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Proteínas ENZIMAS. CATALIZADORES. ¿Que es un catalizador?. ¿Que es un catalizador?. “ Un catalizador es un compuesto que aumenta la velocidadde una reacción química sin ser destruido o incorporado al producto ” (IUPAC). Ejemplo:. Reacciones unimoleculares.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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prote nas enzimas
Proteínas ENZIMAS

CATALIZADORES

¿Que es un catalizador?

que es un catalizador
¿Que es un catalizador?

“Un catalizador es un compuesto que aumenta la velocidadde una reacción química sin ser destruido o incorporado al producto” (IUPAC)

  • Ejemplo:
reacciones unimoleculares
Reacciones unimoleculares

¿Cómo se define la velocidad de reacción?

¿De qué depende?

¿Cuánto vale?

¿Cómo y cuando se calcula?

¿Qué unidades tiene?

Tres casos

Molar

0 .01 .02 .03

S → P

0 10 20 30

minutos

pendiente de la tangente a la curva = -D[S]/Dt

slide6

El Plegamiento proporciona un “andamio” que permite a ciertos aminoácidos (catalíticos) estar en la posición espacial adecuada para llevar acabo su función, además, genera un medio ambiente adecuado para la captura de los sustratos.

slide7

La posición espacial relativa de los elementos catalíticos se mantiene aunque la secuencia de aminoácidos cambie.

slide8

TIM barrels

Cholinesterase

Dienelactone hidrolase

Lipase/Cutinase

Thioestearase

Serine Carboxypeptidase

Prolyl Imino/Oligo peptidase

Bromoperoxidase

Haloalkane dehalogenase

Fluoroacetate dehalogenase

Epoxide hydrolase

Hydroxynitrile lyase

C-C Hydrolase

2,4-Dioxygenase

Amilasa

slide9

Flexibilidad: La “tapa” del sitio activo de algunas enzimas presenta mobilidad.

  • Sitios Alostéricos: Otros sitios pueden activar a la proteína desde regiones alejadas del sitio activo.
  • Cambios conformacionales: pueden suceder al unir un sustrato.

Glucocinasa

Glucosamina 6-Fosfato-desaminasa

slide10

- Aminoácidos catalíticos: Son los involucrados en la función.

    • Están directamente involucrados en la catálisis.
    • Ejercen un efecto en otro residuo o molécula de agua que está directamente relacionado con la catálisis.
    • Estabilizan el estado de transición.
    • Ejercen algún efecto en el sustrato o cofactor que ayuda a la catálisis.

El tamaño de una enzima en relación con su función

- Aminoácidos del sitio activo no catalíticos: Participan en el reconocimiento del sustrato y lo colocan en la orientación correcta.

slide11

Sitio Activo de la Tiamina Fosfato Sintasa

Aminoácidos del sitio activo no catalíticos que estabilizan al Pirofosfato.

Aminoácidos catalíticos Arg59, Ser130, Lys 159

Mg++

Aminoácidos del sitio activo no catalíticos que estabilizan a los sustratos.

slide12

Lipases catalyse the hydrolysis of triglycerides:

The active site of lipases contain 3 essential amino acids:

asp, his and ser.

Lipases have ~250 other amino acid residues. Why?

Tripeptide asp-his-ser enhances the hydrolysis rate of triglycerides by a factor 2-10; lipases by a factor 108-1012

How do they do that?

why are lipases such active enzymes
Why are lipases such active enzymes?
  • Exact alignment of the asp, his and ser side chains
  • Stabilisation of the intermediate C-O
  • Ensure the correct charges @ asp, his and ser
  • Stabilise against proteolysis and denaturation
slide14

La triada catalítica SER-HIS-ASP

Serin-proteasa de Bacillus lentus

slide20

Conclusiones:

- Los aminoácidos mayoritariamente catalíticos son histidina, cisteina, ácido glutámico, ácido aspártico, arginina, lisina.

- Están muy poco expuestos al solvente, a pesar de su polaridad.

- Casi todos están formando puentes de hidrógeno.

- Tienen una movilidad muy baja en comparación con los demás aminoácidos.

- La función de un aminoácido catalítico es estabilizar un intermediario del estado de transición, actuar como nucleófilo o ser donador o aceptor de protones.

slide23

Catálisis: Leyes Generales de la Catálisis

  • Catalizadores biológicos
  • Velocidades más elevadas de reacción
  • Condiciones de reacción mas suaves
  • Mayor especifidad de reacción
  • Capacidad para la regulación
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Sin

enzima

Energía de activación

(sin enzima)

Energía de activación

(con enzima)

Nivel de energía

Con

enzima

Productos

Reactivos

slide25

(S) C12H22O13 + H2O

(G) C6H12O6 + (F) C6H12O6

reaction equations and reaction rate
Reaction equations and reaction rate

1

Ea(1)

A reaction like A  B

may run via route 1;

the rate is determined by the

magnitude of Ea(1)

Alternatively, the reaction runs via an intermediate, like 2.

