Mecanismos Catalíticos (Apuntes del Tema 6) PDF

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Asignatura de Enzimología e Interacciones Moleculares (apuntes del profesor)...

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MECANISMOS CATALÍTICOS La catálisis es un proceso que aumenta la velocidad a la que una reacción se aproxima al equilibrio. Un catalizador actúa rebajando la energía de activación, es decir, estabiliza el estado de transición con respecto a la reacción sin catalizar. La estabilización del estado de transición se produce mediante diferentes mecanismos catalíticos: 1. Catálisis ácido-base 2. Catálisis covalente 3. Catálisis por iones metálicos 4. Catálisis electrostática 5. Efectos de proximidad y orientación 6. Fijación preferencial del complejo del estado de transición

A. Transferencia de 1 H+ desde un ácido de Bronsted (donador de protones

La catálisis ácida general es un proceso en el que la transferencia parcial de un protón desde un ácido de Bronsted (especie que puede donar protones) disminuye la energía libre del estado de transición de una reacción. Extracción de 1 H+ por acción de una base de Bronsted (captador de protones

La catálisis básica general si su velocidad aumenta debido a la abstracción parcial de un protón por una base de Bronsted (especie que se puede combinar con un protón). Catálisis ácido-base general concertada: Reacciones sujetas simultáneamente a ambos procesos. La transferencia parcial de un protón simultánea a la abstracción parcial de un protón desde el catalizador. Proceso de transferencia y extracción parcial de H+ de manera simultáne La reacción de tautomerización ceto-enol tiene lugar de manera muy lenta debido a la elevada energía de su estado de transición, tipo carbanión.

Catálisis ácida → catalizador ácido (AH) cede un protón al O de la cetona. De esta manera, reduce el carácter carboanión, bajano la energía de activación y aumentando la velocidad

La cesión de un protón al átomo de oxígeno por parte del catalizador (AH) reduce el carácter de carbanión del estado de transición aumentando la velocidad de la reacción (catálisis ácida).

La abstracción de un protón por parte de un catalizador base (B) estabiliza el carácter de carbanión del estado de transición (Catálisis básica).

Catálisis básica → un catalizador base (B) extrae un protón de la cetona para aumentar la velocidad de formación del estado de transición (forma carboanión). La estabiliza (favorece su formación)

Ejemplo de mecanismo de catálisis ácido-base

La mutarrotación de los monosacáridos es un ejemplo de mecanismo de catálisis ácido-básica. La mutarrotación es un efecto que se produce como resultado de que las formas anoméricas de algunos monosacáridos desvían con un valor diferente el plano de la luz polarizada y de que existe una interconversión entre estas formas anoméricas en disolventes acuosos. La mutarotación es una consecuencia de la formación de los anómeros de monosacáridos. En solución acuosa, desvian el plano de luz polarizada y existe una interconversión (equilibrio) entre formas anoméricas.

20 ()D : grado de desviación de luz polarizada

La 2,3,4,6-O-tetrametil--D-glucosa (un análogo de la glucosa menos polar, soluble en benceno) no tiene mutarrotación en disolventes apróticos, tales como el benceno. apolares

Aunque es posible si en un disolvente aprótico se introducen fenol (AH) o piridina (B), que son catalizadores ácido y base, respectivamente, capaces d intercambiar protones para abrir y cerrar la forma anomérica.

La mutarrotación implica abrir y cerar la forma anomérica.

Parece que es necesario abrir y cerrar la forma anomérica para que se aprecie la mutarrotación y, para que se produzcan estas reacciones es necesario que el disolvente pueda intercambiar protones con el monosacárido. Este intercambio de protones no puede producirse con el disolvente aprótido. En cambio, la mutarrotación se produce también en benceno cuando también se introducen moléculas capaces de ceder o aceptar protones como el fenol (AH) o la piridina (B). En estas condiciones

La velocidad de mutarrotación en estas condiciones sigue la ecuación: v = k[fenol][piridina ][tetrametil--O-glucosa]

