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Energética enzimática
Las enzimas aceleran la velocidad de las reacciones químicas, pero no alteran las propiedades
termodinámicas de la reacción, su espontaneidad, que depende de la energía libre (ΔG).
La energía libre (G) es una propiedad termodinámica que es una medida de la energía útil (o energía
capaz de generar trabajo).
La catálisis enzimática se explica a partir del diagrama energético de la reacción, donde destacan:
- la diferencia de energía libre (ΔG) entre los productos y los reactivos
que determina si la reacción tendrá lugar espontáneamente
- la energía libre necesaria para iniciar la conversión de los reactivos en productos.
La diferencia de ΔG determina si la velocidad será espontanea o no y la energía libre para la conversión
de reactivos a productos determina la velocidad de la reacción.
LAS ENZIMAS SOLO INFLUYEN SOBRE LA VELOCIDAD EN QUE LOS REACTIVOS
PASAN A SER PRODUCTOS.
Las enzimas aceleran la velocidad de las reacciones químicas, pero no alteran las propiedades
termodinámicas de la reacción, su espontaneidad, que depende de la energía libre (ΔG).
▶ La energía libre (G) es una propiedad termodinámica que es una medida de la energía
útil (o energía capaz de generar trabajo).
▶ La catálisis enzimática se explica a partir del diagrama energético de la reacción, donde
destacan:
▶ (1) la diferencia de energía libre (ΔG) entre los productos y los reactivos determina si
la reacción tendrá lugar espontáneamente,
▶ (2) la energía libre necesaria para iniciar la conversión de los reactivos en productos.
▶ determina la velocidad de la reacción.
▶ Las enzimas solo afectan a este último
Δ G proporciona información sobre la espontaneidad del proceso (el proceso
espontaneo no necesita energía externa para desarrollarse), pero no sobre la
velocidad de una reacción
▶ Una reacción ocurre espontáneamente si Δ G es negativo.
"Espontáneamente“ significa que la reacción ocurrirá sin aporte de
energía
▶ la reacción libera energía.
▶ Reacciones exergónicas.
▶ Una reacción no ocurre espontáneamente si Δ G es positiva.
▶ Requiere aporte de energía libre
▶ Reacciones endergónicas.
En un sistema en equilibrio, no hay un cambio neto en las concentraciones de productos y reactivos
(Δ G = 0).
▶ Δ G de una reacción depende solo de la energía libre de los productos (el "estado final")
menos la energía libre de los reactivos (el estado inicial).
▶ Δ G es independiente del camino (o mecanismo molecular) de la transformación.
Espontaneidad y velocidad
Δ G para la oxidación de la glucosa:
Glucosa → CO 2 + H 2 O
Es siempre la misma ya sea que tenga lugar por combustión o por una serie de etapas catalizadas
por enzimas en una célula.
▶ Δ G no da información sobre la velocidad de una reacción.
▶ El hecho de que una reacción sea espontánea no significa que se producirá a una
velocidad perceptible.
La velocidad de una reacción depende de la energía libre de de activación (Δ G
), que es
independiente del Δ G de la reacción
Constante de equilibrio
Δ G
o (energía libre estándar de una reacción): está relacionada con la constante de equilibrio ( K )
▶ Para saber si la reacción es espontánea hay que determinar el valor de Δ G. Esto se puede
hacer determinando las concentraciones de reactivos y productos.
Δ G
o es G en condiciones estándar:
Concentración de reactivos y productos de 1,0 M (o 1 atm, para un gas) antes del inicio de la
reacción, y T = 298 K (25 °C)
▶Δ G de una reacción depende de la naturaleza de los reactantes (expresados en la Δ G
o ) y de
sus concentraciones (ln [P] / [R])
Catálisis
Se representa gráficamente la velocidad de
formación del producto contra el tiempo en
presencia y ausencia de enzima.
la cantidad de producto formado es la
misma
▶ Pero la cantidad de producto formada por
por segundo en presencia de enzima es
mayor
¿Por qué la tasa de formación del producto se
nivela con el tiempo?
Mecanismo de acción enzimática
▶Las enzimas facilitan la formación del estado de transición
▶Δ G entre los reactivos y los productos explica el equilibrio de una reacción
Las enzimas aceleran la rapidez con que se alcanza este equilibrio modificando el “camino de
la reacción”
El estado de transición es una estructura efímera (ya no es el sustrato, pero aún no es el producto).
Es "la especie menos estable y menos probable a lo largo del camino de reacción" porque es el que
tiene la energía libre más alta.
Δ G entre el estado de transición y el sustrato se llama energía libre de activación o energía de
activación, G
Energía de activación
▶ Δ G
no entra en el cálculo de Δ G final para la reacción
▶ la energía “extra” necesaria para alcanzar el ET se libera cuando
ET se convierte en el producto.
▶ Las enzimas aceleran la velocidad de reacción sin alterar la
Δ G de la reacción porque disminuyen Δ G
▶ facilitan la formación del estado de transición.