The rate is determined by the slowest step (= the one with the highest Ea).

Alternatively, the reaction can run via more intermediates, like 3

2

E

3

A

B

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Features of a catalyst:

Makes an alternative reaction path in which less activation energy is needed.

Equally increases the rate of the back and forth reaction reaction  catalysis has no effect on equilibrium position!

k1

S P

k--1

v = k1 S – k-1P

v = 0 = k1 Seq – k-1Peq

k1/k-1 = Peq/Seq = Keq

Keq = k1/k-1

k1= 10 min-1

k-1 = 10-1 min-1

k1= 10-3 min-1

k-1 = 10-5 min-1

Enzimática

No Enzimática

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¿POR QUE SUCEDE UNA REACCIÓN?

  • Teoría de las colisiones.
  • En gas y líquidos, frecuencias muy altas:
  • A(g) + B(g) @ 1 Atm y 25 C
  • 1028 colisiones /seg cm3
  • A
  • A + B menor frecuencia
  • A+B+C de colisiones
  • Explica la proporcionalidad entre velocidad y concentración
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Arrhenius (1889) Sólo las que alcanzan cierto nivel de energía.

  • Las activadas o exitadas; sólo las que adquieren…..
  • T E cinéticavelocidad choques
  • de las moléculas
  • v a S
  • v = kS
  • v = kS n
  • Donde k es la constante de velocidad de reacción y n es el orden de la reacción.
  • Orden y molecularidad: ¿es lo mismo? ¿Unidades de la constante de velocidad?
  • Pero es obvio que no todas las que chocan reaccionan: ¿porqué?
slide32

Example: hydrolysis of alkyl bromides

R-Br + OH–R-OH + Br– (SN2 reaction)

Reaction takes place by collision of the particles RBr and OH–, implying that the reaction rate is directly proportional to [RBr] and [OH–].

Alternative:

These are the most common reaction situations:

- bimolecular: 2 particles collide and react

- monomolecular: 1 particle dissociates or reacts

v = k (R-Br)(OH-)

v = k1(R-Br)

k2 + R-Br

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T1

T2

Moléculas

Energía de activación

Energía Cinética

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k = A e-DG++/RT

ln k = ln A – DG++

RT

Las energía de activación (DG++)

de las reacciones enzimáticas son del orden

de 6000 a 15,000 cal/mol

Las energía de desactivación o desnaturalización (DG++)

de activación una enzima son del orden

de 50,000 a 150,000 cal/mol (a bajas temperaturas

son estables pero al aumentar la T rápidamente se

desactivan.

k

slide35

¿En cuanto aumenta la velocidad de reacción del proceso de

Descomposición del peróxido de hidrógeno,

H2O2 H2O + O2

si la energía de activación de la reacción natural es

de 76 KJ/mol, mientras que la reacción con catalasa es de

30 KJ/mol?

Si una reacción tiene una energía de activación de 6,000 cal/mol

y otra de 60,000 cal/mol ¿Cómo influye en cada una de ellas el

aumento de la temperatura? (cada 10oC)

slide36

Velocidad relativa

6,000 cal/mol

Velocidad relativa

60,000 cal/mol

Temperatura (oC)

1

79.4

126,000

1 x 108

3.6 x 1010

1

1.55

3.24

6.31

11.4

-10

0

20

40

60

determination of reaction rates
Determination of reaction rates

Determination of the concentration of a compound (substrate, product), as a function of time.

The method used depends on the properties of the compound.

  • Chromatography
    • Example:
slide39

GC analysis of the esterification of racemic menthol with vinyl acetate, catalysed by Candida rugosa lipase, in diisopropyl ether as the solvent. I.S., internal standard (decane). An enantioselective GC column is used, so the enantiomers are separated. There is only one product peak because the reaction is stereoselective.

slide40

Another example: the chlorination of barbituric acid (1) by chloroperoxidase from Caldariomyces fumago

slide41

UV spectroscopy

    • Example: chlorination of 1 by chloroperoxidase

Can be done quantitatively through Lambert-Beer’s law: A = e.c.d

slide42

IR spectroscopy

    • Example: oxime formation

Problem: not quantitative

  • Polarimetry (only for chiral compounds)
    • Example: hydrolysis of sucrose:

