Introducción a las Enzimas

Características generales de las reacciones catalizadas y de las enzimas

M. en C. Felipe Alcántara Sánchez

Fundamentos químicos de la vida

Los seres vivos cuentan con sistemaspara extraer, transformar y usar energía del ambiente

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The Nobel Prize in Chemistry 1907 was awarded to Eduard Buchner "for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation".

Fosfofructocinasa 1 (PFK1) de Escherichia coliEC Number: 2.7.1.11

Enzima clave de la glucólisis.

Reacción que cataliza:

F6P + ATP <=> F1,6BP + ADP + H+

∆Gº’ = -14.2 kJ/mol

(Un valor tan negativo que la reacción es virtualmente irreversible in vivo)

PDB: 1PFK

1,6 FBP

ADP

Mg2+

Interactions for instance 1PFK:FBP:A:323Legend: black dashed lines - hydrogen bonds, salt bridges, metal interactions; green solid lines - hydrophobic interactions; green dashed lines - Pi-Pi, Pi-cationinteractions

Note: covalent bonds to proteins are not displayed.

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Monómero del fotosistema II de la cianobacteriaThermosynechococcuselongatus

La función de las enzimas

• Las enzimas son catalizadores• Un catalizador aumenta la velocidad de la

reacción química sin que sufra cambios o sea consumido en el proceso general

• La mayoría de los catalizadores biológicos son proteínas llamadas enzimas (excepción, las ribozimas, son de RNA)

• La sustancia sobre la que actúan las enzimas se le llama sustrato

• Los catalizadores cambian la velocidad, pero no afectan el equilibrio de las reacciones

productoABreactivoBreactivoArcatalizado

cABbBaA k1

cABbBaAk2

cABbBaA

ba

c

eqBA

ABk

La teoría del estado de transición

• Una reacción pasa por varias etapas, comenzando con los reactivos aislados y terminando con los productos.

• Cada etapa tiene asociado un valor de energía (H).

• La etapa o estado con valor máximo de energía es llamado estado de transición o estado activado (S‡ ,TS, Ea según el autor)

Reacciones exergónicas y endergónicas

Reacciones catalizadas

• Un catalizador disminuye la energía de activación.

• Se aumenta la fracción de moléculas que tienen suficiente energía para lograr el estado de transición.

• Esto hace que la reacción sea más rápida en ambas direcciones.

• La posición de equilibrio (cantidad de producto vs. cantidad de reactivo) no cambia con el catalizador.

• K = k1/k-1

• Ejemplo: la catalasa puede acelerar la reacción de conversión de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno por un factor de 1000000000 • Variación de la energía libre estándar: ∆Gº

• Variación de la energía libre en condiciones fisiológicas: ∆Gº’

• Energía de activación: diferencia entre el estado de energía del estado basal y el de transición ∆G‡

Velocidad de una reacción

• Dependen de:– las concentraciones de reactivos y de productos: v=k[S]

– Temperatura

– Presión

– Fuerza iónica

– pH

– La barrera energética

• La condición de equilibrio (∆Gº’) determina la dirección

• La velocidad está ligada a la energía de activación (∆G‡)

¿Cómo es que las enzimas disminuyen la energía de activación?

• Equivale a que las moléculas de reactivos:– se aproximen– se acomoden– haya deformación de las nubes electrónicas– haya rompimiento y formación de enlaces

• Un catalizador actúan por superficie y es gracias a su configuración electro-geométrica que favorece la reacción.

• La reducción de la energía de activación se logra en virtud de la interacción de unión con el sustrato

Mecanismo general de catálisis

1. El catalizador se une al sustrato en una conformación intermedia que semeja al estado de transición, pero tiene menor energía. Esto puede llevar a varios estados metaestables.

2. Los catalizadores pueden disminuir el valor negativo de la entropía que implica una orientación ordenada, al unirse a los sustratos sólo en la orientación adecuada.

Modelos para la interacción enzima-sustrato

Acoplamiento de reacciones enzimáticas

Reacción general de la catálisis

enzima

sustrato

Complejo enzima-sustrato

Complejo enzima-producto

producto

Al mantener constantes

distintas condiciones y variar

las concentraciones iniciales de

los reactivos (digamos el

reactivo A), es posible encontrar

una relación directa entre la

velocidad de reacción (v) y la

concentración, expresados

mediante la fórmula:

nAkv

Fundamento de la cinética enzimática

El orden de una reacción• Es un número relacionado con cuántas

concentraciones afectan a la velocidad de una reacción.

1. Orden cero: la velocidad es independiente de la concentración

2. Primer orden: la velocidad depende de la concentración de un reactivo (...) etc.

Reacción Ecuación de

velocidad

Valor

sumado

de n

Orden de

la

reacción

)()(4)(2 2252 gOgNOgON 52ONkv 1 1º

)()()(2)( 22 gClgNOgHClgNO HClNOkv 2 2 2º

)(2)()(2)(2 222 gOHgNgHgNO 2

2HNOkv 3 3º

)()(2)(2 222 gOgNgON Au kv 0 0

Tabla 1.2. Relación entre la ecuación de velocidad y el orden de una reacción determinados experimentalmente (Mortimer, 1983)