mecanismos químicos de las reacciones...

Mecanismos químicos de las reacciones enzimáticas.

Efectos fisicoquímicos generales

Estrategias químicas específicas

Posgrado en Ciencias BioquímicasUNAM

Autor: Rogelio Rodríguez-Sotres

Las enzimas alcanzan tasas de aceleración excepcionales

0.028 13 000 460 000

0.13 1 000 000 7 700 000

0.000026 50 1 900 000

0.000000004 0.04 10 000 000

0.0000006 2 000 300 000 000

0.00000008 2 000 100 000 000 000

0.00000017 66 000 390 000 000 000

0.000000003 578 190 000 000 000

0.00000000018 370 2 100 000 000 000

0.0000000003 30 000 100 000 000 000 000

100 100 000 000 000 000 000

39 140 000 000 000 000 000

Ejemplos de aceleración de la reacción por diversas enzimasVel de la reacción Factor de aceleración

No catalizada catalizada Veces

Enzima knon (s-1) kcat (s-1) (kcat/knon) Función en la naturaleza

Ciclofilina (a) Síntesis de antibióticos

Anhidrasa carbónica (a) Fotosíntesis

Corismato mutasas (a) Síntesis de aminoácidos escenciales

Quimotripsina (b) Digestión de proteínas en el tracto digestivo

Triosa fosfato isomerasas (b) Degradación de azúcares para generar energía

Fumarasa (b) Respiración celular

Cetoesteroide isomerasa (a) Producción de hormonas esteroides

Carboxipeptidasa A Digestión de proteínas en el tracto digestivo

Adenosina Deaminasa (a) Síntesis de precursores de ácidos nucléicos

Ureasa (b) Mecanismo de defensa de algunas plantas

Fosfatasa alcalina (b) 1 × 10-15 Liberación de fósforo para su aprovechamiento

Orotidina-5-P-descarboxilasa (a) 2.8 × 10-16 Degradación de ácidos nucleícos

• Las catálisis enzimática aprovecha varios efectos fisicoquímicos y diferentes estrategias químicas para catalizar su reacción química.

• Mientras los efectos fisicoquímicos son parte de todos los mecanismos de reacción enzimática.

• Las estrategias empleadas dependen de la reacción química catalizada.

• Algunas estrategias son comunes a varias enzimas ...

Efectos fisicoquímicos generales propuestos para explicar la catálisis

enzimática.

Aumento de la concentración efectiva

• Las enzimas son específicas para sus sustratos

• Cuando los sustratos se unen a la enzima se concentran en un pequeño volumen.

• Este efecto tiene una contribución baja , estimada en aceleraciones de 102 a 103 veces.

Factores de orientación.

• Los sustratos unidos al sitio activo tienen menos movilidad.

• Además, se hallan orientados adecuadamente.

• Esto puede facilitar el acercamiento de los grupos reactivos (contribución 103 a 106 veces).

OHOH

OHOH

O

OH

OHOH

OH

OH

O

OH

E

solución

Efectos entrópicos en una reacción química

∆SROTACIONAL

Efectos de orientación en una reacción química

Efectos de orientación...

Posibles estados de transición

Alteración del potencial electrostático

• Las enzimas poseen regiones hidrofóbicas,

• regiones con carácter dipolar y

• regiones con cargas.

• La adecuada distribución de estas regiones las hace “supersolventes”.

La enzima como supersolvente

La enegía de orientación de los dipolos ya se pagó

(factores de 1010 a 1012 veces)

RO H

RO H

Gtot = Grea + Gsol∆ ∆∆

Gtot = Grea ∆∆

O H+

R

O H+

R

durante el plegamiento de la proteína

Estrategias químicas específicas:

• Catálisis general ácido base

• Catálisis covalente

• Catálisis por Oxido-reducción

• Efecto tunel (e- y H.)

Aminoácidos ácidos y/o básicos, Mg, Zn, Ca...

Deshidrogenasas y otras oxidorreductasas

Se forma un intermediario covalente E-reactante.

Cisteína↔cistina, grupos prostéticos y/o metales

Catálisis ácido-base: específica vs. general

• En la catálisis ácido-base expecífica, los H+ o los OH- promueven la reacción, sólo depende del pH.

• En catálisis ácido-base general una especie protonada o desprotonada facilita la reacción, depende del pH y de la concentración del amortiguador.

