Tema 8 (cont)

Catálisis enzimática

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Para entender las enzimas necesitamos dos propiedades termodinámicas de la reacción 1. Diferencia de E libre (ΔG) entre productos y reactantes. Se relaciona con la constante de equilibrio (K). ΔG (+) r.endergónica ΔG = 0 r. en equilibrio ΔG (-) r. exergónica

ΔG= ΔG0 + RT ln K´eq E libre estándar

No influye sobre la v de reacción 2. Energía que se requiere para iniciar la conversión de reactantes en productos= E libre de activación (ΔG‡) Determina la v de reacción Las enzimas influyen en ésta

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Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la termodinámica 1º.- Principio de conservación de la energía 2º.- Aumento natural del desorden

Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes, condiciones físicas para la vida Entalpía (H): contenido calórico del sistema Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema 3

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H > 0 Reacción endotérmica (absorbe calor) H < 0 Reacción exotérmica (libera calor) S > 0 Aumenta entropía en el sistema S < 0 Disminuye entropía en el sistema

ΔG = ΔH - TΔS

Entalpía (H): contenido calórico del sistema Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema

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La única energía que pueden utilizar las células es la energía libre, porque es la única capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes : Energía libre de Gibbs (G) Proporciona información sobre: - La dirección de la reacción química - Composición en el equilibrio - La cantidad de trabajo desarrollado por la reacción

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Variación de energía libre (ΔG) Predice si una reacción es posible energéticamente o no ΔG = 0 Proceso en equilibrio ΔG > 0 Reacción endergónica, consume energía ΔG < 0 Reacción exergónica, genera energía (espontánea) Relación entre el G y la K de equilibrio de una reacción:

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En condiciones estándar ¾ 25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M la variación de G se denomina: ΔGo ¾ En condiciones fisiológicas: pH = 7 , ΔG´o ΔG´o es un parámetro que expresa la termodinámica de una reacción, al igual que la constante de equilibrio y es característica de cada reacción bioquímica K´eq < 1 ΔG´o (+) endergónica K´eq = 1 ΔG´o (0) equilibrio K´eq > 1 ΔG´o (-) espontanea

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ΔGo = variación de E libre en condiciones estándar (25º C, 1 atm, [R] y [P] = 1 M). Valor fijo para cada reacción ΔG = variación de E libre real. Es variable, depende de la [R] y [P] y de la Tª

Si la reacción está en el equilibrio, la variación de energía libre es nula ΔG = 0

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• La velocidad de la reacción depende de la “Energía libre de activación” (ΔG‡) que no está relacionada con ΔG • La diferencia en la E libre entre el estado de transición X‡ y el S se denomina “Energia de activación” (ΔG ‡) S ‡ indica

X‡

P

estado de transición. Con >E libre que S ó P

ΔG ‡ = G ‡ X - GS • Aceleran las reacciones porque ↓ ΔG ‡ 9

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Energía de activación: La conversión de S en P es

termodinámicamente favorable (ya que P tienen menor energía que S) pero S no pasa a P si no adquiere la energía suficiente para superar la barrera de energía. Esta energía necesaria se denomina “Energía de activación” ó energía libre de Gibbs” (ΔG ‡) Ej: Oxidación de glucosa a CO2 y H2O

ΔG ‡

P

S

P

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Reacción química ordinaria 9 Para que se verifique una reacción es necesario comunicar una energía denominada Energía de Activación. Incluso cuando ΔG < 0 9 El compuesto S con un determinado nivel energético debe alcanzar un estado de transición, o nivel energético mas alto para ser transformado en producto P. 9 P se encuentra en un nivel energético menor 9 El estado de transición representa una barrera energética que hay que salvar.

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ΔG ‡ S→P = Energía de activación para que S alcance el estado de transición ΔG ‡ P→S = Energía de activación para que P alcance el estado de transición ΔG 0+ ΔG ‡ P→S

= Variación de E libre estándar global para ir de S a P

-

ΔG ‡ S→P

=

9 Cuanto mayor sea la Energía de activación para el estado de transición, S tendrá mas dificultades para transformarse en P. S es muy estable y tardará mas tiempo en alcanzar el estado de transición → reacción es mas lenta y tarda mas.

ΔG 0+

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¿Cómo actúa un enzima? 9 Es un catalizador 9 Disminuyendo la Energía de activación 9 No modifica el equilibrio de la reacción 9Cataliza el paso de S a P y de P a S 9 Acelera la interconversión de S a P. 9 El equilibrio se alcanza de forma mas rápida. 9 Incrementa la velocidad de reacción 9 < < ΔG ‡ ; ΔG 0+ no se modifica

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E de activación r. no catalizada

Formación y desintegración de especies químicas transitorias

Paso limitante de velocidad

E de activación r. catalizada

T de reacción 15

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Etapas de la reacción catalizada enzimaticamente 1. E reconoce a S. Comienza la formación de ES* 2. Complejo ES formado 3. Transformación del complejo ES en un complejo intermedio de transición EI. Se favorece la acción catalítica del enzima 4. Comienza la formación del complejo EP 5. Empieza la disociación de P en EP* 6. Disociación total de P y liberación de E → E + P S + E ↔ ES* ↔ ES ↔ EI ↔ EP ↔ EP* ↔ E + P 16