▶ La combinación de sustrato y enzima crea una ruta de reacción
cuya Δ G
es menor de lo que sería sin la enzima
▶ A menor Δ G
aumenta la proporción de moléculas que tienen la
energía necesaria para alcanzar el estado de transición
- El sitio activo ocupa una pequeña parte del volumen total de una enzima.
▶ La mayoría de los residuos de aminoácidos en una enzima no están en contacto con el sustrato
▶ Casi todas las enzimas están compuestas de más de 100 aminoácidos (masa superior a 10 kDa)
y un diámetro de más de 25 Å.
▶ Los aminoácidos "adicionales" sirven como un andamio para crear el sitio activo tridimensional.
▶ En general, los aminoácidos restantes constituyen sitios reguladores, de interacción con otras
proteínas o canales para llevar los sustratos a los sitios activos.
- Los sitios activos son microambientes únicos.
▶ En todos los enzimas de estructura conocida las moléculas del s quedan ligadas al bolsillo, es un
entorno no polar que favorece esta unión esto implica que el agua se excluye del sitio activo (a menos
que sea un reactivo). Posee residuos polares en menor proporción, estos son excepciones a la regla de
que los residuos polares se exponen al agua.
▶ El microambiente no polar del sitio activo mejora la unión de los sustratos y la catálisis.
- Los sustratos están ligados por múltiples atracciones débiles.
▶ Estas interacciones reversibles débiles se vuelven significativas solo cuando numerosos átomos
de sustrato se acercan simultáneamente a muchos átomos de la enzima.
▶ Por lo tanto, la enzima y el sustrato deberían tener formas complementarias.
- La especificidad de la unión depende de la disposición precisa de los átomos en un sitio activo.
▶ El sustrato debe tener una forma coincidente con la del sitio activo
Modelos del complejo enzima sustrato.
En una primera instancia se hablo del modelo llave- cerradura (Emil Fischer, 1890) explica la
especificidad del sitio activo por el sustrato. Luego se explico el modelo del ajuste inducido, Las
enzimas son flexibles y las formas de los sitios activos pueden modificarse notablemente mediante
la unión del sustrato (Koshland, 1958).
Los sitios activos de algunas enzimas asumen una forma que es complementaria a la del sustrato solo
después de que el sustrato ha sido unido. Proceso de reconocimiento dinámico.
Modelo llave-cerrradura ajuste inducido
Mediante la formación de un gran número de interacciones débiles entre un sustrato y su
enzima complementario se libera energía libre ( binding energy ). , que se denomina energía
de unión. O sea que frente al sustrato correcto se libera la mayor cantidad de energía, esto
justifica la especificidad E-S. Además, solo cuando el s se encuentra en el estado de transición
se genera la complementariedad total de dichas interacciones, entonces cuando el enzima
favorece la formación del estado de transición se libera este máximo de energía, esta permite
que la energía de activación disminuya. Paradójicamente la mayor interacción estable
(energía de unión máxima) tiene lugar entre el enzima y el estado de transición siendo este el
intermediario de reacción menos estable.
La dirección de dicha conversión, acumulación de P o R, está determinada solo por la
diferencia de energía entre el sustrato y el producto (G de la reacción)
Velocidad de Reacción
Su estudio se denomina cinética y para reacciones catalizadas por enzimas se denomina
cinética enzimática.
Para una Reacción sencilla la velocidad es la cantidad de A que desaparece
en una unidad de tiempo concreta, y es igual a la aparición de P, o sea es la cantidad de P que
aparece en una unidad de tiempo concreta.
Entonces la velocidad de reacción está directamente relacionada con la concentración de A,
mediante una constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad.
a)
a)Al aumentar [P] aumenta la velocidad
de la reacción opuesta.
b) El producto puede ser un inhibidor
de la reacción.
c) Al disminuir [S] decrece el grado de
saturación de la enzima.
d) Desnaturalización de la enzima.
b)bb)
b) c)
La velocidad de la catálisis aumenta linealmente a medida que aumenta la concentración del
sustrato y luego comienza a nivelarse y acercarse asintóticamente a un máximo a
concentraciones de sustrato más altas.
Modelo de Michaelis-Menten
▶ Característica fundamental de este modelo: formación de un intermediario
llamado complejo E-S.
▶ k1 es la constante de velocidad para la formación del complejo enzima-
sustrato.
▶ k2 es la constante de velocidad para la formación del producto P.
▶ k-1 y k-2 son las constantes para las respectivas reacciones inversas.