Velocidad de reacción de con fenol (AH) y piridina (B)

La mutarrotación también se produce si se adiciona -piridona, molécula con grupos ácidos y básicos situados de manera que pueden catalizar la reacción simultáneamente, Alternativa → piridona (catalizador ácido y básico

La velocidad de mutarrotación catalizada por la -piridona sigue la ecuación: v = k'[-piridona][tetrametil--O-glucosa]

Velocidad de reacción con piridona (AH y B

donde k' = 7000M k. Esta constante de velocidad superior indica que la -piridona cataliza, de hecho, la mutarrotación de una manera concertada, ya que la -piridona 1M tiene el mismo efecto catalítico que unas concentraciones muy altas, imposibles de alcanzar, de fenol y piridina (por ej., fenol 70M y piridina 100M). Muchos tipos de reacciones de importancia bioquímica son susceptibles de catálisis ácida y/o básica. Entre ellas, se cuentan la hidrólisis de péptidos y de ésteres, las reacciones del grupo fosfato, tautomerizaciones y adiciones de grupos carbonilo. Las cadenas laterales de los restos de aminoácidos Asp, Glu, His, Cys, Ser, Tyr y Lys tienen valores de pK en o cerca del intervalo de pH fisiológico lo que les permite actuar de catalizadores ácidos o bases generales. Además, la capacidad de los enzimas para situar varios grupos catalíticos alrededor de sus sustratos hace que la catálisis ácido-base concertada sea un mecanismo enzimático común.

Ejemplo de catálisis ácido-base genera

RIBONUCLEASA A La ribonucleasa A de páncreas bovino (ARNasa A) es un ejemplo de catálisis ácido-base general. Enzima digestivo que hidroliza el RNA a sus nucleótidos constituyentes. El aislamiento de nucleótidos 2',3'-cíclicos, a partir de RNA digerido por ARNasa A, dió la clave para proponer un mecanismo de reacción en el que la rotura de un enlace fosfoester con un

ribosa (5-OH) permite la rotura de la cadena de ARN y promueve la formación de otro enlace fosfoester con la ribosa (2’-OH) a la que ya está enlazada con otro enlace fosfoester (2’-OH), generándose el nucelótido 2,3 cíclico.

1. Separa dos nucleótidos rompiendo el enlace fosfoéster entre la ribosa 3’ y la ribosa 5’-OH. 2. Se forma un enlace fosfoéster entre 2’ y 3’ -OH de la misma ribosa. Se genera un 2,3 cíclico.

El estudio de la velocidad de reacción catalizada por la ARNasa en función del pH permitió identificar la existencia en el centro activo de dos grupos ionizables con pKa de 5,4 y 6,4. La forma acampanada de la curva indica que a pH inferiores a 6, el estado de ionización de un grupo ionizable no es el óptimo para catalizar la reacción. De la misma manera a pH superiores a 6, el estado de ionización del otro grupo ionizable tampoco es el óptimo para catalizar la reacción. Un estudio de difracción de rayos X de la ARNasa cristalizada permitió situar en el ARNasa tiene en el centro activo 2 grupos ionizables (con pKa de 5,4 y 6,4). En función del p - pH < 6 → no óptimo para la ionización de los grupos - pH > 6 → uno de los grupos no puede ionizarse para catalizar la reacción.

En el centro activo, los 2 grupos ionizables son His 12.y His 119 - His 119 → catalizador ácido - His 12 → catalizador básico.

centro activo a dos aminoácidos ionizables que podrían presentar unos valores de pKa de 5,4 y 6,4. Se trata de dos His, la His 12 y la His 119, que actúan de manera concertada como catalizadores ácido (His 119) y base (His 12) generales.

