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Tema-7. MECANISMOS DE ACCIÓN
ENZIMÁTICA
1.- Catálisis ácido-base.
2.- Catálisis covalente
3.- Catálisis por iones metálicos.
..
4. Efecto Túnel y catálisis enzimática
1. CATÁLISIS ACIDO-BASE
Desde antiguo se conoce que muchas reacciones orgánicas son
catalizadas por ácidos (H3O+) o por bases (OH-). De hecho, hay muchas
reacciones orgánicas en las que protones e hidroxilos son los únicos
catalizadores efectivos.
* Para fijar ideas consideremos la hidrólisis de un éster:
R1-COOR2 + H2O  R1-COOH + R2-OH
Esta reacción que parece tan simple, no lo es si se analiza un
poco en profundidad y se contempla la actuación del H2O en las
diferentes etapas de la reacción.
a) Reacción sin catalizar:
A pH neutro, la reacción, de manera simplificada, puede describirse de la siguiente maner
i) El átomo de oxígeno del grupo carbonilo (=C=O) debido a su
alta electroafinidad hace que el C-carbonílico presente una cierta
carga positiva (d+).
ii) Esta zona de carga positiva, (d+), es atacada por los electrones
desapareados del átomo de oxígeno de una molécula de agua,
en un ataque nucleofílico.
iii) Tras el ataque, se forma un “complejo activado o estado de
transición” con cargas + y – en la molécula, dando lugar un
reordenamiento de enlaces, que finalmente conduce a la
sustitución del grupo –OR2 por un grupo
–OH.
“Por lo tanto, la reacción global es una reacción de
Sustitución Nucleófila, SN.”
- Analicemos todo esto con algo de detalle:
* Para que la sustitución del grupo –OR2 por un grupo –OH haya
podido tener lugar, ha sido necesario la formación de un “estado
estacionario” con cargas + y -, muy próximas.
¿Qué consecuencias puede tener esto?
Este “estado de transición” es un compuesto muy inestable ya
que las cargas están muy próximas, y por tanto su formación
requerirá una elevada energía de activación.
Como consecuencia, la velocidad de este paso, y
consecuentemente de la reacción global, será muy lenta,
=> la hidrólisis espontánea de un éster es un proceso
muy lento.
......, salvo que esté catalizada.
b) Reacción catalizada por un ácido:
* Los ácidos pueden catalizar este tipo de reacciones donando temporal un protón.
Debido a la presencia del protón, la forma protonada del éster puede ser atacada por
una molécula de agua, de una manera análoga a la descrita anteriormente, ya que el
C-carbonílico del éster sigue presentando cierta carga +.
- El estado de transición, intermedio con doble carga, + y -,
altamente inestable, no se forma en este caso, por lo tanto la
energía de activación será más baja.
c) Hidrólisis básica:
Las bases catalizan las reacciones aceptando temporalmente un protón.
En el caso de la hidrólisis de un éster por una base (X-O-), la
base cataliza la reacción contribuyendo a la estabilización del
estado de transición de doble carga.
La catálisis exclusivamente debida a la presencia de un ácido se
denomina “catálisis ácida específica”
La catálisis exclusivamente debida a la presencia de una base se
denomina “catálisis básica específica”
* La velocidad de reacción en el caso de la catálisis ácida
específica y catálisis básica específica viene expresada por las
siguientes ecuaciones:
vac = k0 (S) + kH+(H3O+)(S)
vba = k0 (S) + kOH-(OH-)(S)
donde:
- k0 es la constante de velocidad de la reacción no-catalizada
- kH+ es la constante de la reacción catalizada por el ácido
- kOH- es la constante de la reacción catalizada por la base
- (S) sustrato, (en nuestro caso un éster).
Las constantes observadas para las catálisis ácida y básicas son
vac = [k0 + kH+(H3O+)] (S)
vba = [k0 + kOH-(OH-)] (S)
vac = kobs (S)
vba = kobs (S)
kobs = k0 + kH+(H3O+)
kobs = k0 + kOH-(OH-)
Hasta aquí nos hemos referido a ácido como toda sustancia
capaz de ceder protones (H+) y base como toda sustancia capaz
de producir hidroxilos (OH-)  concepto acido/base según
Arrhenius.
