catalisis enzimática def

7/28/2019 Catalisis Enzimtica def

1/21

118

La Catlisis Enzimtica

Introduccin

Se denominan enzimas a los catalizadores biolgicos. Esta sentencia que parece ser trivial

cobra importancia cuando se tiene en cuenta que una parte significativa de la organizacinbiolgica recae sobre la denominada funcin enzimtica. Conceptualmente lo anterior se

traduce en que buena parte de la historia de la bioqumica es tratada al estudiar la historia

de las reacciones enzimticas.

La historia

Los primeros estudios sistemticos sobre los enzimas se realizaron en los primeros aos delsiglo XIX al tratar de comprender los procesos digestivos. Sin embargo es solo hasta 1850

cuando Pasteur plante que la fermentacin del azcar hasta el alcohol se da por medio de

unos fermentos presentes en las levaduras, cuando se fortalece el paradigma bioqumico.

Paradjicamente como consecuencia de las interpretaciones de los estudios realizados,Pasteur consider que los fermentos eran inseparables de las clulas vivas aplicando una

interpretacin vitalista. Para 1897 E. Buchner logr separar los fermentos del materialvivo obteniendo alcohol y de paso contradijo de manera contundente la sentencia vitalista

de Pasteur. James Sumner en 1926 aisl y cristraliz la ureasa y el anlisis qumico

permiti deducir que se trataba de un material exclusivamente proteico, postulando

entonces que todos los enzimas eran protenas. Esta sentencia que result polmica fueaceptada despus de que se aislaron la pepsina y tripsina. Hoy se considera que con

excepcin de un pequeo grupo de RNA, la naturaleza de los enzimas es proteica y las

estructuras (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria-si existe-) son esenciales para quelos enzimas tengan actividad cataltica.

Generalidades

El peso molecular en los enzimas puede fluctuar entre 12000 hasta ms de 1 milln,

algunos no requieren de otros tipos de grupos qumicos para ser activos mientras que otros

requieren para su actividad de la presencia de un componente qumico adicional al que sedenomina cofactor. La tabla y figura siguientes resumen la descripcin y clasificacin de

enzimas y cofactores. Es as como se denominan coenzimas a complejos orgnicos u

organomentlicos que son necesarios para que se d la actividad enzimtica. En algunos

Enzima

Proteica

Simples Soloprotena

Complejas(holoenzima)

Fraccin Proteica(apoenzima)

Cofactor

Coenzima

Cofactor

NoProteica RNA

CompuestoOrgnico

ComplejosOrgano-metlicos

Si el cofactor estunido covalentamentea la fraccinproteica se denominagrupo prosttico

iones

Enzima

Proteica

Simples Soloprotena

Complejas(holoenzima)

Fraccin Proteica(apoenzima)

Cofactor

Coenzima

Cofactor

NoProteica RNA

CompuestoOrgnico

ComplejosOrgano-metlicos

Si el cofactor estunido covalentamentea la fraccinproteica se denominagrupo prosttico

iones


2/21

119

casos se requiere la presencia tanto de coenzima como de otro cofactor. Si la coenzima o el

ion metlico estn covalentemente unidos a la parte proteica del enzima se denomina grupo

prosttico. El sistema completo y catalticamente activo se denomina holoenzima, mientras

que la parte proteica del enzima se denomina apoenzima o apoproteina.

Clasificacin

Los enzimas han sido incluidos en 6 diferentes grupos segn los tipos de reacciones que

catalizan y se resumen la tabla 12-2.

Para clasificar un enzima se recurre a dos hechos taxonmicos: El nombre sistemtico y el

nmero de clasificacin. Por ejemplo, para la reaccin:

ATP + D-glucosa ADP + D-glucosa 6-fosfato

Nombre sistemtico: ATP: glucosafosfotransferasa (indica que se transfiere un grupofosforilo desde el ATP hasta la glucosa)

Nmero de la Comisin Enzimtica (E.C. number): Nmero de cuatro dgitos donde:

Dgito 1: Indica la clase del enzima (ver tabla 12-2)Dgito 2: Indica la subclase.

