Enzimas

Catalizadores bioquímicos

Rogelio Valadez Blanco

COFACTORES

• Algunas enzimas tienen necesidad de

cofactores para realizar su actividad

catalítica

• Una proteína inactiva por sí sola se

llama apoenzima

• Los cofactores son compuestos no

protéicos que se combinan con la

apoenzima para darle funcionalidad

COFACTORES

COFACTORES

• Al complejo del cofactor y la apoenzima

se le llama holoenzima (o enzima)

TIPOS DE COFACTORES

• Grupo prostético.

– Iones metálicos

– Moléculas orgánicas (Ej. Citocromo C)

• Coenzimas

– Moléculas orgánicas complejas

Coenzimas

• Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)

• Nicotinamide adenine dinucleotide

phosphate (NADP+)

• Flavin adenine dinucleotide (FAD)

• Coenzima A (CoA)

• Adenosin triphosphate (ADP)

Coenzimas:

Reacciones óxido-reducción

• Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+ y NADP+)

Aceptor de hidrógeno

(agente oxidante)

Donador de hidrógeno

(agente reductor)

Coenzimas

• Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)

Nicotinamida

Dinucleótido

Adenina

Coenzimas

• Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)

Coenzimas • Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate

(NADP+)

Reacciones óxido-reducción

Oxidación de

Molécula 1 Reducción de

Molécula 2

Equilibrio termodinámico

• El equilibrio es un estado de energía libre

mínima (energía libre de Gibbs) en el que

los procesos a la izquierda y a la derecha

ocurren a la misma velocidad.

Cambio de energía libre para

reacción fuera del equilibrio

u

ba

zy

BA

ZYRTGG

][][

][][ln0

• ΔG° es el cambio de energía libre de Gibbs

estándar

• La condición de estado estándar se considera para

una concentración de 1 mol L-1.

Cambio de energía libre de Gibbs

Reacción exergónica: ΔG < 0

(reacción espontánea)

Reacción endergónica: ΔG > 0

(reacción no es espontánea)

ΔG < 0 ΔG > 0

Equilibrio

Donde ΔGº es el cambio de energía libre de Gibbs

estándar. Estado estándar de 1 mol/L de

concentración.

En el equilibrio el cambio de energía de Gibbs es

cero, por lo que se tiene:

0G (en el equilibrio)

Catalizador

• Sustancia que aumenta la velocidad de

reacción sin cambiar su estructura

química de manera irreversible

• No afecta el equilibrio de la reacción

Teoría del Estado de Transición

• Para que una reacción se lleve a cabo los reactivos deben elevar su estado energético inicial a un estado de energía más alto (estado de transición)

• Esta barrera energía que las moléculas deben superar se denomina energía de activación

Teoría del Estado de Transición

• Debido a que el estado de transición es

inestable, la molécula se convierte

rápidamente al producto.

• El estado energético final del producto es

menor que el inicial (para una reacción

espontánea)

Teoría del Estado de Transición

Catalizadores enzimáticos

• La función del catalizador es la de reducir la

energía de activación de la reacción, sin

alterar el equilibrio.

Complejo enzima-sustrato

• Hay evidencias de la existencia de este complejo

• El sustrato se enlaza a la región reactiva de la enzima, donde ocurre la reacción

Catálisis enzimática

1. Se tiene las moléculas de enzima y sustrato libres

2. El sustrato se enlaza a la región reactiva de la enzima (Complejo enzima-sustrato)

3. La reacción procede en el sitio activo y se forma el complejo enzima-producto

4. El producto es desacomplejado y se libera

Mecanismos de catálisis

EFECTO DE PROXIMIDAD

• Enzimas son capaces de atrapar sustratos

• Regiones reactivas del sustrato cerca de

grupos catalíticos de la enzima

Efecto de proximidad Sitio activo de lisozima con sustrato

(hexasacárido)

Mecanismos de catálisis

EFECTO DE ORIENTACIÓN

– La reacción se promueve cuando las

moléculas se ponen en contacto con la

orientación adecuada

Mecanismos de catálisis

AJUSTE INDUCIDO

– El substrato induce un cambio leve en la

estructura tridimensional de la enzima para

que se realice la unión

CLASIFICACIÓN

• Se clasifican en 6 clases de acuerdo con

el tipo de reacción total catalizada, de

acuerdo a la Enzyme Commision de la

International Union of Biochemistry

• Cada enzima se le asigna una clave

numérica que consiste en 4 elementos

separados por puntos.

CLASIFICACIÓN

El primer dígito describe la categoría de enzima

con base a la reacción total catalizada. Hay 6

categorías:

1.Oxidoreductasas: reacciones óxido-reducción

2.Transferasas: transferencia átomos o grupos

entre dos moléculas

3.Hidrolasas: reacciones de hidrólisis

CLASIFICACIÓN

4. Liasas:

Remoción de un grupo del sustrato (no

hidrólisis)

5. Isomerasas:

Reacciones de isomerización

6. Ligasas:

Unión de dos moléculas/átomos

Nomenclatura

• El segundo y tercer dígito en el código

indican en más detalle el tipo de reacción

catalizada.

