Tema-6.
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Tema-6. MECANISMOS DE ACCIÓN ENZIMÁTICA. 1.- Efectos energéticos. 2.- Efectos entrópicos. 3.- Efectos de orientación y proximidad. 4.- Efectos del anclaje de los Sustratos sobre la Enzima. Factores responsables de la eficiencia catalítica.

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1.- Efectos energéticos

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Presentation Transcript


1 efectos energ ticos

Tema-6. MECANISMOS DE ACCIN ENZIMTICA

1.- Efectos energticos

2.- Efectos entrpicos

3.- Efectos de orientacin y proximidad

4.- Efectos del anclaje de los Sustratos sobre la Enzima


1 efectos energ ticos

Factores responsables de la eficiencia cataltica

* Sabemos que las enzimas actan estabilizando el estado de transicin del complejo-ES, y que esto tiene como consecuencia la disminucin de la energa de activacin.

G

S#

Reaccin sin catalizar

Reaccin catalizada

G#nc

S

SC #

G#c

P

G

  • cmo consiguen esto?,

  • Protenas en solucin bajen la G#

  • Factores de incremento de velocidad del orden de 1010 a 1020


1 efectos energ ticos

Ec. de Eyring:

- Recordemos:

G# = H#-TS#

Entrpia de activacin

Entlpia de activacin

1.- Efectos energticos

v = k (ES)

La constante de velocidad, k, puede aumentarse disminuyendo el valor de la energa libre de activacin de Gibbs, G#

.

k aumenta la velocidad de reaccin, v v = f(k)


1 efectos energ ticos

- la disminucin de la variacin de entalpa de activacin, o calor de reaccin, H#, conducir a la disminucin de G#=> aumento de la velocidad de reaccin.

DG# = DH# - TDS#,

- el aumento de la variacin de la entropa de activacin, S#, conducir, tambin, a la disminucin de G, => aumento de la velocidad de reaccin.

DG# = DH#- TDS#

Todo ello esta de acuerdo con la estabilizacin del estado de transicin en la enzima o por la enzima.

* Las enzimas estabilizan el estado de transicin de los sustratos de la reaccin por interacciones de sus centros activos con los sustratos en el estado de transicin.


1 efectos energ ticos

Los centros activos de las enzimas, generalmente, estn formados por unas bolsas o hendiduras apolares que envuelven a los sustratos.

- En este microambiente apolar la cte. dielctrica es mucho menor que en un medio acuoso.

Las interacciones electrostticas entre la Ey el S en el estado de transicin, en este ambiente, ser mayor, ya que, de acuerdo con la Ley de Coulomb, las fuerzas atractivas o repulsivas son inversamente proporcionales a la constante dielctrica del medio.

eH2O = 80 eapolar = 2 - 4

F (1/e)

Esta estabilizacin por interacciones electrostticas del centro activo, teniendo en cuenta otros factores, podra explica factores multiplicativos del orden de 108


Lisozima

Lisozima

Glicosidasa hidroliza peptido-glicanos

Interacciones electrostticas rebajan Energa de estabilizacin

42,0 a 25kJ/mol velocidad incrementa 103


2 efectos entr picos

2.- Efectos entrpicos

Provocando una ganancia de la entropa DS#

Aumento de la concentracin efectiva de sustratos

Reaccin intramolecular

ES ES#

A+B C+D Reaccin intermolecular

A-R-B C+D Reaccin intramolecular

Factor multiplicativo de la velocidad

Velocidad en presencia de catalizador se ha multiplicado por un factor

Concentracin de sustrato se hubiese multiplicado por ese factor

Reacciones intramoleculares hay elevadas concentraciones efectivas de sustrato.

Las concentraciones efectivas de substrato se explican en trminos de entropa.


1 efectos energ ticos

Reaccin intermolecular la formacin del complejo Entropa

A+B C+D Reaccin intermolecular

Entropa Translacional (Tres dimensiones del espacio)

Depende de la concentracin no de la masa 120-150 J K-1 mol-1

Entropa Rotacional (Molcula )

Depende de la masa del orden 120-150 J K-1 mol-1

Entropia Rotacional (Grupos de la molcula)

Menor contribucin 0,4-14 J K-1 mol-1

Entropa vibracional (tomos de la molcula)

Menor contribucin 13-21 J K-1 mol-1

Cuando las molculas se unen hay una prdida de de entropa translacional y rotacional

Las reacciones intermoleculares desfavorecidas respecto a reacciones intramoleculares.