Quantum tunneling

Loas onda-partículas poseen enegía cinética+ energía potencial. Una partícula que deba atravesar un medio en el que posee mucha energía potencial debe tener energía cinética negativa (???).Sin embargo, si la longitud de onda de la partícula es más larga en el estado basal que en la barrera, la partícula puede “atravesar la barrera” sin “poblarla”.

Ejemplos que sirven para ilustrar estas estrategias …

A) Lisozima

2 4 6 8 10 120

20

40

60

80

100

Act

ivid

ad e

nzim

átic

a (%

)

pH

pKa1

pKa2

FORMAACTIVA

OO

Asp52

HO

OGlu35

EEOOH

Asp52

HO

OGlu35

EE OO

Asp52

O

OGlu35

EE

3D

B) Ribonucleasa A

NHNH

+

NH

NNH3

+

Lys41His119

His12

NHN

NH

NNH3

+

Lys41His119

His12

NHNH

+

NH

NH+NH3

+

Lys41His119

His12

pKa1

pKa2

FORMAACTIVA

2 4 6 8 10 120

20

40

60

80

100

Act

ivid

ad e

nzim

átic

a (%

)

pH3D

C) Carboxipeptidasa A

Centros electrofílicosCatálisis mediada por metales

Reacción catalizada por la Carboxipeptidasa

MNH2

CSH

II V K R S

T

G

AD E

IV N

O

N O

OH

H

O

MNH2

CSH

II V K R S

T

G

AD E

IV N

O

O N+

O

OH

H

O

H

H

HOH

Mecanismo de catálisis de la carboxipeptidasa

D) Proteasas de serina

Catalisis CovalenteLa enzima es modificada covalentemente de manera

transitoria

E) Catalasas

Catálisis redoxEs estado Redox de la enzima se modifica de

manera transitoria

Catalasa: Un ejemplo de catalisis redox

Reacción: 2 H2O

2 +2 H2O O

2

La enzima requiere un grupo Hemo (FeII) que pasa a Fe(III)

Enz red: Enz ox:E-hemo-Fe2+ E-hemo-Fe3+.OH

E-hemo-FeIII + H2O

2E-hemo-FeIII.H

2O

2

E-hemo-Fe2+.H2O

2 E-hemo-FeIV.OHE-hemo-FeIII.H2O

2 + OH-

E-hemo-FeIV.OH + H2O

2E-hemo-FeIV.OH.H

2O

2

E-hemo-FeIV.OH.H2O

2E-hemo-FeIII.O

2.H

3+O

E-hemo-FeIII.O2.H

3+O E-hemo-FeIII + O

2 +H

3+O

Pasos de la catálisis

KM2

kCAT1

KM1

kCAT2

Scheme 1. The catalytic reaction cycle in catalases (axial Tyr). The porphyrin ring is represented by the broad lines on both sides of the iron, and radicals by dots. (Taken form Hersleth, et al., (2006) Journal of Inorganic Biochemistry 100, 460 - 476)

The structures of compound 0, 0* and I (according to Jones, P. and Dunford, H. B. (2005) Journal of inorganic biochemistry 99, 2292 - 2298)

1

0

0*

Fig. 7. Scheme for KatG catalytic cycles. The species shown in bold text are those identified in the reference below, or in previous work on KatG (see reference in the original work) . Tyr•, tyrosyl radical; Por+•, porphyrin pi -cation radical; ROOH, m-chloroperoxybenzoic acid, peroxyacetic acid, or t-butylhydroperoxide. (This scheme is similar to the one reported for PGHS ). Chouchane et al., J. Biol. Chem. 277, 42633(2002)

Fig. 2. Crystal structure of catalase. The haem regions with key residues are shown, and the distances are in Ångstrom. Figures were generated using PyMOL [85]. The following colour coding is used: carbon is light grey, oxygen is red, nitrogen is blue, sulphur is dark yellow and iron is orange. (B) Ferric, compounds I and II catalase (1GWE, 1MQF, 1GWF) are shown [6], [10], [11] and [54]. Hersleth, et al., (2006) Journal of Inorganic Biochemistry 100, 460 - 476

FIGURE 1.Met-Tyr-Trp adduct in Mtb KatG. The figure was constructed using the coordinates deposited in the Protein Data Bank (accession code 2CCA (26); displayed using PyMOL software (Ranguelova et al., J. Biol. Chem., 282: 6255(2007).

Un ejemplo animado

Pirofosfatasa inorgánica soluble de Levadura

P2O

74- + H

2O --Mg2+--> 2HOPO

32-

Pirofosfatasa inorgánica