Mecanismos
de las Enzimas
Los mecanismos enzimáticos individuales se han deducidomediante una diversidad de métodos, que incluyen experimentos cinéticos, estudios
estructurales de proteínas y análisis de reacciones con modelos no enzimáticos. Los resultados
de esos estudios indican que la extraordinaria capacidad catalítica de las enzimas
se debe a propiedades físicas y químicas sencillas, especialmente el enlazamiento
y la colocación adecuada de los sustratos en los sitios activos de las enzimas. Se han
combinado la química, la física y la bioquímica para esclarecer gran parte del misterio
de las enzimas, y la tecnología del ADN recombinante ahora permite probar las teorías
propuestas por los químicos de enzimas.
El mecanismo de una reacción es una descripción detallada de los eventos moleculares,
atómicos e incluso subatómicos que suceden durante la reacción. Deben identificarse
los reactivos, los productos y todos los compuestos intermedios. Para determinar el mecanismo
de una reacción se usan varias técnicas de laboratorio. Por ejemplo, al utilizar
reactivos marcados con isótopos se puede seguir la trayectoria de los átomos individuales.
Los mecanismos enzimáticos se representan con el mismo simbolismo que el usado
en química orgánica para representar la ruptura y la formación de enlaces químicos. El
movimiento de los electrones es la clave para comprender las reacciones químicas (y enzimáticas).
1. Sustituciones nucleofílicas
Muchas reacciones químicas tienen compuestos intermedios iónicos. Hay dos tipos de
intermedios iónicos: unas especies son ricas en electrones o nucleofílicas, y otras especies
son pobres en electrones, o electrofílicas . Un nucleófilo tiene una carga
negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca
al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica.
En la química mecanicista, el movimiento de un par de electrones se representa con una
flecha curva que apunta desde los electrones disponibles en el nucleófilo hacia el centro
electrofílico. Estos diagramas de “empuje de electrones” representan la ruptura de un
enlace covalente existente, o la formación de un nuevo enlace covalente. En general, el
mecanismo de una reacción implica un compuesto intermedio. Por ejemplo, la transferencia
de un grupo acilo se puede representar con el mecanismo general siguiente:
Serina proteasa usan este mecanismo
2. Reacción de ruptura
Los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado. En la mayor parte de las reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que se forman un intermedio iónico y un grupo
saliente.
Por ejemplo, la ruptura de un enlace C—H casi siempre produce dos iones.
• Si el átomo de carbono retiene ambos electrones, el compuesto que lo contiene
se transforma en un carbanión.
• Si el átomo de carbono pierde ambos electrones, el compuesto que lo contiene
se transforma en un ion catiónico llamado carbocatión.
• Si un electrón se queda con cada producto y se forman dos radicales libres.
3. Reacciones de oxido-reducción (reacción redox)
Son reacciones que ocurren de manera simultanea. Un sustrato de
oxida y el otro se reduce.
Oxidación: es la perdida de electrones, una sustancia que se oxidatendrá menos electrones cuando se termine la reacción.
Reducción: es la ganancia de electrones, una sustancia que gane
electrones en una reacción es reducida.
Agente oxidante: Se reducen
Agente reductos: Se oxidan
Modos químicos de la catálisis enzimática
A. Residuos polares de aminoácidos en sitios activos
La cavidad del sitio activo en una enzima en general está cubierta con residuos hidrofóbicosde aminoácidos. Sin embargo, también en el sitio activo hay unos pocos residuos
polares, ionizables (con algunas moléculas de agua). Los residuos polares de aminoácidos
(o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática.
Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.
La tabla 6.1 muestra una lista de los residuos ionizables encontrados en los sitios
activos de las enzimas. La histidina, cuyo pKa aproximado es de 6 a 7 en las proteínas, es
con frecuencia un aceptor o un donador de protones. El aspartato, el glutamato y a veces
la lisina también pueden participar en la transferencia de un protón. Ciertos aminoácidos,
como la serina y la cisteína, intervienen con frecuencia en reacciones de transferencia
de un grupo. A pH neutro, el aspartato y el glutamato suelen tener cargas negativas.