Dgito 3. Indica el grupo (sustituyente) involucrado en la reaccin.Dgito 4. Indica el tipo de molcula sobre la que se opera en la reaccin.

As para el enzima considerado en el ejemplo anterior el nmero sistemtico es:E.C. 2.7.1.1

Tabla 12-2


3/21

120

Cintica enzimtica

Como se deduce del sistema de clasificacin, cada enzima presenta puntos crticos o

regiones geogrficas que son determinantes en su actividad qumica. En consecuencia, laregin ms trascendental en el enzima, para ejercer la funcin cataltica se denomina centro

activo

y se asocia a una hendidura o fisura (ubicada sobre la superficie del enzima) que seconsidera como complementaria topolgicamente al sustrato.

En este centro activo transcurre la catlisis por la interaccin fsica entre sustrato y enzima.

Esta unin puede originar modificaciones estructurales tanto en el enzima como en elsustrato. En la figura siguiente se presenta un esquema del sitio activo y de los

aminocidos involucrados.

En el transcurso de una reaccin enzimtica operan transformaciones que se resumen en las

figuras siguientes; en las que se plantean de manera esquemtica los conceptos enzimticos

ms representativos. As en la parte izquierda se comparan energticamente las reaccionescatalizadas y no catalizas. Posteriormente se compara la reaccin enzimtica al representar

los sitios activos y finalmente en la pgina siguiente se relaciona la constante de equilibrio

con la energa libre estndar para reacciones especficas y las ratas de incremento parareacciones catalizadas enzimticamente.

Los aminocidos en el centro activo se clasifican como:

Aminocidos catalticos (identificados por la letra C),

directamente implicados en los cambios covalentes del sustrato

durante la reaccin enzimtica y que estn ubicados en el

centro C.

Aminocidos de especificidad o contacto (e1, e2 ), participanen la unin del sustrato al enzima, pero no intervienen en

cambios covalentes (en el centro F).

Aminocidos de conformacin, no estn relacionados con el

proceso cataltico directamente, pero son necesarios para el

mantenimiento de la estructura tridimensional del enzima.


4/21

121

Se han descrito diferentes aproximaciones a la interaccin enzima-sustrato entre los cuales

vale la pena destacar: Modelo llave-cerradura, ajuste inducido, modelo de compresin y dedistorsin. Todas estas interacciones se presentan en la figura siguiente.

Modelos para la interaccin enzima-sustrato

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

Llave y cerradura Ajuste inducido

Compresin Distorsin

Modelos para la interaccin enzima-sustrato

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

S

E

Llave y cerradura Ajuste inducido

Compresin Distorsin


5/21

122

Deduccin de la Ecuacin de Michaelis-Menten

Una reaccin enzimtica puede escribirse como:

Donde E, S y P representan el enzima, el sustrato y el producto respectivamente. Un

grfico que resume la evolucin cintica de las reacciones enzimticas se presenta acontinuacin.

A partir del esquema anterior y de los correspondientes equilibrios se tiene que la velocidad

de catlisis es funcin de [ES] y k3

V = k3 [ES]

La formacin de [ES] = k1 [E][S]

La desaparicin de [ES] = (k2 + k3 )[ES]

En el estado estacionario [ES] es cte. d[ES]/dt = 0 y adems se dan dos condiciones:

1) Las concentraciones de los intermedios no cambian

2) Las concentraciones de sustrato y producto varan

Segn lo anterior se pueden igualar la formacin y desaparicin del complejo [ES]

k1 [E][S] = (k2 + k3 )[ES]

Dividiendo por k1 y despejando [ES], se tiene que

[ES] =

[E] [S]

k2+k3/k1KM =

k2 + k3

k1


6/21

123

[ES] =[E] [S]

KM

Redefiniendo [E] tenemos que

[E] = [ET]-[ES]

y al sustituir en la ecuacin se obtiene que:

[ES] =([ET]-[ES]) [S]

KM

Reagrupando

[ES] =

[S]

KM

ET

[S] +

Reemplazando [ES] en la ec. de velocidad

V = k3

[S]

KM

ET

[S] +

V max. se da cuando el enzima est saturado. Esto es [S]/[S]+KM se aproxima a 1

Vmax = k3ET

Al sustituir se obtiene la ec. de Michaelis-Menten

V =[S]