C12H22O11 + H2OC6H12O6 + C6H12O6

sucrose + water glucose + fructose

[a]D20 = +66,5° [a]D20 = +52° [a]D20 = –92° (together [a]D20 = –40°)

Can be done quantitatively

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Titration

    • Example: ester hydrolysis

Ester + water  acid + alcohol

Excellent for quantitative measurements; hooked up to computer.

ml base added vs time; slope = reaction rate

slide44

EC 1 . _ . _ . _

EC 2 . _ . _ . _

EC 3 . _ . _ . _

EC 4 . _ . _ . _

EC 5 . _ . _ . _

EC 6 . _ . _ . _

¿Que tipo de reacciones catalizan?

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1ª Ley de la Termodinámica:

La energía total de un sistema y sus alrededores es constante

DE = Ef – Ei = Q(calor absorbido- W (trabajo realizado)

por el sistema)

DE = DH - P DV En sistemas biológicos DV=0 DE = DH

La entalpía es una medida del contenido de calor de una sustancia. Cada sustancia pura posee entalpía, o sea, una cierta cantidad de energía asociada en un estado particular de P y T

Es la energía que puede ser transferida en forma de calor cuando el proceso se realiza a presión constante.

Lo que puede determinarse es el cambio en el contenido de calor de las substancias: DH = H (final) – H (inicial) Los signos matemáticos aplicados a los cambios en entalpía se interpretan como sigue:

DH positivo; se añade calor al sistema (proceso endotérmico)

DH negativo; el sistema libera calor (proceso exotérmico)

Por lo general, los valores de DH se reportan a 25oC y 1 atmósfera de presión. Esto es lo que se conoce como un estado a condiciones estándar y se representa por el símbolo DHo.

El calor de reacción es el cambio en entalpía asociado a esa reacción y equivale a:

DHo reacción = SH productos – SH reactivos

NO SON CRITRIOS DE ESPONTANEIDAD

ES UN PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN.

Es energía potencial que se libera al transformar sustratos en productos.

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Reacciones endotérmicas

X*

DHd < 0

DHa > 0

Activación endotérmica

Producto

DHr > 0

Sustrato

slide48

DHr < 0 exotérmico

DHa > 0 activación endotérmica

DHd < 0 exotérmico

DHr = DHa - DHd

Reacciones exotérmicas

X*

DHd < 0

Sustrato

DHa > 0

Activación endotérmica

DHr < 0

Producto

DHr > 0 endotérmico

DHr < 0 exotérmico

Pero no es un criterio de espontaneidad de la reacción: La ley que prescribe la dirección del flujo de energía es la segunda ley de termodinámica.

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El Concepto de Entropía

  • Una definición amplia de entropía es que ésta es una medida del grado de desorden de un sistema. Esto se puede interpretar también en términos de probabilidad: un estado de desorden es más probable que un estado ordenado.
  • El caso de la caja de canicas blancas y la de canicas negras. El calor no fluye entre dos objetos a menos que estén a diferentes temperaturas.
  • DS univ = DS sistema + DS alrededores
  • Si DS univ > 0 El sistema procede de manera espontánea del estado “a” al estado “b”. La entropía del universo tiende a aumentar
  • Si DS univ = 0 El sistema está en equilibrio y no se moverá de ahí espontáneamente.
  • Si DS univ < 0 El sistema procede espontáneamente pero en la dirección inversa, es decir de “b” a “a”
  • Una reacción ocurre por la tendencia a buscar un estado de mínima energía y por la tendencia a buscar aumentar el desorden.
slide50

El Concepto de Energía Libre

El DHr es el cambio de energía que acompaña a una reacción –medida por calorimetría-.

¿Cuál es la máxima cantidad de energía que podemos extraer de la reacción? La Energía disponible: DG reacción

Si DG > DH o DG < DH ¿se cumple la primera ley?

1878 Gibbs: Una nueva función que resulta de la 1a y la 2a leyes:

DG = DH – TDS

El cambio de energía = cambio de energía – cambio de energía

Libre (a P y T ctes) total de organización

eg. AgNO3 + HCl AgCl (s) + HNO3

(los sólidos tienen una estructura más ordenada)

DH= -15.7 Kcal/mol

DG= -13.2 Kcal/mol

DH - DG = -2.5 Kcal/mol

Esta es energía que no puede usarse para generar trabajo, pues no esta disponible; es usada para aumentar el orden: TDS (el cambio de entropía

en el proceso es negativo)

slide51

Si DS > 0 mayor desorden DG < DH(aporte entrópico a la energía disponible)

Si DS < 0 mayor orden DG > DH(consumo de energía para ordenamiento)

Es la combinación de DG y DH lo que determina la espontaneidad

Criterio de espontaneidad:

DG < 0 proceso espontáneo

DG = 0 proceso en equilibrio

DG < 0 proceso no espontáneo

Para una reacción A + B C + D

en cualquier momento:

DG = DGo + RT ln [C][D]/[A][B]

donde: DGo es la energía libre estandar (pH 7, 1atm, 25oC) y función de la naturaleza

de los reactivos.