Supuestos de este modelo :
1) k-2 es despreciable (ya que trabajamos con V 0 )
2) La reacción se encuentra en estado estacionario ([ES] es constante, VfES =
VdES)
3) La Vmax se alcanza cuando todos los sitios activos de E se encuentran
ocupados, en ese momento [ES] = [E]T
Deducción de la ecuación de M-M
1) k-2 es despreciable (ya que trabajamos con Vo):
(para v=0 la formación de productos es insignificante, por lo tanto la reacción no revierte)
- La reacción se encuentra en estado estacionario ([ES] es constante, VfES = VdES)
Velocidad de formación ES = k 1 x [E] [S]
Velocidad de disociación ES:
Vd = k -1 x [ES] (hacia sustrato)
Vd = k 2 x [ES] (hacia producto Vd= k -1 [ES] + k 2 [ES]
Son magnitudes conocidas
La ecuación justifica los datos
de la grafica michaeliana, a cc
muy bajas de s, cuando s es
mucho menor que km, la
reacción es de primer orden, la
velocidad es directamente
proporcional a la cc s. cuano la
cc de s es mucho mayor que
km,vo=vmax, la velocidad es
máxima, la reacción es de
orden cero
independientemente dela cc
del s.
Km es igual a la cc del sustrato
cuando la velocidad se hace la
mitad de su valor máximo.
Km describe la afinidad del s
por la E.
Km bajo->
Km alto->
Consideremos el caso de que k -1 es mucho mayor que k 2. En estas circunstancias, el complejo ES
se disocia a E y S mucho más rápido que la formación de producto.
Bajo estas condiciones ( k -1 >> k 2 )
Esta ecuación describe la constante de disociación del complejo ES.
Cuando esta condición se cumple, KM se transforma en una medida de la fuerza de
interacción del complejo ES: un valor alto de KM indica una unión débil, un valor bajo
de KM indica una unión fuerte.
Se debe tener en cuenta que KM indica la afinidad del complejo ES solo cuando
k-1 es >> que k
I mportancia biológica de V
max
▶V
máx.
da idea del número de recambio de una enzima
▶ el número de moléculas de sustrato que una enzima puede convertir en producto por
unidad de tiempo cuando la enzima está completamente saturada con sustrato ( [ES] = [E] T
El número de recambio es igual a la constante de velocidad k2, (o kcat)
▶ kcat = k 2
= V
máx.
/ [E]
T
▶Ejemplo, una solución 10
M de anhidrasa carbónica cataliza la
formación de H 2
CO
0.6 M/s a saturación. ¿Cuál es el valor de k 2
▶Este valor es uno de los más grandes conocidos.
▶ Cada reacción catalizada tiene lugar en un tiempo igual, en promedio, 1/ k 2
, 1,7 μs para
la anhidrasa carbónica.
▶ 1/kcat = ciclo catalítico: tiempo que transcurre un ciclo catalítico.
▶Los números de recambio de la mayoría de las enzimas con sus sustratos fisiológicos caen en el
rango de 1 a 10
/s
Reacciones de desplazamiento secuencial: en una reacción de este tipo
Todos los sustratos deben unirse a la enzima antes de que se libere cualquier
producto.
Se forma un complejo ternario que consiste en la enzima y ambos sustratos.
Los mecanismos secuenciales son de dos tipos:
▶ mecanismo secuencial ordenado.
▶ mecanismo secuencial al azar.
mecanismo secuencial ordenados: el s se une al enzima en una secuencia definida,
primero de adiciona uno y luego se libera otro.
Ej: muchos enzimas que tienen como s el NAD
o NADH manifiestan un
mecanismo secuencial ordenado, mientras se oxida el NADH a NAD
, se reduce el
piruvato a lactato, por medio de la lactato deshidrogenasa.
Se une siempre la coenzima primero y el lactato se libera primero. El enzima se estructura como
un complejo ternario: primero comprende al enzima y los s y después de la catálisis, al enzima y a
los productos.
Mecanismo secuencial al azar: el orden de adición de los s y la liberación de los
productos es al azar.
Ej: creatina quinasa
Tanto la creatina como el ATP se pueden unir primero y posteriormente se puede liberar la fosfocreatina
(fuente de energía del musculo) o el ADP en cualquier orden.
Reacciones de desplazamiento doble o reacciones de ping-pong.
En estas reacciones uno o más p se liberan antes de que todos los s se unan a la enzima, su
característica definitiva es la existencia de un intermediario enzimático sustituido, en el que la
enzima se modifica temporalmente.
Ej: el enzima aspartato aminotransferasa cataliza la transferencia de un grupo amino desde el
aspartato α-cetoglutarato. Después de que el aspartato se une al enzima este separa el grupo
amino del aspartato para formar un intermediario del enzima sustituido.luego sale el primer p, el
oxalacetato. El α-cetoglutarato, el segundo s se une al enzima, acepta el grupo amino y después
libera glutamato, el p final.
Estrategias catalíticas
Algunas estrategias catalíticas son utilizadas por muchas enzimas
▶ Catálisis Covalente: el sitio activo contiene un grupo reactivo, generalmente un nucleófilo que se une
temporalmente en forma covalente al sustrato.
▶ Catálisis general ácido- base: una molécula diferente al agua desempeña el papel de un donante o aceptor
de protones.
▶ Catálisis por ion metálico: pueden funcionar catalíticamente de varias maneras.
▶ puede servir como catalizador electrofílico, estabilizando una carga negativa en un intermedio de
reacción
