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Universidad Nacional de TrujilloEscuela de Ingeniería Química
Cinética y CatálisisProf: Ms. Rosa Nomberto Torres
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Reacciones Enzimáticas
• Enzimas.
• Cómo trabajan las enzimas.
• Modelo de necanismo.
• Cálculos en un Reactor batch.
• Ejemplos.
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Enzimas
• Son generalmente proteínas de alto peso molecular(15000<MW<varios millones).
• Son específicas, versátiles y catalizadores biológicos muy efectivos, dando como resultado una más alta velocidad de reacción, comparada con las reacciones químicamente caalizadas bajo condiciones ambientales.
• Más de 2000 enzimas son conocidas.
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...Enzimas
• Son generalmente nombradas en términos de las reaccciones que catalizan. Es una práctica común adicionar el sufijo asa al nombre del sustrato sobre la cual va a actuar la enzima. P.e., la enzima que cataliza la descomposición de urea es la ureasa.
• Las reacciones catalizadas enzimáticamente, son característica de muchas reacciones biológicas, en las cuales se aplica el criterio de seudo estado estable.
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...Enzimas
• Una propiedad importante de las enzimas es que son específicas y pueden catalizar solamente a una reacción. P.e., una proteasa hidroliza solamente lazos específicos entre aminoácidos específicos en proteínas; una liptasa ataca a grasas, degradándolas a ácidos grasos y glicerol.
• Las enzimas catalizan las reacciones bajos condicioes: pH de 4-9 y temperatura de 75-160ºF.
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Cómo trabajan las enzimas
• Las enzimas bajan la energía de activación de las reacciones catalizadas por atracción del sustrato, formando un complejo enzima-sustrato. Las enzimas no afectan la constante de equilibrio.
• P.e., la energía de activación para la descomposición del peróxido de hidrógeno varía dependiendo del tipo de catalizador. Para la reacción no catalizada a 20 ºC, Ea=18 kcal/mol, para la reacción catalizada por la enzima catalasa, Ea=7 kcal/mol.
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Energía de activación en reacciones catalizadas enzimaticamente y no catalizadas
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...Cómo tarabajan las enzimas
• Los aspectos moleculares de la interacción enzima-sustrato no es plenamente conocido.
• La interacción enzima-sustrato se da por fuerzas débiles.
• El sustrato se adhiere a lugares específicos de las enzimas denominados centros activos.
• El sustrato es una molécula relativamente pequeña y encaja en una cierta región de la enzima, la cual es una molécula mucho más grande.
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Esquema de catálisis enzimática
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• Sustrato (S): Es la sustancia que es químicamente transformada a una gran velocidad por la acción de una enzima.
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Mecanismo
• Existen tres tipos de reacciones enzimáticas:
I. Enzima soluble – Sustrato insoluble.
II. Enzima insoluble – Sustrato soluble.
III. Enzima soluble – Sustrato soluble.
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• Un ejemplo del tipo de reacción I, es la que usa enzimas como propeasas o amilasas en detergentes de lavandería.
• Sin embargo la reacción de la enzima ha causado controversia en relación a la contaminación de aguas.
• Una vez en solución, la enzima soluble puede digerir un sustrato insoluble como por ejemplo una mancha de sangre.
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• Las reacciones tipo II son las que se desarrollan por acción de los grupos de enzima a las superficies sólidas en procesos continuos, esto puede ser desarrollado de manera similar que un reactor catalítico de lecho empacado.
• La más grande actividad en el estudio de las enzimas ha sido en relación con las reacciones biológicas, porque cada reaccion de síntesis y degradación en todas las células vivas, son controladas y catalizadas por enzimas específicas.
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• Muchas de estas reacciones son homogéneas en fase líquida, es decir son del tipo III (enzima soluble – sustrato soluble).
• Para la reacción enzimática sugerida por Levine y LaCourse, como parte de un sistema que podría reducir el tamaño de un riñón artificial. Se plantea la eliminación de nitrógeno de productos residuales tales como ácido úrico y creatinina.
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Ejemplo de reacción enzimática
• La acción catalítica de la ureasa podría originar la descomposición de urea a amoniaco y dióxido de carbono.
*ureasa.CONHNHk
ureasaCONHNH 221
22
222
22 CONHNHureasak
*ureasa.CONHNH
ureasaCONHk
OH*ureasa.CONHNH 2323222
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• En forma simbólica:
S.Ek
SE 1
SEk
S.E 1
EPk
WS.E 2
Donde: E, S, W, E.S y P representan la enzima, sustrato, agua, el complejo enzima-sustrato y producto respectivamente.
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Modelo de mecanismo para la cinética
Para el producto:
Para el complejo ES
(1)
(2)
La conc. de la enz. total (3)
La asunción de Michaelis y Menten
Se asume un equilibrio rápido entre E y S para formar E.S
(4)
Reemplazando (3) en (4) y despejando [ES]
(5)
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Sustituyendo (5) en (1), se obtiene: (6)
Donde vm representa la máxima velocidadLa hipotesis del seudo estado estable:
De la ec. (2) se obtiene: (7)
Sustituyendo (3) en (7) (8)
Despejando para [ES] (9)
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(9) En (1) (10)
(11)
Los valores de Km y Vm se determinan a partir de datos experimentales
haciendo d[P]/dt = v, se obtiene: (12)
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1. Doble recíprocos: Tomando el inverso de la ec. (12), y graficando se obtiene:
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2.Gráfica de Eadie-Hofstee: La ecuación (12), se arregla de la manera siguiente:
Graficando se obiene Vm y Km
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3. Gráfica de Hanes-Woolf.: Arreglando la ec. (12), se obtiene:
Graficando, se obtiene Vm y Km