La reacción de la ARNsa A es un proceso en dos etapas:

Etapa 1. 1) His 12 (catalizador base) extrae un H+ del grupo 2’-OH de la ribosa (RNA). 2) Esto promueve la nucleófilia de 2’-O, atacando el átomo de fósforo del grupo fosfato en 3’. 3) Mientras, la His 119 (catalizador ácido) promueve la rotura del enlace fosfoéster con el otro nucleótid

1. La His 12, actuando como una base general, abstrae un protón de un grupo 2'-OH del RNA, promoviendo de este modo su ataque nucleofílico sobre el átomo de fósforo adyacente, mientras que la His 119, actuando como un ácido general, promueve la rotura del enlace por protonación del grupo saliente.

En la etapa 1 se forma el 2,3 cíclico. His 12 promueve la formación del enlace fosfoéster 2’,3’ de la misma ribosa. His 119 promueve la salida del nucleótido adyacente.

2. El intermedio 2',3'-cíclico es hidrolizado mediante lo que, esencialmente, es el inverso de la primera etapa, con agua reemplazando al grupo saliente. Así, la His 12 actúa como un ácido general y la His 119 como una base general, dando el RNA hidrolizado y el enzima en su estado original.

Etapa 2. El agua reemplaza el grupo saliente (el nucleótido separado): 1) His 119 ahora actúa como base general = extrae un protón de una molécula de agua = aumenta la nucleofília del agua como grupo atacante. 2) H2O → grupo OH- ataca el fósforo. Como consecuencia, se rompe el enlace fosfoéster con 2’-OH de la ribosa. 3) La His 12 ahora actúa como ácido general = dona un H+ al 2’-OH de la ribosa para recuperar el grupo hidroxilo. De esta forma, se genera el RNA hidrolizado y se recupera la enzima.

B. CA

La formación transitoria de un enlace covalente entre el enzima y el sustrato hace aumentar la velocidad de reacción.

La catálisis covalente supone aceleración de la velocidad de reacción a través de la formación transitoria de un enlace covalente entre el enzima y el sustrato. Ejemplo

La descarboxilación del acetoacetato, catalizada químicamente por aminas primarias, constituye un ejemplo de tal proceso. Descarboxilación Proceso lento debido a la alta E necesaria para formar el enolato

El acetoacetato se descarboxila dando lugar a un intermediario de alta energía (enolato) que evoluciona al producto final acetona. La descarboxilación es un proceso lento debido a la elevada energía de activación necesaria para producir el intermediario enolato. La introducción de aminas primarias acelera este proceso de reacción al formarse una imina entre el acetoacetato y la amina que reduce el carácter de enolato de alta energía del intermediario. En el primer paso de esta reacción, en el que la amina ataca nucleofílicamente el grupo carbonilo del acetoacetato, formando una base de Schiff (enlace imino), es a su vez catalizado por ácidos y bases. Al mismo tiempo que la reacción está catalizada por aminas primarias, intervienen otros catalizadores ácidos y básicos.

La primera reacción de la catálisis se produce entre el acetoacetato y la amina: El grupo amina (-NH2) con excedente de electrones propicia un ataque nucleofílico sobre el carbono carbonílico (el catalizador es nucleofílico), centro con un cierto defecto de electrones debido a la polarización del enlace C=O.

1. Grupo NH2 tiene un par de e- que utiliza para atacar (Nu-) al C carbonílico del acetoacetato (E+ por la polarización del enlace C=O). Al mismo tiempo, una base coge un H de la amina para aumentar su nucleofília.

El resultado es la formación de una imina, que en el caso del acetoacetato esta imina tiene facilidad para perder un grupo carboxílico debido al efecto de abstracción de electrones por parte del N+ del catalizador (el catalizador ahora es electrofílico), dando lugar a un intermediario enamina, más estable.

Enamina

En el caso del acetoacetato, la imina formada con el acetoacetato y el amina tiene tendencia a perder un grupo COOH debido al efecto de abstracción de la N+ del catalizador amina. Como resultado, transforma la imina en enamina = mucho más estable.

