Enzimología 6: Mecanismos de catálisis enzimática.

MECANISMOS DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA – PARTE 1

Índice

En general, podemos clasificar los mecanismos de catálisis como cuatro tipos principales en los que en la misma enzima se pueden dar múltiples mecanismos a la vez:

  • Por aproximación: mediante establecimiento de interacciones E‐S (enzima-sustrato). Se trata de un mecanismo por contribución entrópica de la catálisis ya que reduce la entropía para que la reacción sea más favorable.
    • Catálisis por aproximación: acercar los reactantes.
    • Efecto de orientación: acercar los reactantes.
  • Covalente
  • Ácido‐base
  • Por distorsión

MECANISMO DE CATÁLISIS POR APROXIMACIÓN:

Es un tipo de catálisis en el que se acepta que sucede en todas las enzimas. Este mecanismo trata de acelerar la reacción y en el que el catalizador (la enzima) no debe “gastarse”, esto es, que tiene que recuperarse tras haber realizado la reacción para repetir el proceso. La enzima aproxima espacialmente los sustratos (reactantes) y por lo tanto, aumenta significativamente probabilidad de encuentros efectivos entre reactantes en comparación con lo que sucedería si el catalizador está ausente.

El número de choques o encuentros entre los sustratos es mayor cuantas más moléculas haya y por ello, mayor será entonces el número de encuentros efectivos. Este número de encuentros debe ser sustancialmente superior independientemente de la concentración de los reactantes o de la temperatura del medio (la temperatura aumenta la cinética de las moléculas provocando que éstas choquen entre sí con mayor frecuencia) ya que este aumento en el número de los encuentros efectivos tiene que ser debido a la acción de la enzima y no por efectos estocásticos.

¿Cuánto supone en términos de eficacia catalítica este incremento en la velocidad? Para evaluarlo en este ejemplo propongo la comparación de la constante de velocidad (Kv) de una reacción de un enlace éster entre un fenol y un ácido metanoico. Se trata de una reacción bimolecular que da lugar a un enlace éster con una Kv = 10‐8 M‐1 s‐1. En caso que el fenol y el carboxilo estén en la misma molécula, el enlace (reacción) que se forma es intramolecular con una Kv = 10‐4 s‐1. Finalmente, dividiendo las constantes de la reacción unimolecular sobre la bimolecular, se observa un orden de diferencia de 1*104 M. Son cuatro órdenes de magnitud más rápido en la reacción unimolecular que en la bimolecular. Este tipo de reacción se conoce como CONCENTRACIÓN INTRAMOLECULAR EFECTIVA y en el caso de una enzima, la enzima trabaja como un conversor de una reacción bimolecular a una del tipo unimolecular, acelerando varios órdenes de magnitud la velocidad de reacción.

En términos de componente entrópico, los grupos de las reacciones uni y bimoleculares son igualmente reactivos; sin embargo, las dos moléculas de la reacción bimolecular son más entrópicas (DS muy alto, ΔG negativo, reacción espontánea) al tener más posibilidades de distribución en el espacio. La reacción unimolecular tiene componente de cambio de entropía sumamente grande para favorecer la formación del producto (DS bajo, ΔG positivo). Recordemos que a temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG) se define como: ΔG = ΔH – TΔS, donde H es la entalpía, T es la temperatura y S la entropía.

La adición de grupos metilo al sustrato inicial en una reacción unimolecular da una Kv del orden de 1*10-1 s-1. Sin embargo, estos grupos no afectan a la reactividad entre el carboxilo y el grupo –OH y podemos ver que sucede un fenómeno en el que aparentemente tenemos concentraciones de 7 M en comparación con la reacción bimolecular. Esto se debe a que al añadir los grupos metilo, incorporamos impedimentos estéricos que reducen la posibilidad de orientación de los grupos carboxilo y –OH. En este caso, el catalizador favorece también una orientación determinada y reduce aún más la entropía.

En consecuencia, la formación del complejo ES resulta desfavorable y aún sin haber reacción, la enzima ha reducido la entropía de los reactantes. Esto es que ΔS es negativo y ΔG positivo, la reacción no es espontánea. En realidad, ΔG es negativo en presencia de la enzima a pesar que ΔS lo sea también, lo que sucede aquí es que la componente ΔH es ahora mucho más negativo, haciendo que de la ecuación resulte una ΔG negativa.  

Las enzimas (o su centro activo) son un SUMIDERO DE ENTROPÍA. Cuando el sustrato entra en el centro activo, pierde entropía a costa de las interacciones y da lugar a lo que se llama efecto ancla. Una parte del sustrato que entra en el centro activo, no entra para participar en la reacción, sino para brindar más interacciones en forma de energía para contribuir a que en el sitio donde se produce la reacción estén los reactantes congelados en posición y orientación. Se reduce la entalpía mediante interacciones favorables.