B. Catálisis ácido-base
En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica
de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en
química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que
la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones
en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde
intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general.
(La catálisis por H u OH se llama catálisis ácida específica, o catálisis básica específica).
De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una
solución de ácido o base.
Conviene usar B: para representar a una base o aceptador de protón, y BH para
representar su ácido conjugado, un donador de protón. (Este par ácido-base también
puede escribirse en la forma HA/A ). Un aceptor de protón puede ayudar a las reacciones
en dos formas. Puede romper los enlaces O—H, N—H, incluso algunos C—H, quitando
a un protón.
BH+
Puede catalizar la ruptura de un enlace donando un protón a un átomo (R--OH)
Haciendo que sean mas lábiles los enlaces de estos átomos.
C. Catálisis covalente
Se une un sustrato en forma covalente a la E y se forma un compuesto
intermediario reactivo
• Acoplamiento de dos reacciones diferentes.
• Un 20% de las enzimas emplean esta catálisis (para demostrar el mecanismo
enzimático seguido se debe detectar el compuesto intermediario). Ej. Cinética
de ping-pong
La cadena lateral del aa que reacciona en la enzima puede ser un nucleofili o
un electrófilo.
A---X + E------------- X---E + A
X---E + B------------- B---X + E
Sacarosa + Pi -----------------1-fosfato de glucosa + Fructosa
Sacarosa + Enzima------------- Glucosilo-Enzima + Fructosa
Glucosilo-Enzima + Pi ----------Glucosa 1-fosfato + Enzima
D. Influencia del pH sobre las velocidades de reacción
enzimática.
El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuosionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar
una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la
catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato. Con mayor frecuencia, una
gráfica de velocidad de reacción contra pH es una curva con forma de campana, siempre
que la enzima no se desnaturalice cuando se altere el pH. Un buen ejemplo es el perfil de
pH-velocidad para la papaína, una proteasa aislada del fruto de la papaya (figura 6.4).
Cuando el pH óptimo, a la
mitad entre los dos
valores de pKa, la mayor
cantidad de molecula de
enzima esta en forma
activa, con el RA
protonado.
La curva acampanada de pH-velocidad se puede explicar suponiendo que la parte ascendente
de la curva representa la desprotonación de un residuo de aminoácido en el sitio activo
(B), y la parte descendente representa la desprotonación de un segundo residuo de
aminoácido en el sitio activo (A). Los dos puntos de inflexión indican en forma aproximada
los valores de pKa de los dos residuos ionizables. Una curva en forma de campana simple
es el resultado de dos titulaciones traslapadas. La cadena lateral de A (RA) debe
protonarse para tener actividad, y la cadena lateral de B (RB) se debe desprotonar.
Reacciones controladas por
difusión
Unas pocas enzimas catalizan reacciones a velocidades que se aproximen al límite físicosuperior de las reacciones en solución. Este límite superior teórico es la velocidad de
difusión de los reactivos cercanos uno a otro. Una reacción que se produce con cada
choque entre moléculas de reactivos se llama reacción controlada por difusión. Bajo
condiciones fisiológicas, se ha calculado que la velocidad controlada por difusiones es
de 108 a 109 M–1 s–1. La frecuencia de encuentros puede ser mayor si hay atracción electrostática
entre los reactivos. Las constantes de velocidad aparentes de segundo orden
(kcat/Km) para cinco enzimas muy rápidas se indican en la tabla 6.4.
La unión de un sustrato a una enzima es una reacción rápida. Si el resto de la reacción
es sencillo y rápido, el paso de enlazamiento puede ser el paso que determine la velocidad,
y la velocidad total de la reacción podrá acercarse al límite superior para la catálisis.
Sólo hay pocos tipos de reacciones químicas que pueden avanzar tan rápido. Entre ellas
están las reacciones de asociación, algunas transferencias de protones y transferencias
de electrones. Las reacciones catalizadas por todas las enzimas de la tabla 6.4 son tan
sencillas que los pasos que determinan la velocidad son aproximadamente tan rápidos
como el enlazamiento de los sustratos con las enzimas. Ahora se verán con detalle dos
de esas enzimas: triosa fosfato isomerasa y superóxido dismutasa.
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