KM[S] +Vmax

Si [S]>>>KM entonces se igualan las velocidades

Si [S] = KM entonces V = Vmax/2

[ES] = ([ET]-[ES]) [S]KM

Resolviendo para [ES] se obtiene


7/21

124

La ecuacin de Michaelis-Menten puede transformarse hasta obtener una lnea recta que

corresponde a un doble recproco que se denomina Lineweaver-Burk y que se presenta en

el grfico siguiente

Al realizar una aproximacin ms detallada a las constantes de equilibrio que estn

definidas en el proceso enzimtico, el complejo enzima-sustrato puede ser transformado de

tal manera que se obtienen dos condicines:

Una primera situacin en la que el complejo ES es similar al sustrato. Una segunda circunstancia donde el complejo se asemeja al producto.

Bajo esta nueva consideracin las constantes de equilibrio se tranforman hasta obtener la

siguientes condiciones:

Esta nueva aproximacin al equilibrio permite definir al kcat que est determinada por k3 .

La constante kcat o nmero de produccin o recambio es equivalente al nmero de

moleculas de sustrato convertidas en molculas de producto por unidad de tiempo mediante

una molcula de enzima cuando se tiene el enzima saturado. La tabla siguiente presenta losparmetros km y kcat tpicos de algunos enzimas.

En esta nueva condicin la ecuacin de Michaelis-Menten queda de la forma:

Si se tiene la condicin cintica de que [S]


8/21

125

El factor kcat/Km es el mejor parmetro cintico para comparar la eficiencia cataltica. En

la tabla siguiente se presenta un resumen de este factor reportado para diferentes enzimas.

Las reacciones enzimticas estn condicionadas en su actividad por factores ambientales

tales como pH y temperatura. En este sentido la catlisis debe operarse en las condiciones

ms apropiadas para el enzima. En la figura siguiente se presenta un esquema del efectoque sobre la actividad enzimtica tienen las variables pH y Temperatura. Las valoraciones

enzimticas emplean trminos

especficos entre los que se

pueden destacar:

1. Unidad de enzima (U, mU,

KU): Cantidad de enzima quecataliza la transformacin de

1mol por minuto en condiciones

normalizadas.

2. Actividad especfica (U/mgprot): Unidades de enzima en

trminos de la protena.

3. Kacal (kat): Cantidad deenzima que transforma un mol de

sustrato por segundo.

1 kat = 6 x 107 U

1U = 16,67 nkat (nanokatales)

Vo =kcat [Et][S]km

Vo =kcat [Et][S]km

- H+

+ H+- H+

+ H+

v

pH

v

t

Desnaturalizacintrmica

t opt.

NH3+

COOH

NH3+

COOHCOO

-

NH2..

COO-

NH2..

NH3+

COO-

- H+

+ H+

- H+

+ H+

Efecto del pH sobre la conformacin del enzima

- H+

+ H+

- H+

+ H+- H+

+ H+

- H+

+ H+

v

pH

v

t

Desnaturalizacintrmica

t opt.

NH3+

COOH

NH3+

NH3+

COOH

NH3+

COOH

NH3+

NH3+

COOHCOO

-

NH2..

COO-

COO-

NH2..

NH2..

COO-

NH2..

COO-

COO-

NH2..

NH2..

NH3+

COO-

NH3+

NH3+

COO-

COO-

- H+

+ H+

- H+

+ H+

- H+

+ H+

- H+

+ H+

Efecto del pH sobre la conformacin del enzima


9/21

126

Inhibicin Enzimtica

Una caracterstica importante de las reacciones enzimticas es la interaccin con sustancias

diferentes al sustrato y que conducen a la alteracin de los parmetros cinticos quecualifican la reaccin. En consecuencia, un inhibidor es cualquier ligando que se une al

enzima reversible o irreversiblemente (esta ltima condicin tambin denominadainactivacin) disminuyendo la velocidad de reaccin o bloqueando la catlisis.