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular: Enzimtica

ES ES#

E + S ES

Paso previo formacin del complejo ES

Reaccin intramolecular

Componente entlpico puede ser negativo, aqu el entrpico es negativo

Calor de reaccin que se desprende;

Interacciones no covalentes, electrostticas, hidrobbicas, etc

Reacciones enzimticas tienen lugar en el interior enzimas donde sustratos y residuos de aminocidos reactivos del centro activo forman parte de un mismo complejo, como una misma molcula

Conclusin: No hay perdidas de grados de libertad Hay ganancia entrpica

Ganancia comparativa en el sentido que no ha habido disminucin entrpica


1 efectos energ ticos

3.- Efectos de orientacin y proximidad

El efecto de aproximacin tiene en cuenta la aproximacin o cercana de los grupos reactivos.

El efecto de orientacin tiene en cuenta la orientacin/disposicin espacial de las sustancias reaccionantes, es decir de la enzima (centro activo) y del sustrato(s).

Efecto de orientacin de los orbitales

Procesos relacionados con la entropa de activacin


1 efectos energ ticos

Efecto de aproximacin

v2 = k2()

AB

Supongamos la siguiente reaccin intermolecular:

k1 <======>

A + BC

v1 = k1 (A) (B)

Supongamos ahora que la reaccin es intramolecular:

k2 <======>

AB

C

k2 > k1, esto es lgico, ya que los grupos reaccionantes estn ms prximos y por tanto la probabilidad de encontrarse y reaccionar ser mayor.

Pero cuantas veces puede llegar a ser mayor k2 que k1?


1 efectos energ ticos

Consideremos la reaccin:

k1 A + B C

- En el caso en que [A] >> [B], la reaccin que era de segundo orden se transforma en una de pseudo-primer orden

- En estas condiciones, podemos suponer que cada molcula de B est rodeada por molculas de A mximo caso favorable de acercamiento

v1 = k1 (A) (B) = kobs (B)

Donde: kobs = k1 (A)

Pero cual es la mxima concentracin de A que podemos utilizar?


1 efectos energ ticos

Utilizar A como disolvente de B concentracin crtica

k2 = k1 (A)critica

Luego,

kobs = k1 (A)critica

Si ahora suponemos, kobs = k2

De donde deducimos que .

k2/k1 = (A)critica

Veamos ahora, cul es la concentracin crtica deA, [A]critica, es decir cuanto puede valer.


1 efectos energ ticos

Supongamos una reaccin de hidrlisis un substrato es agua

Mayor concentracin de agua en agua es de :

(H2O)critica = 1000 dH2O/PM = (1000 x 1)/18 = 55,55 M

- Lo que nos indica que los efectos de aproximacin, como mximo, nos podran explicar razones k2/k1, del orden de 5 x 101, y que para facilitar calculos podriamos benebolamente redondear a 102.

que el factor de proximidad solo explicaraincrementos de hasta102.


1 efectos energ ticos

+

El efecto de orientacin:orientacin/disposicin espacial de las sustancias reaccionantes.

Analicemos el siguiente modelo relacionado con la orientacin y la aproximacin:

No hay reaccin mala orientacin


1 efectos energ ticos

+

Bien orientado y proximidad adecuada

- Alineados pero no bien orientados

- Bien orientado pero no suficientemente aproximado


1 efectos energ ticos

Efecto de orientacin

C-X

C-X

N:

N-C + X

d-

d+

N:

N-C + X

N:

:N

Supongamos el caso de un ataque nucleoflico:

- No todas las direcciones de acercamiento (o ataque) son igualmente favorables => existen orientaciones preferentes.

ngulo slido


1 efectos energ ticos

A grosso modo El factor multiplicativo lo podemos definir como = 360/

Si = 3,6, el factor multiplicativo --> 100 (102) que el factor de orientacin solo explicaraincrementos de hasta 102.