* Pero, además de los efectos específicos de protones e
hidroxilos, con frecuencia, es posible detectar efectos
catalíticos, es decir, estabilización del estado de transición, por
ácidos y bases de Brönsted.
Recordemos:
- Ácido es toda sustancia capaz de ceder protones
- Base es toda sustancia capaz de aceptar protones
* Por otro lado, con frecuencia es necesaria la presencia
simultánea de ácidos y bases para que pueda tener lugar la
catálisis.
En este caso hablamos de catálisis ácido-base concertada.
Así, muchas reacciones que tienen lugar en el interior de las
enzimas suponen la formación de compuestos intermediarios
inestables con cargas eléctricas (positivas o negativas) que se
pueden considerar como estados de transición.
* Estos compuestos pueden formarse por donación de protones
desde restos aminoacídicos ácidos del centro activo de la enzima,
tales como:
- grupos carboxílicos (-COOH)
- grupos imidazólicos protonados
- grupos fenólicos (Ph-OH)
- grupos guanidinios protonados
- grupos aminos protonados (-NH3+)
 Glu, Asp
 His
 Tyr
 Arg
 Lys
Estos grupos pueden convertirse potencialmente en donadores
de protones en una catálisis ácida.
Por otra parte:
- grupos carboxilato (-COO-)
- grupo imidazol
- grupo guanidino
- Grupo amino (-NH2)
 Glu, Asp
 His
 Arg
 Lys
Pueden servir de aceptores de protones en una catálisis básica.
* La presencia de restos aminoacídicos cargados en el centro
activo puede estabilizar el estado de transición, y por tanto
contribuir a la catálisis enzimática.
La catálisis enzimática debida a un mecanismo de catálisis ácidobase concertada, es muy frecuente, y como ejemplo podemos ver
la hidrólisis de un éster por una esterasa:
2. CATÁLISIS COVALENTE
* En la catálisis covalente, el ataque de un grupo nucleófilo (cargado -) o
electrófilo (cargado +) del centro activo de la enzima sobre el sustrato
conduce a la unión covalente del sustrato a la enzima
* La catálisis covalente implica la estabilización del complejo activado ES#
por la formación de un compuesto intermediario covalentemente unido a la
enzima.
-Consideremos la siguiente reacción no catalizada:
d+
Y + B-X <====> Y--B--X <====> Y-B + X
- Si esta reacción puede ser catalizada por una enzima, el
sustrato B-X debe ser susceptible de ataque por un nucleófilo de
la enzima:
E
..
-Ser-OH
..
-Thr-OH
..
-Tyr-OH
..
-Cys-SH
..
-His-NH
+
d+
B-X
Para que haya un aumento de la velocidad de reacción, la enzima
debe ser un buen nucleófilo, y también un buen grupo saliente.
Así pues, en presencia de la enzima: E-N: (grupo nucleofílico)
E-N: +
d+
B-X <==> X + E-N-B + Y <==> Y-B + E-N:
La estabilidad del compuesto intermedio E-N-B nos dice que N: ,
es ……..
- mejor nucleófilo que Y
- mejor grupo saliente que X
- Existe un elevado número de reacciones enzimáticas que
transcurren a través de catálisis covalente, formándose,
fundamentalmente, los siguientes tipos de derivados
covalentes:
•Acil-Enzima
Serín y cisteín proteasas:
Papaína (EC 3.4.21.5, Trombina (EC 3.4.21.5), etc
Esterasas
Fosforil-Enzima
Fosfoglicerato mutasa (E.C 5.4.2.1), Residuos de serina
Fosfoglucomutasa (EC5.4.2.2) Residuos de Histidina.
ATP citrato liasa (E.C 4.1.3.8) Restos carboxílicos del glutámico.