La inhibicin enzimtica se puede entender como la disminucin en la capacidad cataltica

de un enzima y se clasifica en dos grandes grupos:

1. Inhibicin reversible. Denominada as porque al eliminar el inhibidor el enzimarecupera su actividad normal.

2. Inhibicin irreversible. Est mediada por la unin covalente entre enzima einhibidor, quedando el enzima modificado sin posibilidad de regeneracin.

La inhibicin reversible a su vez se subdivide en:

Inhibicin Competitiva. El enzima se

une al sustrato o al inhibidor (ES o EI) en

el mismo espacio molecular (sitioactivo). En consecuencia se tiene una

COMPETENCIA que se evidencia

experimental en el aumento en el Km.

Inhibicin no Competitiva (mixta). El

inhibidor no se fija al enzima en el sitio

activo. Tanto el inhibidor como elsustrato se unen al enzima formando un

complejo terciario. La evidencia

experimental es la disminucin de lavelocidad mxima.

Inhibicin incompetitiva. En este caso el

competidor se une al complejo ES.


10/21

127

Mecanismos Catalticos (tomado de voet y voet)

La catlisis es un proceso en el que se aumenta la velocidad sin afectar el equilibrio. Tal

como se discuti, la velocidad de una reaccin es funcin de la energa libre de activacin yun catalizador acta rebajando la altura de esta barrera cintica. Es decir, un catalizador

estabiliza el estado de transicin con respecto a la reaccin sin catalizar. En muchos casos,no hay nada especial en los mecanismos de catlisis enzimticos en comparacin con losmecanismos no enzimticos. Al parecer, existen dos propiedades relacionadas que hacen

que los enzimas sean unos catalizadores tan poderosos: Su especificidad en la fijacin de

sustrato, combinada con una conformacin ptima de sus grupos catalticos. Laconformacin de los grupos catalticos y de fijacin de un enzima, es el producto de eones

de evolucin y por tanto se tiene que la naturaleza ha tenido muchas oportunidades para

afinar las funciones de los enzimas. Los tipos de mecanismos catalticos por los cuales

operan los enzimas se han clasificado en:

1. Catlisis cido-base

2. Catlisis covalente

3. Catlisis por iones metlicos4. Catlisis electrosttica

Adicionalmente dos hechos han sido considerados como definitivos para el entendimientode los mecanismos enzimticos: 1) Los efectos de proximidad y orientacin y 2) La

fijacin preferencial del complejo del estado de transicin

En esta seccin, se examinan estos diversos fenmenos, haciendo referencia a los modelos

orgnicos que sustentan conceptualmente estos mecanismos.

1. Catlisis cido-base

La catlisis cida general es un proceso en el que la transferencia parcial de un protn desde

un cido de Bronsted (especie que puede donar protones) disminuye la energa libre delestado de transicin de una reaccin. Por ejemplo, una reaccin de tautomerizacin ceto-

enol tiene lugar de manera muy lenta debido a la elevada energa de su estado de transicin,

tipo carbanin (Ver figura). La cesin de un protn al tomo de oxgeno, sin embargo,

reduce el carcter de carbanin del estado detransicin, catalizando por consiguiente la

reaccin.

De otro lado, una reaccin tambin puederealizarse por catlisis bsica general si su

velocidad aumenta debido a la abstraccin parcial

de un protn por una base de Bronsted (especieque se puede combinar con un protn). Algunas

reacciones pueden estar sujetas simultneamente a

ambos procesos: reaccin con catlisis cido-basegeneral concertada. La mutarrotacin de la

glucosa proporciona un ejemplo instructivo de


11/21

128

catlisis cido-base. Recurdese que una molcula de glucosa puede adoptar cualquiera de

las dos formas anomricas cclicas, a travs de una forma lineal intermedia. En disolventes

acuosos, se observa que la velocidad inicial de mutarrotacin de la -D-glucosa, tal como

se sigue por polarimetra, cumple una relacin cuya constante de velocidad es de primerorden. La velocidad de mutarrotacin aumenta con la concentracin de cidos y bases. Se

ha postulado que ambos catalizan la mutarrotacin segn el mecanismo que se describe acontinuacin.

En la catlisis es determinante como se identifica el sustrato que acta como base o como

cido en una reaccin. La figura siguiente ilustra como se reconoce cada caso.