El siguiente paso es la protonación de la enamina generando una nueva imina que, revirtiendo el primer paso del proceso, genera el otro producto de la reacción (acetona) y regenera el catalizador (RNH2). La catálisis covalente tiene tanto pasos nucleofílicos como electrofílicos . La catálisis covalente se puede descomponer conceptualmente en dos pasos: 1. La reacción nucleofílica entre el catalizador y el sustrato para formar un enlace covalente. 2. La eliminación de electrones del centro de reacción por el catalizador que, ahora, es electrofílico. Si la fase nucleofílica es limitante de la velocidad = catálisis nucleofílica Si la fase electrofílixa es limitante de la velocidad = catálisis electrofílica

Los mecanismos de reacción se clasifican en catálisis nucleofílica o catálisis electrofílica, según cuál de estos efectos cataliza la etapa determinante de velocidad (la etapa más lenta). La descarboxilación del acetoacetato catalizada por aminas primarias es, claramente, una reacción catalizada electrofílicamente ya que su fase nucleofílica, formación de la base de Schiff, no es la etapa limitante de velocidad. Cuando la catálisis es nucleofílica es decir, cuando la formación del enlace covalente es la etapa determinante de velocidad de una reacción catalizada covalentemente, la velocidad de - Velocidad de reacción tiende a aumentar con la basicidad del catalizador covalente (pK) - La nucleofilia de una sustancia = relacionada con su basicidad. - Cuanto más nucleófilo = más rápido será el ataque = más aumenta la velocidad de reacción.

reacción tiende a aumentar con la basicidad del catalizador covalente (pK) dado que la nucleofilicidad de una sustancia está estrechamente relacionada con su basicidad. Un aspecto importante de la catálisis covalente es que cuanto más estable sea el enlace formado, menos fácilmente se descompondrá en las etapas finales de la reacción. Un buen catalizador combinar, tanto, lalas Por tanto, el covalente catalizador debe covalente tiene quepor combinar alta aparentemente nucleofilidad y lacontradictorias capacidad de formar un buen grupo saliente para revertir el paso de formación de enlace covalente y , formar el producto. revertir fácilmente el paso de formación del enlace. Los grupos con elevado grado de polarización (electrones muy móviles), tales como las funciones amina, imidazol y tiol, poseen estas propiedades y de ahí que sean buenos catalizadores covalentes. Buenos catalizadores covalentes

Las cadenas laterales de ciertos aminoácidos (Lys, His, Cys, Ser, Asp, Glu) y los coenzimas pueden servir como catalizadores covalentes. Los mecanismos descritos anteriormente para los coenzimas son ejemplos de catálisis covalente.

C. CA Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren la presencia de iones metálicos para su actividad catalítica. Existen dos clases de enzimas que requieren iones metálicos, que pueden distinguirse según la fuerza de sus interacciones ion-proteína: se distinguen por la fuerza de interaccion ion-proteína

1. Los metaloenzimas contienen iones metálicos fuertemente unidos, normalmente iones de metales de transición, tales como Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ o C0 3+. 2. Los fijan débilmente iones metálicos presentes en una solución, normalmente iones metálicos alcalinos o alcalino-térreos Na+, K+, Mg2+ o Ca2+. Los iones metálicos participan en el proceso catalítico de tres modos principales: Los iones participan en la catálisis de tres maneras diferentes

1. Fijándose a sus tratos, de modo que los orientan adecuadamente para la reacción. 2. Facilitando reacciones de oxidación-reducción, mediante cambios reversibles en el estado de oxidación del ion metálico.

3. Estabilizando o apantallando electrostáticamente las cargas negativas. Como ejemplo, los verdaderos sustratos de las quinasas (enzimas transferidores de fosforilo que utilizan ATP) son complejos Mg2+-ATP. Las cargas positivas del Mg2+ apantallan las cargas negativas de los fosfato, permitiendo el acceso de agentes nucleofílicos (exceso de electrones) que atacan el fósforo (centro nucleofílico). Las cargas tenderían a repeler los pares electrónicos de los nucleófilos atacantes, especialmente los que tienen carácter aniónico.