• El cuarto dígito describe el sustrato que es

transformado

Ejemplo

• La enzima lactato deshidrogenasa

(nombre trivial) cataliza la siguiente

reacción:

Ejemplo: Lactato deshidrogenasa

• Primer dígito

– Indica que la enzima es una

oxidoreductasa

• Segundo dígito

– La enzima actúa en un grupo hidroxilo

secundario

Ejemplo: Lactato deshidrogenasa

• Tercer dígito

– Usa NAD+/NADP+ como cofactor

• Cuarto dígito

– Indica el sustrato: L-lactato

Ejemplo

El nombre completo es:

L-lactate:NAD+ oxidoreductasa

E.C.1.1.1.27

Actividad enzimática

• UNIDADES ENZIMATICAS (U)

International Union of Biochemistry Unit (U)

La cantidad de enzima que puede

catalizar la transformación de un micromol

de sustrato por minuto bajo condiciones

específicas para cada enzima particular.

Actividad enzimática

• La masa enzimática es difícil de conocer

• En general se tienen mezclas de proteínas

(enzima de interés es sólo una de ellas)

• La fracción de enzima es desconocida

• La composición y actividad de la mezcla

puede variar de un lote a otro.

Unidades de actividad

enzimática • Designan la cantidad de enzima que da

una cierta actividad catalítica, bajo

condiciones estándar.

• Ejemplo:

U de glucoamilasa

Cantidad de enzima que produce 1 µmol de

gluosa por min en una solución de 4% de

almidón Lintner a un pH de 4.5 y una

temperatura de 60°C.

Actividad específica

• Actividad enzimática específica por masa

de enzima o extracto enzimático para

condiciones estandarizadas.

U/mg o U/mL

Tipos de catalizadores

• Homogéneos

– Una sola fase

• Heterogéneos

– Se tienen dos fases

– El catalizador regularmente se encuentra en

la fase sólida y los reactivos en la fase líquido

Las enzimas pueden funcionar como

catalizadores homogéneos o heterogéneos

Homogéneos

• Catalizadores ácidos

• Catalizadores organometálicos solubles

• Enzimas

Heterogéneos

• Sintéticos

– Metales: Pt, Pd, Ni, Fe, Co

– Óxidos: alúmina, zeolitas, barro y silica

ENZIMAS vs.

CATALIZADORES SINTÉTICOS

ESPECIFICIDAD

• La mayoría de los catalizadores sintéticos son poco específicos

• Las enzimas son específicas:

– químicamente (i.e., de acuerdo al grupo funcional y tipo de reacción)

– estereoquímicamente (i.e., de acuerdo a la conformación espacial) y por lo tanto son enantioespecíficas o quirales.

• Algunas enzimas requieren el uso de

cofactores

– Estos pueden llegar a ser muy costosos

– Se requieren métodos de reutilización

COFACTORES

• Tanto los catalizadores sintéticos como

biológicos pierden actividad a medida que

participan en reacciones químicas

• Las enzimas son en general mucho más

inestables.

• La energía de activación de desnaturalización

enzimática es del orden de 160-280 kJ/mol

PÉRDIDA DE ACTIVIDAD

CONDICIONES DE REACCIÓN

Las condiciones de reacción son mucho más

severas en la catálisis química. Por ej.

• Temperatura

– Química: 50 a 300 °C

– Enzimática: 30 a 90 °C

• Presión

– Química: Presiones altas

– Enzimática: Presión atmosférica

• pH

– Enzimática: Rango estrecho de pH óptimo

CONDICIONES DE REACCIÓN

Uso de enzimas

Ventajas:

– Los catalizadores químicos requieren condiciones

más severas que las enzimas

Desventajas:

– Las enzimas trabajan en condiciones óptimas sólo en

rangos estrechos de temperatura, presión y pH

SITIO ACTIVO

• Enzimas

El sitio activo de la enzima es del órden de 50-

100 Ȧ

• Catalizadores químicos

– El sustrato es quimiosorbido en el sitio activo

del catalizador. Este sitio está en el rango de

micrones.

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

• Enzimas

– 20-100 kJ/mol

• Catalizadores químicos

– 75-250 kJ/mol

Las enzimas son capaces de reducir la barrera

de energía más eficientemente que los

quimiocatalizadores

NÚMERO DE CICLOS DE REACCIÓN

(Temperatura ambiente)

Enzimas

0.1-1000 moléculas por seg.

Son más rápidas

Quimiocatalizadores:

< 0-01 moléculas por seg.

NÚMERO DE CICLOS DE REACCIÓN

INHIBICIÓN

• Las enzimas pueden ser inhibidas por

altas concentraciones de sustrato o de

producto.

• Estos efectos inhibitorios no son tan

notorios en los sistemas quimiocatalíticos.

INMOVILIZACIÓN

• Se usan soportes para inmovilizar tanto

los quimiocatalizadores como las enzimas.

• Esto les da estabilidad y reduce la pérdida

de actividad.

IMPACTO AMBIENTAL

• Las enzimas tienen un bajo impacto ambiental

negativo en comparación con los catalizadores

químicos

• Los quimocatalizadores deben ser

completamente recuperados para evitar

contaminación con metales pesados.

COSTO

• La mayor desventaja de las enzimas es

que su costo es mucho mayor que los

quimocatalizadores.

• El costo de la enzima representa 15% del

costo total

COSTO-BENEFICIO

• Para la producción de químicos a granel

los quimocatalizadores son la mejor

opción

• Las enzimas son usadas para la

producción de químicos de alto valor

agregado