!Aun estamos muy lejos de 1012 -1018

* As pues, teniendo en cuenta los efectos de orientacin y de aproximacin estaramos en condiciones de explicar/justificar incrementos de velocidad del orden de .

104

Muy lejos todava de los valores observados experimentalmente, 108 -1018.


1 efectos energ ticos

Efecto de orientacin de los orbitales.

El efecto debido a la orientacin de los orbitales de los tomos reaccionantes: Orbital steering effect.

Koshland, tras el estudio detallado de estos efectos, lleg a la conclusin de que, en el caso de las enzimas, son stas, las enzimas, las que orientan y aproximan los grupos reactivos, pero que adems hay que tener en cuentaun tercer efecto.

Koshland parte de la hiptesis de que, adems de los efectos de orientacin y aproximacin de los grupos reactivos, existe otro efecto, ms fino, consistente en la orientacin de los orbitales electrnicos de los grupos reaccionantes, permitiendo un solapamiento mximo entre ellos.

Con modelos sacado de la Qumica Orgnica, Koshland estudi el efecto de aproximacin de una serie de reacciones de esterificacin intramoleculares.


1 efectos energ ticos

Sustratos libres


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular pero con libertad de giro


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular pero con menos libertad de giro


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular pero con menos libertad de giro


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular pero con MENOS libertad de giro


1 efectos energ ticos

Reaccin intramolecular pero con MENOS libertad de giro


1 efectos energ ticos

Sustratos libres

Reaccin intramolecular pero con libertad de giro

Idem pero con menos libertad de giro

Idem pero con menos libertad de giro

Idem pero con MENOS libertad de giro

Idem pero con MENOS libertad de giro


1 efectos energ ticos

- Koshland, observ que la velocidad de reaccin era diferente segn las posibilidades de giro que tenan los grupos reactivos de la molcula.

- La velocidad de reaccin era mayor ( la reaccin est favorecida) a medida que disminua el nmero de orientaciones posibles,

, es decir a medida que disminuan los grados de libertad.

- Ante estos datos Koshland dedujo que adems de los efectos de orientacin general y acercamiento, -que estn presentes en todas las reacciones intramoleculares- deba haber otro efecto de orientacin debido a la limitacin de giro de los grupos reaccionantes.

- Todo esto hizo proponer a Koshland la siguiente hiptesis para una reaccin enzimtica (catalizada por una enzima).


1 efectos energ ticos

La enzima favorece este tipo de solapamiento, orientando los correspondientes orbitales.

Segn Koshland la eficiencia cataltica de las enzimas depende de su habilidad, no slo para atraer y yuxtaponer los grupos reaccionantes, sino tambin de orientar los orbitales, de los tomos implicados, de manera tal que el solapamiento es mximo.


1 efectos energ ticos

Chequeo y critica de la Teora de Koshland

O

S

105

108

Cunto, cmo de fina ha de ser esta orientacin de orbitales?

- Esta orientacin orbital es tan fina que basta que haya una pequea desviacin en la orientacin de los orbitales, para que el efecto sea mucho menos eficaz, es decir, para que la velocidad de reaccin sea mucho menor.

- Para probar esto, se estudi la misma secuencia de reacciones de esterificacin anteriormente indicadas, en las que se sustituy el grupo -OH por un grupo -SH

Qu implica esto?


1 efectos energ ticos

- Comparando las velocidades de reaccin de lactamizacin con las de tiolactamizacin, se observa que en todos los casos la velocidad de tiolactamizacin es significativamente menor, de 102 - 104 veces, dependiendo de cada reaccin.


1 efectos energ ticos

- As pues, la orientacin de orbitales puede explicar aumentos de velocidad de reaccin, hasta del orden de107, que conjuntamente con los efectos de orientaciny aproximacin nos permiten justificar valores del orden de ..

1011


1 efectos energ ticos

*Critica de Bruice

- La crtica se basa, fundamentalmente, en el calculo del grado de orientacin de los orbitales para explicar los rdenes de incremento de velocidad de reaccin mayores, p. ej., > 103)

- Segn la Teora de la orientacin de los orbitales, la orientacin debe ser tan fina, que bastara una desviacin de 0,1 para que la reaccin no tuviera lugar a esas altas velocidades.