Los iones metálicos promueven la catálisis mediante estabilización de carga. La descarboxilación del dimetiloxaloacetato, catalizada por iones metálicos como Cu2+ y Ni2+, es un ejemplo no enzimático de catálisis por iones metálicos:

El ion metálico (Mn+), que es quelado por el dimetiloxaloacetato, estabiliza electrostáticamente el ion enolato que aparece en el estado de transición. Este mecanismo está respaldado por la observación de que el acetoacetato, que no puede formar un quelato parecido, no está sujeto a descarboxilación catalizada por ion metálico.

Muchos enzimas que descarboxilan el oxaloacetato requieren un ion metálico. Los iones metálicos promueven la catálisis nucleofílica mediante ionización del agua. La carga de un ion metálico hace que las moléculas de agua ligadas sean más ácidas que el H20 libre siendo, por tanto, una fuente de iones OH-, incluso por debajo de pH neutro. El grupo hidroxilo resultante unido al ión metálico es un nucleótido potente. La carga del ión metálico acidifica las moléculas de agua (genera OH- a pH neutro La unión de OH con el ión es un fuerte nucleófilo.

Por ejemplo, la molécula de agua del complejo de coordinación (NH3)5Co3+(H20) se ioniza según la reacción:

tiene un pK de 6.6, lo que es unas 9 unidades por debajo del pK del H20. Un ejemplo de este mecanismo catalítico es el caso de la carbónico anhidrasa, un enzima que cataliza la reacción:

La carbónico anhidrasa contiene un ion Zn2+ esencial, que está involucrado en el mecanismo catalítico del enzima de la manera siguiente: 1. La estructura cristalina de la carbónico anhidrasa humana demuestra que su Zn2+ está coordinado tetraédricamente por tres (evolutivamente invariables) cadenas laterales de His y una molécula de H20. Esta H2O polarizada por el Zn2+ se ioniza, en un proceso facilitado por catálisis básica general por el Glu 106 o el Glu 117.

Un átomo de Zn2+ está coordinado por 3 His y 1 H2O. El agua coordinado se ioniza por catálisis básica donde actuan Glu 108 o Glu 117. El OH- generado (y ligado al Zn2+) ataca un CO2 próximo a la enzima para formar HCO3-.

2. El OH- resultante, ligado al Zn2+, ataca nucleofílicamente el CO2 próximo unido al enzima, convirtiéndolo así en HCO3-.

3. El sitio catalítico se regenera por la fijación e ionización de otra H2O al Zn2+, posiblemente antes de que salga el ion HCO3 -, de manera que se forma transitoriamente un complejo de Zn2+ pentacoordinado.

D. CA La fijación de un sustrato produce generalmente la exclusión de agua del sitio activo del enzima. La constante dieléctrica local del sitio activo se parece, por tanto, a la de un disolvente orgánico en el que las interacciones electrostáticas son mucho más fuertes que las que tienen lugar en solución acuosa. El hecho que el agua tenga una constante dieléctrica alta hace que la interacción entre las cargas eléctricas entre iones sea más débil. La exclusión de agua del centra activo incrementa la fuerza de interacción entre cargas eléctricas. Así por ejemplo, los valores de pK de las cadenas laterales de aminoácidos pueden desplazarse varias unidades de sus valores nominales, debido a la exclusión de agua del centro activo y a la proximidad de grupos cargados. Recordar por ejemplo los valores de pK de la His12 y de la His 119 de la ARNasa, que siendo la misma cadena lateral presentan valores diferentes.

Aunque las pruebas experimentales y los análisis teóricos sobre el tema son aún escasos, cada vez hay más indicios de que la distribución de las cargas en el sitio activo de los enzimas está ordenada de modo que estabilice el estado de transición de las reacciones catalizadas. Además, en varios enzima s, esta distribución de cargas sirve aparentemente para guiar sustratos polares hacia sus sitios de fijación, de modo que la velocidad de estas reacciones enzimáticas es mayor que sus límites aparentes de control por difusión.

E.

.

Los efectos de proximidad y orientación sobre la catálisis son obvios: los reactivos han de entrar en contacto con la relación espacial adecuada para que tenga lugar la reacción. Por ejemplo, en la reacción bimolecular entre el im...