12/21

129

Muchos tipos de reacciones de importancia

bioqumica son susceptibles de catlisis cida ybsica. Entre ellas, se cuentan la hidrlisis de

pptidos y de steres, las reacciones del grupofosfato, tautomerizaciones y adiciones de gruposcarbonilo. Las cadenas laterales de los restos de

aminocidos Asp, Glu, His, Cys, Tyr y Lys tienen

valores de pK en o cerca del intervalo de pHfisiolgico lo que, como se ver, les permite

actuar en la capacidad enzimtica de

catalizadores cidos o bases generales de forma

anloga a los mecanismos orgnicos conocidos.

Evidentemente, la capacidad de los enzimas parasituar varios grupos catalticos alrededor de sus

sustratos hace que la catlisis cido-base

concertada sea un mecanismo enzimtico comn.

La reaccin de la RNAsa A representa un muy

buen ejemplo de la catlisis cido-base general.Este enzima gobierna la hidroliza del RNA a sus

nucletidos constituyentes. La reaccin supone

un proceso de dos etapas donde la primerainvolucra la His 12 que acta como una base

general al abstraer un protn del carbono 2'-OH

situado en el RNA. Este ataque promueve un

ataque nucleoflico sobre el grupo fosfatoadyacente. La His 119 por su parte acta como

un cido general al incidir sobre la rotura del

enlace por protonacin del grupo saliente. Elintermedio 2',3'-cclico que se forma es

rpidamente hidrolizado por lo que podra

considerarse el proceso inverso, con la excepcin

de que el agua reemplaza al grupo saliente. En resumen, la His 12 acta como un cidogeneral y la His 119 acta como una base general.


13/21

130

En la tabla siguiente se refieren los aminocidos que pueden actuar como cidos o bases en

la catlisis enzimtica.

2. Catlisis covalente

La catlisis covalente implica que la disminucin en la energa de activacin est mediada

por la formacin transitoria de un enlace covalente entre el enzima y el sustrato. Ladescarboxilacin del acetoacetato, catalizada qumicamente por aminas primarias se

constituye en un muy buen ejemplo de tal proceso, tal y como se muestra en la figura

siguiente. La primera parte de la reaccin implica que la amina ataca nucleoflicamente elgrupo carbonilo del acetoacetato, formando entonces una base de Schiff (enlace imino). El

tomo de nitrgeno del intermedio acta como fuente de electrones. La base de schiff

puede formarse o descomponerse rpidamente y por tanto determina la velocidad de

reaccin.

La catlisis covalente tiene tanto pasos nucleoflicos como electroflicos y por tanto la

catlisis covalente se puede descomponer conceptualmente en dos pasos:

l. La reaccin nucleoflica entre el catalizador y el sustrato para formar un enlace covalente.

2. La eliminacin de electrones del centro de reaccin por el catalizador que, ahora es

electroflico.

Los mecanismos de reaccin covalente se clasifican, de manera algo arbitraria en catlisisnucleoflica o catlisis electroflica, segn cul de estos efectos proporciona una mayor

fuerza propulsora a la reaccin, es decir, cul de ellas cataliza la etapa determinante de

velocidad. La descarboxilacin del acetoacetato catalizada por aminas primarias es una

reaccin de catlisis electroflica ya que su fase nucleoflica -formacin de la base deSchiff- no es la etapa limitante de velocidad. No obstante, en otras reacciones catalizadas

covalentemente la fase nucleoflica puede ser la determinante de velocidad.

Aminocido Acido General

(donador de protones)

Base General

(aceptor de protones)


14/21

131

La nucleofilicidad de una sustancia est estrechamente relacionada con su basicidad.