- Esto hace suponer que los orbitales son sumamente rgidos

- Calculando la rigidez de los orbitales, Bruice lleg a la conclusin de que para que se cumpla la Teora de Koshland los orbitales deberan ser unas 100 veces ms rgidos de lo que son, segn la propia Teora de los O. M.


1 efectos energ ticos

- La vibracin trmica de los orbitales, ya por s, es de 5

* Todo lo anterior nos est indicando que la Teora de Koshlan de la Orientacin de los Orbitales no es del todo correcta y necesitamos darle algunos retoque o desarrollar otras teoras.


1 efectos energ ticos

4.- Efectos del anclaje de los Sustratos sobre la Enzima

Reuben, propuso nueva teora, la Teora del Anchoring o Teora del anclaje.Reuben. PNAS 68, 563 (1971)

La Teora de Reuben se basa en el tiempo de colisin de los sustratos que van a reaccionar

-El tiempo de colisin entre dos partculas en solucin acuosa es sumamente pequeo, del orden de 10-11 a10-12 segundos.

- Sin embargo, en presencia de una enzima, el tiempo de residencia de los sustratos sobre la enzima, es sensiblemente mayor del orden de 10-4 a 10-7 segundos,.

- Estos valores del tiempo de residencia, pueden utilizarse para explicar el aumento de la velocidad de reaccin:


1 efectos energ ticos

La probabilidad de que tenga lugar la reaccin viene dada por:

P = 1 - e-w t

t --> tiempo de choque

w --> una cte que depende de la naturaleza de la reaccin

P e 1 - e-we te ------- = -----------------

P 1 - e-w t

- Suponiendo que: i) we = w, ya que el tipo de reaccin es el mismo, ii) tc y tnc <<< 1

- Desarrollando en serie los trminos exponenciales tenemos

Pc 1 - 1 we tete ------- = ---------------------- = ------ Pnc 1 - 1 w tt


1 efectos energ ticos

-Lo que nos est diciendo que la probabilidad de choque eficiente es proporcional a los tiempos de colisin.

Con otras palabras, la probabilidad de reaccin, y por tanto la velocidad de reaccin, es directamente proporcional al tiempo de choque o residencia.

As, para la siguiente reaccin: Alcohol-DH Acetona + NADH + H+ <=========> Etanol + NAD+

EnzimaTiempo de residenciaVelocidad de reaccin ADH-Higado-buey3,20 ms3,5 105 moles s-1 ADH-levadura0,002 ms 5,0 102 moles s-1

- Estos datos experimentales apoyan la validez de la Teora del Anchoring o del Anclaje.

- Actualmente sabemos, que adems de estos factores, tambin debemos considerar otros, que bien, de una manera independiente, o en sinergia, pueden contribuir a la catlisis.


1 efectos energ ticos

- Actualmente, se piensa que lo que hace que una reaccin enzimtica sea tan rpida en comparacin con la misma reaccin no catalizada, o catalizada por un catalizador qumico, es en realidad un compendio de efectos que actan de manera sinrgica:

  • efectos de proximidad y orientacin - efecto de orientacin de orbitales - incremento de tiempo de anclaje

ESTABILIZACIN COMPLEJO ACTIVADO:

AUMENTANDO S#Y DISMINUYENDO H#


1 efectos energ ticos

RESUMEN

Mecanismo de la accin enzimtica se explica por la estabilizacin del estado de Transicin.

Varios efectos coinciden en la accin enzimtica.

a) El centro activo de la enzima se encuentra en el interior de la protena de naturaleza apolar. Tiene como consecuencia que las interacciones electrostticas entre los residuos de los aminocidos y los substratos sean ms fuerte.

b) El Paso del complejo ES a ES #favorecido entropicamente al ser una reaccin intramolecular.

c) Las enzimas se aproximan a los reactantes y posiblemente orienten los orbitales de los grupos que van a reaccionar.

d) Las enzimas aumentan el tiempo de residencia de los subtratos reacionantes faboreciendo la probabilidad de choques eficaces.


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