Mecanismos químicos de las reacciones...
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Mecanismos químicos de las reacciones enzimáticas. Efectos fisicoquímicos generales Estrategias químicas específicas Posgrado en Ciencias Bioquímicas UNAM Autor: Rogelio Rodríguez-Sotres
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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