Paso limitante de velocidad

EI ES*

EP*

EI, es un complejo intermedio de transición

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Enzimas

• Las energías de activación son barreras energéticas que las reacciones químicas deben salvar. • Cuanto mas elevadas sean → mas estables son las sustancias reaccionantes • Las Enzimas se necesitan para disminuir la energía de activación de forma selectiva en las reacciones que son necesarias para la supervivencia celular • Permitiendo que la reacción tenga lugar en una escala útil para las células

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¿Como se puede explicar la acción de un enzima? • Las enzimas interaccionan de manera transitoria con el sustrato • Esas interacciones suponen la activación de ese sustrato • El máximo de las interacciones tienen lugar cuando se alcanza el estado intermedio de transición (EI)

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Energía de fijación • Energía desprendida durante la formación del complejo ES y sobre todo del EI • Se forman interacciones débiles progresivas ( puentes de H; fuerzas Van der Waals; interacciones hidrofóbicas)

Energía de fijación

ΔG t de reacción

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El poder catalítico de una reacción se fundamenta

• a) Energía de fijación ( interacciones ES) • b) Propio poder catalítico del E • c) Estructura del S en EI, es decir en el centro activo, debe ser complementaria a la del E también en ese centro activo

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Ejplo : Barra metálica y encaje inducido

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Energía de fijación “Es la principal fuerza motriz dominante de la catalisis” Barreras energéticas (físicas y termodinámicas)compensadas por la Energia de fijación del S al E

1. Reducción de la Entropía

2. Romper la capa de solvatación que el S posee con el agua

3. Compensa las distorsiones del S en ese momento

4. Permitir la alineación correcta de los grupos funcionales catalíticos del E 24

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1 E

E

Entropía ↑

Menor movimiento= mas orden= Entropía ↓

2

S E

E

E

Romper capa de solvatación 3

I

S E

E

E

Adaptación del S

EI Compensa las

distorsiones de S 4

S E

E

Alineación eficaz de los grupos catalíticos para interaccionar con S 25

1. Reducción de la Entropía

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2. Romper la capa de solvatación que el S posee con el agua

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3. Distorsiones estructurales ó electrónicas del S en ese momento

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Relación entre la E de fijación y la especificidad del E

Especificidad: capacidad de una E para diferenciar entre dos sustratos competitivos > especificidad

>

Energía de fijación

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Mecanismos catalíticos El S unido al E utiliza grupos funcionales distintos a los de fijación que intervienen rompiendo o formando enlaces. • CATALISIS ACIDO-BASE • CATALISIS COVALENTE • CATALISIS POR IONES METÁLICOS • CATALISIS ELECTROSTÁTICA • EFECTO DE PROXIMIDAD Y ORIENTACIÓN • FIJACIÓN PREFERENCIAL DEL ESTADO DE TRANSICIÓN

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CATÁLISIS ACIDO-BASE Catálisis ácida: transferencia parcial de un protón desde un residuo de la enzima, que se comporta como un ácido de Bronsted (especie donadora de protones), al sustrato o intermediarios de la reacción, disminuyendose la E libre del estado de transición Catálisis básica: transferencia de un protón desde el sustrato o intermediarios de la reacción a un residuo de la enzima, que se comporta como una base de Bronsted (especie aceptora de protones) , disminuyéndose así la energía libre del estado de transición. Catálisis ácido-base general concertada: simultáneamente se dan ambos procesos. Generalmente concertada.

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CATÁLISIS ACIDO-BASE Transferencia de protones H2O donador → H+ ; H3O+ ; - OH “Cátalisis ácido-básica especifica”

“Cátalisis ácido-básica general”

Interm. inestable

A + B

Donadores o aceptores distintos al H2O

P H2O H+ ; H3O+ ; -OH

Interm. inestable

A + B

P

Grupos dadores o aceptores de H+ “R” de aa; aa; ácidos ó bases débiles

Estos grupos se posicionan en el centro activo del E, permiten la transferencia de H+ e incrementan la V de 102 a 105 veces 32

Ej: Catalisis ácido-base de la hidrólisis de RNA por la Ribonucleasa A de páncreas bovino

Transparencia Voet cap 11

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Mecanismo de RNAsa A Hidrólisis de RNA en dos pasos, con formación intermedia de un nucleótido 2´, 3´- cíclico

1. His12 (base)quita un protón de un grupo 2´- OH de RNA. Promueve ataque nucleofílico al átomo de P adyacente. His119 promueve la escisión del enlace. 2. Eliminado el grupo, ingresa H2O en el sitio activo. El intermediario 2´3´-cíclico se hidroliza. His12 actúa como base e His119 como ácido general. RNA hidrolizado 34

Ej: Catálisis ácido-base de tautomerización ceto-enol Transparencia Voet cap 11

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R. No catalizada Muy lenta

Se rompe el enlace C=O

Existe un dador de protones al