Desde luego que el mecanismo de la catlisis nucleoflica se parece al de la catlisis bsica

general, con la excepcin de que, en lugar de abstraer un protn del sustrato, el catalizadorataca nucleoflicamente el sustrato para formar un enlace covalente. Por consiguiente, si la

formacin del enlace covalente es la etapa determinante de velocidad de una reaccin

catalizada covalentemente, la velocidad de reaccin tiende a aumentar con la basicidad del

catalizador covalente (pK). Un aspecto importante de la catlisis covalente es: Cuanto msestable es el enlace formado, con menor facilidad se descompondr en las etapas finales de

la reaccin. Un buen catalizador covalente debe combinar, por tanto, las aparentemente

contradictorias propiedades de alta nucleofilicidad y la capacidad de formar un buen grupo

saliente, es decir, revertir fcilmente el paso de formacin del enlace. Los grupos conelevado grado de polarizacin (electrones muy mviles), tales como las funciones imidazol

y tiol, poseen estas propiedades y de ah que sean buenos catalizadores covalentes.

La Quimotripsina es una proteasa ampliamente estudiada en lo referente al mecanismo de

reaccin. Se considera como un mecanismo mixto entre catlisis acido-base general y

catlisis covalente. El mecanismo general se presenta en el esquema siguiente.

El mecanismo detallado de la hidrlisis del enlace

peptdico plantea que el sustrato se ubica en el sitio

activo del enzima y la reaccin est dividida en dos

partes: En la primera (que comprende las etapas 1-3) seda la formacin del enlace covalente temporal entre el

enzima y el sustrato denominandose fase de acilacin.Las etapas 4-7 corresponden a la fase de desacilacin, alfinal de la cual se recupera el enzima libre.


15/21

132


16/21

133

3. Catlisis por Iones Metlicos.

Aproximadamente una tercera parte de las actividades enzimticas funcionan por la

mediacin de iones metlicos. Los enzimas que requieren presencia de iones para sufuncionamiento se pueden clasificar en dos grupos:

1. Los metaloenzimas. Que contienen iones metlicos con uniones fuertes y quenormalmente corresponden a metales de transicin. Ejemplos: Fe

2+, Fe

3+, Cu

2+, Zn

2+, Mn

2+

o Co3+

.

2. Enzimas que se activan por metales fijados dbilmente y que estn presentes en

disolucin. Normalmente estos iones corresponden a metales alcalinos o alcalino-trreos:

Na+, K

+, Mg

2+o Ca

2+.

El efecto cataltico de los iones metlicos se da de tres modos principales:

1. Fijacin al sustrato al orientar al sustrato adecuadamente para una interaccin efectiva.

2. Participando en las reacciones de oxidacin-reduccin por cambios reversibles en elestado de oxidacin del ion metlico.

3. Estabilizando o apantallando electrostticamente las cargas negativas.

Se considera que los iones metlicos, al estabilizar la carga en el sitio activo, consolidan la

catlisis. En los estudios sobre las reacciones catalizadas por estos mecanismos se ha

establecido que lo iones actan de manera similar a los protones (cido de Lewis), con laventaja de que pueden estar presentes a elevadas concentraciones y a pH neutro y adems

estn en capacidad de tener cargas > +l. De este hecho se desprende que en muchos casos

los iones metlicos han sido denominados "superridos.

La descarboxilacin del dimetiloxaloacetato, catalizada por iones metlicos como Cu2+ y

Ni2+

, es un ejemplo no enzimtico de catlisis por iones metlicos:

Tal y como se plante anteriormente, una funcin enzimtica importante de los iones

metlicos se da por la posibilidad que poseen para apantallar las cargas. El ejemplo ms

plausible probablemente sea el de las quinasas (enzimas que transfieren grupos fosfatos)que resultan ser complejos Mg

2+-ATP.


17/21

134

El papel del ion Mg2+

es dual: En primer lugar logra un efecto orientador del sustrato y

simultneamente apantalla electrostticamente las cargas negativas de los grupos fosfato detal manera que estas cargas no logren repeler los pares electrnicos de los nuclefilos que

atacan y muy especialmente de aquellos que poseen carcter aninico.

4. Catlisis Electrosttica.

Cuando se da la fijacin de un sustrato en el sitio activo, se da generalmente un

desplazamiento o exclusin del agua. Por tanto, la constante dielctrica del sitio activo se

asemeja a la de un disolvente orgnico y por lo tanto, interacciones electrostticas sonmucho ms fuertes que las que tienen lugar en solucin acuosa. La distribucin de carga en

un medio de constante dielctrica baja puede influir mucho sobre la reactividad qumica.

