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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
 [Y ] [ Z ]
G  G  RT ln 
a
b
 [ A] [ B]
y
0
z



u
• 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 endergónica: ΔG > 0
(reacción espontánea)
(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:
G  0
(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.
COFACTORES
• Algunas enzimas requieren el uso de
cofactores
– Estos pueden llegar a ser muy costosos
– Se requieren métodos de reutilización
PÉRDIDA DE ACTIVIDAD
• 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
CONDICIONES DE REACCIÓN
Las condiciones de reacción son mucho más
severas en la catálisis química. Por ej.
• Temperatura
– Química:
– Enzimática:
50 a 300 °C
30 a 90 °C
• Presión
– Química:
– Enzimática:
Presiones altas
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 50100 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