Introducción a las Enzimas
Características generales de las reacciones catalizadas y de las enzimas
M. en C. Felipe Alcántara Sánchez
Fundamentos químicos de la vida
Los seres vivos cuentan con sistemaspara extraer, transformar y usar energía del ambiente
The Nobel Prize in Chemistry 1907 was awarded to Eduard Buchner "for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation".
Fosfofructocinasa 1 (PFK1) de Escherichia coliEC Number: 2.7.1.11
Enzima clave de la glucólisis.
Reacción que cataliza:
F6P + ATP <=> F1,6BP + ADP + H+
∆Gº’ = -14.2 kJ/mol
(Un valor tan negativo que la reacción es virtualmente irreversible in vivo)
PDB: 1PFK
1,6 FBP
ADP
Mg2+
Interactions for instance 1PFK:FBP:A:323Legend: black dashed lines - hydrogen bonds, salt bridges, metal interactions; green solid lines - hydrophobic interactions; green dashed lines - Pi-Pi, Pi-cationinteractions
Note: covalent bonds to proteins are not displayed.
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La función de las enzimas
• Las enzimas son catalizadores• Un catalizador aumenta la velocidad de la
reacción química sin que sufra cambios o sea consumido en el proceso general
• La mayoría de los catalizadores biológicos son proteínas llamadas enzimas (excepción, las ribozimas, son de RNA)
• La sustancia sobre la que actúan las enzimas se le llama sustrato
• Los catalizadores cambian la velocidad, pero no afectan el equilibrio de las reacciones
La teoría del estado de transición
• Una reacción pasa por varias etapas, comenzando con los reactivos aislados y terminando con los productos.
• Cada etapa tiene asociado un valor de energía (H).
• La etapa o estado con valor máximo de energía es llamado estado de transición o estado activado (S‡ ,TS, Ea según el autor)
Reacciones catalizadas
• Un catalizador disminuye la energía de activación.
• Se aumenta la fracción de moléculas que tienen suficiente energía para lograr el estado de transición.
• Esto hace que la reacción sea más rápida en ambas direcciones.
• La posición de equilibrio (cantidad de producto vs. cantidad de reactivo) no cambia con el catalizador.
• K = k1/k-1
• Ejemplo: la catalasa puede acelerar la reacción de conversión de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno por un factor de 1000000000 • Variación de la energía libre estándar: ∆Gº
• Variación de la energía libre en condiciones fisiológicas: ∆Gº’
• Energía de activación: diferencia entre el estado de energía del estado basal y el de transición ∆G‡
Velocidad de una reacción
• Dependen de:– las concentraciones de reactivos y de productos: v=k[S]
– Temperatura
– Presión
– Fuerza iónica
– pH
– La barrera energética
• La condición de equilibrio (∆Gº’) determina la dirección
• La velocidad está ligada a la energía de activación (∆G‡)
¿Cómo es que las enzimas disminuyen la energía de activación?
• Equivale a que las moléculas de reactivos:– se aproximen– se acomoden– haya deformación de las nubes electrónicas– haya rompimiento y formación de enlaces
• Un catalizador actúan por superficie y es gracias a su configuración electro-geométrica que favorece la reacción.
• La reducción de la energía de activación se logra en virtud de la interacción de unión con el sustrato
Mecanismo general de catálisis
1. El catalizador se une al sustrato en una conformación intermedia que semeja al estado de transición, pero tiene menor energía. Esto puede llevar a varios estados metaestables.
2. Los catalizadores pueden disminuir el valor negativo de la entropía que implica una orientación ordenada, al unirse a los sustratos sólo en la orientación adecuada.
Reacción general de la catálisis
enzima
sustrato
Complejo enzima-sustrato
Complejo enzima-producto
producto
Al mantener constantes
distintas condiciones y variar
las concentraciones iniciales de
los reactivos (digamos el
reactivo A), es posible encontrar
una relación directa entre la
velocidad de reacción (v) y la
concentración, expresados
mediante la fórmula:
nAkv
Fundamento de la cinética enzimática
El orden de una reacción• Es un número relacionado con cuántas
concentraciones afectan a la velocidad de una reacción.
1. Orden cero: la velocidad es independiente de la concentración
2. Primer orden: la velocidad depende de la concentración de un reactivo (...) etc.
Reacción Ecuación de
velocidad
Valor
sumado
de n
Orden de
la
reacción
)()(4)(2 2252 gOgNOgON 52ONkv 1 1º
)()()(2)( 22 gClgNOgHClgNO HClNOkv 2 2 2º
)(2)()(2)(2 222 gOHgNgHgNO 2
2HNOkv 3 3º
)()(2)(2 222 gOgNgON Au kv 0 0
Tabla 1.2. Relación entre la ecuación de velocidad y el orden de una reacción determinados experimentalmente (Mortimer, 1983)