As, los valores de pK de las cadenas laterales de aminocidos en las protenas puedendesplazarse varias unidades de sus valores nominales debido a la proximidad de grupos

cargados. Se ha establecido que el ion carbonio en la reaccin de la lisozima est

estabilizado debido a la interaccin con el ion carboxilato del Asp 52, lo que equivale a unaumento de velocidad de 4x10

6

Efectos de proximidad y orientacin

Si bien los enzimas utilizan mecanismos catalticos similares a los quese presentan en las reacciones orgnicas modelo, son catalticamente

mucho ms eficientes. La diferencia en la eficiencia se estima queproviene de las condiciones fsicas especficas en el sitio cataltico del

enzima, que estimulan la correspondiente reaccin qumica. Losefectos ms obvios son los de proximidad y orientacin: los reactivos

han de entrar en contacto con la relacin espacial adecuada para quetenga lugar la reaccin. Por ejemplo, en la reaccin bimolecular entre

el imidazol y el p-nitrofenilacetato se tiene la condicin cintica que

se presenta en la figura del costado.

En el caso presentado en el esquema se tiene que en k1 la constante de velocidad de pseudo-primer orden, es 0,0018 s

-1cuando [imidazol] = 1M ( = fenil). Sin embargo, en la

reaccin intramolecular que se presenta a continuacin, da otra circunstancia:


18/21

135

La constante de primer orden k2 = 0,043 s-1

, es decir, k2 = 24 k1 . Esto significa que cuando

se fija el catalizador (imidazol 1M) de manera covalente al reactivo, el resultado es 24

veces ms efectivo que cuando est libre en solucin. En otras palabras, el grupo imidazol

en la reaccin intramolecular acta como si su concentracin fuese 24M.

Daniel Koshland propuso un protocolo para determinar como se afecta la velocidad de unareaccin por la proximidad de sus grupos reactivos y teniendo en cuenta los siguientessupuestos:

1. Las especies reactivas, es decir, los grupos funcionales, son aproximadamente deltamao de molculas de agua.

2. Cada especie reactiva en solucin tiene 12 molculas vecinas prximas, comoesferas empaquetadas del mismo tamao.

3. Las reacciones qumicas slo se dan entre reactivos que estn en contacto.4. La concentracin de reactivo en solucin es suficientemente baja, de forma que la

probabilidad de que cualquier especie reactiva est en contacto con ms de una

molcula del otro reactivo sea despreciable.

En estas condiciones, la reaccin:

obedece la ecuacin de velocidad de segundo orden

donde [A,B]pares es la concentracin de molculas de A y B que estn en contacto. El valor

de esta cantidad es:

Dado que existen 12 maneras por las que A pueden entrar en contacto con B, y [A]/55,5 es

la probabilidad de que una molcula de B se encuentre al lado de una molcula de A

([H2O]=55,5M en soluciones acuosas diluidas). Al combinar las ecuaciones de velocidad,tenemos que:

A+Bk1

A-BA+Bk1

A-B

v =d [A-B]

dt=k1 [A][B] = k2 [A,B]paresv =

d [A-B]

dt=k1 [A][B] = k2 [A,B]pares

[A,B]pares =12 [A][B]

55,5 M[A,B]pares =

12 [A][B]

55,5 M


19/21

136

La teora precedente es, por supuesto una

simplificacin extrema. Por ejemplo, no se

tiene en cuenta las interacciones de unos

grupos reactivos respecto a los dems.Aunque el efecto debe ser poco dado que,

en el estado de transicin, los gruposreactivos tienen poca movilidad relativa.De hecho, tal como demostr Thomas

Bruice, las velocidades de las reacciones

intramoleculares aumentan notablementecuando se detienen los movimientos

internos en una molcula (Tabla). As,

cuando un enzima pone en contacto dos

molculas en una reaccin bimolecular, no

solamente aumenta su proximidad sino quecongela sus movimientos translacionales y

rotacionales relativas. Esto implica que

disminuye su entropa y por tanto aumentasu reactividad. En la tabla se indica que

estos incrementos de velocidad pueden ser

enormes. Otro efecto que se pasa por altoen el concepto de la proximidad es el de la orientacin. Las molculas no reaccionan desde

cualquier direccin, como supone la sencilla teora de Koshland. En realidad, slo

reaccionan si se encuentran en la orientacin relativa adecuada.