En el equilibrio: DG = 0 de donde:DGo = - RT ln [C]eq[D]eq/[A]eq[B]eq

DGo = - RT ln Keq

slide52

DGo

Kcal/mol KJ/mol Keq

6.82 28.53 10-5

4.09 17.11 10-3

1.36 5.69 10-1

0.0 0.0 1

-1.36 -5.69 10

-4.09 -17.11 103

-6.82 -28.53 105

slide56

Catálisis ácido-básica

  • La catálisis ácida general consiste en la transferencia de un protón desde un residuo de la enzima, que se comporta como un ácido de Bronsted, al sustrato o intermediarios de la reacción, disminuyéndose así la energía libre del estado de transición
  • La catálisis básica general consiste en la transferencia de un protón desde el sustrato o intermediarios de la reacción a un residuo de la enzima, que se comporta como una base de Bronsted, disminuyéndose así la energía libre del estado de transición
  • Si se dan ambos tipos de catálisis se tiene una catálisis ácido-básica concertada

Tautomerización ceto-enol

Muchas reacciones de importancia bioquimica son suceptibles a catálisis ácido/ base: hidrólisis de peptidos y de ésteres, del grupo fosfato, tautomerizaciones, adiciones de grupos carbonilo….

  • Sin catalizar
  • B)Catális ácida general
  • Catális básica general
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Catálisis electrostática

  • Ocurre cuando la enzima estabiliza intermediarios o estados de transición de la reacción por neutralización de cargas gracias a la disposición espacial en el sitio activo de residuos con carga opuesta
  • En otros casos la distribución de cargas en el sitio activo sirve para guiar a sustratos cargados o polares a sus sitios de unión
  • Es llevada a cabo por metaloenzimas que contienen iones metálicos fuertemente unidos ( metales de transición como Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ o Co3+) o por enzimas activadas por metal que fijan débilmente a los inoes metálicos en solución (iónes metálicos alcalinos como Na+, K+, Mg2+ o Ca2+)
  • La funcion de los iones metálicos en la catálisis enzimática es
    • Mediar reacciones de óxido-reducción
    • Unir y orientar de los sustratos
    • Estabilizar cargas negativas
    • Promover la catálisis nucleofílica mediante la ionización del agua
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Sitio activo de la anhidrasa carbónica humana. La flecha apunta hacia la cavidad del sitio activo

Las moléculas ligadas

de agua, tienen un carácter mas ácido.

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Catálisis covalente

  • En este caso se incrementa la velocidad de la reacción por la formación transitoria de un enlace covalente entre un residuo de aminoácido de la enzima y el sustrato.
  • La catálisis covalente consiste en tres estadíos sucesivos:
    • Ataque nucleofílico de la enzima sobre el sustrato (formación del enlace covalente)
    • Toma de electrones por el catalizador u otro sustrato (formación del producto)
    • Separación del producto de la enzima (ruptura del enlace covalente, generalmente por hidrólisis)
slide62

El más importante:

Catálisis a través de la fijación de un estado de transición a

la enzima, con mayor afinidad a la enzima que el sustrato o

el producto.

En conjunción con los mecanismos antes descritos.

La enzima distorsiona al sustrato hasta llevarlo a la geometría

del estado de transición, en la que no encajaría el sustrato sin

distorcionar.

resumen sobre las estrategias de las enzimas como catalizadores
Resumen sobre las estrategias de las enzimas como catalizadores

Reducen la energía de activación de la reacción.

  • Optimizan la posición de los residuos catalíticos respecto al sustrato.
  • Promueven la proximidad entre reactantes.
  • Desestabilizan los estados basales.
  • Estabilizan el estado de transición.
what kinds of catalysts are there around
What kinds of catalysts are there around?
  • Organic
  • Inorganic
  • Biological (biocatalyst)

Other way of subdivision:

  • Homogeneous = freely dissolved in solution
    • organic catalyst
    • organometallic complex
    • enzyme in water
  • Heterogeneous = solid, in liquid or gaseous environment
    • inorganic catalyst (e.g. zeolite)
    • immobilised enzyme
    • enzyme in an organic solvent