Glucosil-Enzima
Bases de Schiff entre la E y algún Sustrato
Acetoacetato descarboxilasa (E.C. 4.1.1.4)
Lisina (Grupo amino forma una base de Shiff con carboxilo del substrato.
3. CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS
Un tercio de las enzimas requieren metales para la catálisis
Metales capaces de estabilizar los complejos de transición
A) Funcionan como ácidos de Lewis (igual función protones)
Mayor concentración a pH neutro (pH celular)
Mayor carga
B) Unir moléculas de agua fuente de OH- (aún a pH ácidos)
M
n
 H 2O  M
n
OH  H


Anhidrasa carbónica EC 4.2.1.1)
E-Zn2+—OH- + CO2
E-Zn2+ + HCO3-
Hidroxilo unido al metal agente nucleofílico
C) Proteger cargas negativa de substratos impidiendo
repelen el par de electrones de los nucleófílos
4. Efecto Tunel y Catálisis enzimática
Teoria del Estado de transición cuestionando?
En mecánica cuántica, el efecto túnel es
un fenómeno nanoscópico por el que una
partícula viola los principios de la
mecánica clásica penetrando una barrera
potencial o impedancia mayor que la
energía cinética de la propia partícula.
Particulas elementales pueden ser consideradas como partículas o como
ondas . Como ondas pueden atravesar barreras energéticas
Enzimas tiene elastplasticidad interna y presentan pequeños cambios conformacionales
(Breathing)
Barrera energética es fluctuante y algunos efectos
catalíticos pueden tener lugar por el efecto túnel a
través de la barrera energética
Alcohol deshidrogenasa de Bacilllus sterathermophilus
Efecto tunel a los 65 grados centigrados
Fluctuaciones de la estructura causadas por la
excitación térmica tienen un papel importante en
la ruptura catalítica del enlace carbono-hidrógeno
Energía potencial
DINÁMICA DE LAS PROTEÍNAS
ES
EP
ES
EP
IDENTIFICAR TIPOS DE VIBRACIÓN EN
LA MOLECULA
● X
FACILITAN EFECTO TUNEL
Configuración nuclear
El efecto túnel no acontece hasta que la geometría de la molécula es distorsionada de manera que la
energía potencial de los complejos ES y EP interseccionan,
Temperatura es indenpediente del efecto tunel , pero facilita cambios conformacionales
TAMAÑO DE LAS ENZIMAS
¿Por qué es necesario una macromolécula para que tenga la acción catalítica?
12-20 kD
Límite inferior Distribución está muy bien conservada
50% Tiene masas moleculares entre 30-50 kD
Enzimas > 80 kD Multifuncionales
Tamaño de la proteína es necesario para completa
conformación espacial del centro activo
Citrato sintasasa 437 aa
8 aa Interactuar citrato
8 aa Interactuar Acetil CoA
Repartidos posiciones desde 46-421 Toda la proteína es necesaria para que los
16 aminoácidos implicados en la catálisis adquieran conformación activa
Mayor es una enzima
Mayor especificidad
Número de contactos específicos
Tripsina proteasa poco específica (233 aminoácidos)
Plasmina muy especifica 714 aminoácidos
Especificidad se logra aumentando el número de puntos de interacción
RESUMEN TEMA
La estabilización del estado de transición puede llevarse a cabo por medio de una
catálisis ácido-base concertada (en el centro activo pueden existir aminoácidos en
la forma ácida o en la forma básica),
Mediante la formación de un complejo covalente intermedio: acil enzimas, fosforil
enzimas o del tipo de bases de Schiff, el intermediario covalente sería el complejo
activado.
Catálisis Metálica: Metales funcionan como ácidos Lewis. Une moléculas de agua y
convierten en fuentes de hidroxilo aún por debajo del pH neutro.
Recientemente se ha acudido al efecto túnel que presentan partículas pequeñas para
explicar la acción enzimática. Los cambios conformacionales de la enzima pueden
inducir a átomos de Hidrogeno a atravesar la barrera energética, de tal manera que la
energía potencial de los complejos ES y EP coincidan