Dado que no se puede reducir la entropía en el universo, las moléculas del disolvente circundante deben compensar en términos entrópicos la reducción de entropía del sustrato y la enzima. Las moléculas de agua que interaccionan con la enzima y el sustrato están inmovilizadas y tienen menos entropía, entonces las moléculas que estaban donde hay interacción entre la enzima y el sustrato pasan a interaccionar entre ambos y se liberan las moléculas de agua que han ganado mucha más entropía. A esto se le conoce como DESOLVATACIÓN y se puede decir que la desolvatación es un motor entrópico de la catálisis.

 

CATÁLISIS COVALENTE

Es un tipo de catálisis en la que la enzima forma un enlace con alguno de los sustratos. Este enlace debe ser transitorio y cuenta como mínimo con dos etapas: la formación enlace covalente y su ruptura. La catálisis ocurre porque la ruptura del enlace puede favorecer la reacción ya que cada una de las dos etapas por separado requieren una energía de activación menor cuando ha pasado por ese intermedio covalente. Un ejemplo clásico de este tipo de catálisis es la hidrólisis de ésteres o amidas.

El agua es un reactivo muy débil y su reactividad depende de la cantidad de carga negativa que tiene el oxígeno (recordemos que la molécula de agua tiene propiedades de nucleofilia debido a que sobre el oxígeno hay una carga de electrones). La enzima (E) propone un grupo mucho más reactivo (Nu) que la molécula de agua aislada y ese grupo químico pertenece a un aminoácido localizado en el centro activo. Ese aminoácido puede ser el grupo amino de una lisina o una cisteína. La formación de este enlace covalente no da el resultado final de la reacción, pues primero se tiene que formar el estado de transición.

Este mecanismo de catálisis no está tan generalizado como el anterior, pero se suele dar en proteasas, esterasas y lipasas, entre otros. Si una enzima sigue este mecanismo, el aminoácido que realiza el ataque es uno de los aminoácidos críticos para la catálisis y eso hará que este grupo sea muy susceptible a una modificación química y por lo tanto, a ser inactivada químicamente. Si esta unión es irreversible, la inactivación de la enzima lo será también.

Hidrólisis sin enzima (arriba) vs. catálisis covalente (abajo)

CATÁLISIS ÁCIDO‐BASE

Es un mecanismo mucho más generalizado el anteriormente visto, es incluso casi tan frecuente como la catálisis por aproximación.

Este tipo de catálisis favorece la reacción cuando un grupo o grupos de la enzima actúa como ácido (A) o como base (B). Muchas de estas reacciones ocurren porque favorecen la transferencia de un protón (H+), debido a esto, los aminoácidos que juegan un papel principal en estas reacciones tienen una dependencia crítica del pH del medio. En lugar de ofrecer un grupo que actúe como un nucleófilo activo, éstas enzima activan el H2O haciéndolo más reactivo. Para que esto ocurra, un grupo actúa como base (debe estar desprotonado) captando un protón del agua, entonces el grupo –OH es mucho más reactivo que la molécula de agua, es entonces que el oxígeno tiene una distribución de carga más negativa y propensa a formar un enlace con el sustrato.

CATÁLISIS ÁCIDO‐BASE CONJUGADA

Si al mecanismo anteriormente descrito se le añade un grupo ácido del otro lado de la enzima, la formación de estos enlaces estará mucho más favorecida. La conjunta acción del grupo ácido y base estabilizará selectivamente la formación del estado de transición.

Catálisis ácido-base (arriba) y ácido-base conjugada (abajo)

CATÁLISIS POR DISTORSIÓN

Este tipo de catálisis puede darse también en conjunto con otros tipos y se está empezando a aceptar como un mecanismo común a todos los tipos de catálisis. Consiste en distorsionar el o los sustratos para que adquieran la forma del estado de transición (ET). La enzima desestabiliza al sustrato haciendo que adopte la forma del estado de transición y dicha desestabilización favorece la catálisis.

Un ejemplo de este tipo de catálisis se da en la lisozima: La enzima hidroliza el enlace glicosídico en una zona, entonces toda la cadena debe entrar en la zona análoga al estado de transición de la enzima ya que la energía requerida para la entrada de la cadena estabiliza la rotura del enlace.

Cuando se determinó la energía necesaria para la unión de una molécula de N‐acetilglucosamina, ésta era de unos ‐7 KJ/mol, al ser negativo, la formación del complejo es favorable.

Cuando se trata de un disacárido, la energía libre es de ‐14 KJ/mol y con un trisacárido es de ‐21 KJ/mol. Cada uno da ‐7 KJ más de energía. En cambio con un tetrasacárido la energía era de +13 KJ/mol, esto quiere decir que la introducción del cuarto anillo cuestan 13 + 21 KJ, esto quiere decir que hay que aportar una energía de 34 JK/mol, haciendo desfavorable esta reacción.

Si el grupo era ceto (R-CO-R’) en lugar de R-OH, la enzima funcionaba con los cuatro sustituyentes y el tetrasacárido podía unirse ya que el centro activo se ha estrechado formando un hueco complementario al estado de transición. Se trata entonces de un efecto ancla por distorsión geométrica.

Las distorsiones pueden ser de distinta naturaleza, como pueden ser electrostáticas, de desolvatación, o por alteración de los enlaces de hidrógeno. En definitiva, cualquier componente energético que favorezca la formación del estado de transición.

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