coenzima está fuertemente unida a las enzimas

Catálisis por iones

• El papel de distintos iones es muy importante en muchos ejemplos de catálisis enzimática.

• Los iones que participan en estas reacciones pueden estar

- unidos a la enzima por enlaces de coordinación

- disueltos en el medio en que se realiza la reacción

o

Ejemplos del papel de los iones metálicos en enzimas

Enzimas Papel del ión

• Histidina desaminasa Enmascarar un nucleófilo

• Kinasas, Liasas, Activación de un electrófilo

Piruvato descarboxilasa

• Anhidrasa carbónica Activación de un nucleófilo

• Enzimas de cobalamina El metal actúa como nucleófilo

• Ferroproteínas no hémicas Donación de electrones π

• Carboxipeptidasa Retiro de electrones π

Piruvato carboxilasa

• Piruvato kinasa El ión junta y orienta a los ligandos

• Fosfotransferasa Efecto de fatiga