Efecto de la fijacin del estado de transicin.

El incremento de la velocidad causado por los enzimas es a menudo superior a lo que sepodra explicar mediante los mecanismos catalticos y efectos mencionados hasta ahora. No

obstante, no se ha considerado uno de los efectos ms importantes involucrados en la

catlisis enzimtica: La fijacin de1 estado de transicin a un enzima con mayor afinidadque los correspondientes sustratos/productos. Cuando se considera en conjunto el concepto

de fijacin del estado de transicin con los mecanismos catalticos descritos previamente se

puede explicar a satisfaccin las altas velocidades enzimticas observadas.

El concepto original de la fijacin del estado de transicin propuso que los enzimas

tensionan mecnicamente los sustratos, conducindolos hacia la geometra del estado de

transicin, mediante sitios de fijacin en los que no encajaran perfectamente los sustratos

sin distorsionar. Este mecanismo que coloquialmente se denomina el mecanismo del potro(en analoga con el instrumento medieval de tortura) se bas en multitud de pruebas sobre

el papel que juega la tensin en las reacciones orgnicas. Por ejemplo, la velocidad de la

reaccin en un compuesto aromtico es 315 veces ms rpida cuando R es CH3, que cuandoes H. Esto se sustenta en las mayores repulsiones estricas que se establecen entre los

grupos CH3 y los grupos reactivos que cuando R corresponde a H. De manera anloga, las

reacciones que conducen a la apertura de anillos son considerablemente ms fciles cuandoel anillo est tensionado -como es el caso del ciclopropano- en comparacin con lo que

sucede para anillos sin tensionar tal y como se da para el ciclohexano. Se estima que el


20/21

137

reactivo tensionado se parece ms al estado de transicin de la reaccin que el

correspondiente reactivo sin tensionar. As, tal como se sugiri originalmente por Linus

Pauling y despus elaborado por Richard Wolfenden y Gustav Lienhard, las interacciones

que fijan preferentemente el estado de transicin incrementan su concentracin y, porconsiguiente, aumentan proporcionalmente la velocidad de reaccin.

Para el ejemplo anterior el incremento de la velocidad de reaccin por efecto estrico seresume en la tabla siguiente.

H 1CH 3 315R Velel .H 1CH 3 315R Velel .


21/21

138

TALLER 12

1. A continuacin se presenta una tabla de datos en la cual aparecen lasconcentraciones de sustrato y velocidades de una reaccin con y sin inhibidor, sonestos datos realiza lo siguiente.

a. Realice la grfica de Michaelis-Menten y determine KM, Vmax con y sin inhibidorb. Defina segn la forma de la grfica el tipo de inhibidorc. Obtenga una tabla para graficar la ecuacin de Lineweaver-Burrk y obtenga los

valores exactos de KM y Vmax con y sin inhibidord. Se sabe que en el experimento la concentracin de enzima era 0.5mM, en otro

experimento con un enzima diferente con el mismo sustrato, se determin que KM

era 6.25 mM y kcat era 27 s-1

para el nuevo enzima, determine cul de los dos

enzimas es mejorpara el sustrato y por qu razn.2. Investigue cual es el enzima E.C.1.1.1.13. Investigue y explique los mecanismos de reaccin de los siguientes enzimas triosa

fosfato isomerasa, quimiotripsina4. Ejemplifique cada uno de los siguientes tipos de catlisis a partir de enzimas

definidas

a. Catlisis cido-baseb. Catlisis covalentec. Catlisis por iones metlicosd. Catlisis electrosttica

[S](mM) V, sin inhibidor(mM/min)

V, con inhibidor3mM

(mM/min)

0,010 0,021 0,017

0,025 0,053 0,043

0,050 0,106 0,085

0,100 0,212 0,169

0,500 1,004 0,802

1,00 1,889 1,508

3,00 4,580 3,660

5,00 6,400 5,120

7,00 7,720 6,180

9,00 8,720 6,980

11,00 9,500 7,600

catalisis enzimática def

Documents