Bioquímica 6: tipos de catálisis

En el tema anterior, se habló sobre las enzimas. En este se tratará sobre el tipo de catálisis que llevan a cabo.

Los mecanismos de catálisis son fundamentalmente cuatro:

  1. Catálisis por aproximación: mediante el establecimiento de interacciones E-S. Reduce la entropía para que la reacción sea más favorable gracias a los efectos de proximidad y orientación.
  2. Catálisis ácido-base
  3. Catálisis covalente
  4. Catálisis por distorsión

CATÁLISIS POR APROXIMACIÓN:
Ocurre en todas las enzimas. Como su nombre indica, aproxima los sustratos (reactantes) y hace que la probabilidad de encuentro entre ellos sea mayor. La reacción puede ser uni o bimolecular.

CATÁLISIS ÁCIDO-BASE:
La enzima favorece la reacción actuando como ácido o como base. Se trata de un tipo de catálisis bastante frecuente en las enzimas. Los residuos de las enzimas favorecen la reacción actuando como ácido o como base (o ambos) mediante la transferencia de protones al activar la molécula de agua haciéndolo más reactivo.
La base desprotonada puede captar un protón del agua, dando lugar a un radical hidroxilo que puede formar un enlace con otro átomo.

Tema06-cat-basica
Ejemplo de catálisis básica, donde E = enzima y B = residuo básico.

Ejemplo: la hidrólisis de un éster RCOOR’ → RCOOH + HOR’
El H2O es un nucleófilo débil y el éster un electrófilo débil. La enzima hace más electrófico al éster donando un protón de un aminoácido ácido que provocará un reajuste electrónico del C=O. Un residuo básico desprotonado captará un protón de una molécula de agua, este –OH será más nucleófilo que antes. Se llega al estado de transición, el carbono tetraédrico es muy inestable hasta que se transforma en los productos para recuperar la estabilidad anterior.
El O que antes era afín al protón del ácido, se va desplazando y el enlace –OR’ se va debilitando. El protón que estaba unido a la base se cede al grupo –OR’ y la enzima vuelve al estado inicial.

Tema06-cat-conjugada
Catálisis ácido-base conjugada.

Proteasas ácidas
En el centro activo hay dos grupos ácidos con un entorno muy distinto. Uno de ellos siempre está desprotonado y el otro protonado. El que está protonado es más básico que el otro por el entorno ya que modifica sus valores de pKa. Uno cambia de pKa=4 a pKa=2.
Como uno está cargado negativamente, al llegar el H2O tiende a captar su protón; el oxígeno ataca el carbono carbonílico y el desplazamiento de protones se desvía hacia el otro residuo que estabiliza el estado de transición.

CATÁLISIS COVALENTE:
Fundamentalmente proteasas, rompen los enlaces peptídicos. Para un mismo tipo de reacción, las estrategias son distintas.
Serín-proteasas (catálisis covalente): en su centro activo tendrán una serina. Son enzimas que se encuentran en el tracto gastrointestinal como la tripsina y la quimotripsina. La tripsina rompe los enlaces peptídicos cuando hay lisina o arginina, la quimotripsina tiene aminoácidos aromáticos (fenilalanina, tirosina y triptófano) que aportan una oquedad amplia y apolar en el sitio ligante. Las elastasas tienen aminoácidos poco voluminosos como la glicina y alanina que aportan una oquedad poco profunda y pequeña.

Tema06-Serinproteasas
Serín-proteasa

Quimotripsina:
La histidina intenta quitarle un protón al OH de la serina porque el aspártico a su vez intenta quitarle el protón a la histidina; entonces el O del –OH de la serina es muy nucleófilo.
El O de la serina ataca el carbono carbonílico (siempre con déficit electrónico) de la cadena peptídica que se encuentra cerca, hay un desplazamiento de electrones y se tiene de nuevo el carbono tetraédrico. Un grupo en la enzima actúa como base y es el que está estabilizando el carbono carbonílico, tendiendo a ceder un protón al O del C=O, se rompe el enlace peptídico y sale el fragmento roto que se queda unido covalentemente a la serina.
Una molécula de H2O entra cuando la histidina tiende a pasar de ácido a base, primero cedió un protón para liberar el fragmento R’-NH2, capta el protón delH2O y el –OH se vuelve más nucleófilo y ataca al carbono carbonílico. El carbono tetraédrico se rompe y libera.

Cisteín-proteasas
Igual que las serín-proteasas, pero el aminoácido es la cisteína.

Catálisis por metales: metal y ácidos.
Las proteasas pueden hidrolizar las proteínas por posiciones internas o empezando por el grupo amino o desde el carboxilo hacia adelante. Las que empiezan por el grupo carboxilo, se denominan carboxiproteasas (como la carboxipeptidasa A).
En la oquedad del sitio ligante entran los grupos COO, cerca de esa localización hay un átomo de Zn2+ (metal de transición con orbitales vacíos y por lo tanto, electrófilo). El oxígeno del H2O se une cerca del zinc y sitúa los electrones cerca del oxígeno, entonces el oxígeno es más nucleófilo y ataca al carbono carbonílico. Si a la vez hay otro grupo que actúa como base, éste tirará del protón y acumentará la nucleofilia del oxígeno.

AJUSTE INDUCIDO
Cuando el sustrato provoca el ajuste conformacional en la enzima. El centro ligante en ausencia del sustrato no está bien delimitado, el sustrato hace que haya un desplazamiento y permita la unión.

CATÁLISIS ELECTRÓFILA: Anhidrasa carbónica
Se encuentra en los eritrocitos y se encarga de regular los niveles de CO2 y pH. Su centro activo es parecido a las metaloproteasas, tiene un átomo de zinc y actúa aumentando la reactividad del agua.
CO2 +H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3 + H+

Tema06-anhidrasa
Mecanismo catalítico de la anhidrasa carbónica.

Para continuar con el estudio de los parámetros de reacción de las enzimas, veremos en el siguiente tema la cinética enzimática.

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana.

Enlace: lecciones de Bioquímica.

Compartir en: Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Print this pageEmail this to someone

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *