TIPOS
DE CATÁLISIS ENZIMÁTICA
-Catálisis
electrostática
Las cargas positivas y negativas pueden
ser estabilizadas por la presencia de iones del signo contrario en un proceso
que se denomina catálisis
electrostática. La estabilización puede ser por residuos en el sitio
activo de la formación de enlaces iónicos con el intermediario, estos enlaces
pueden venir de cadenas laterales ácidas o básicas presentes en aminoácidos como arginina, lisina o acido
glutámico o venir de cofactores metálicos como el Zinc, siendo estos últimos
más eficaces pues pueden reducir el pKa del agua lo suficiente para volverlo un
efectivo nucleófilo.
Para lograr
eso, en el momento que un substrato se une al enzima, el agua es usualmente
excluida del sitio activo causando que la constante dieléctrica disminuya, con
valores similares a la de un solvente orgánico, dando como resultado que las
interacciones electrostáticas aumenten significativamente. La distribución de
cargas en estos medios puede tener gran efecto en la reactividad química y por
tanto, en la velocidad de las reacciones. [1]
A pesar de que
la evidencia experimental y teórica es muy escasa en este tema, hay indicios
que demuestran que las distribuciones de cargas cerca de los sitios activos
ayudan a estabilizar los estados de transición de las reacciones catalizadas,
este modo de incremento de velocidad se asemeja a la forma de catálisis por
iones metálicos, además, en varios enzimas, estas distribuciones de cargas
sirven para guiar los substratos polares hacia sus lugares de unión, de modo
que la velocidad de las reacciones es mayor a que si fueran controladas por
difusión. [2]
Un ejemplo de
esto es la Carboxipeptidasa que en su C.A. presenta un átomo de Zn cuya misión
es la de polarizar en enlace C=O con sus dos cargas positivas, lo que genera
una atracción muy significativa de los electrones del oxígeno, que a su vez
arrastrará a los del doble enlace, haciendo más electrofílico al carbono para
que actúe con más facilidad en agua como nucleófilo. [3]
-
Catálisis por efecto de la aproximación y orientación.
La combinación de los
factores de proximidad y orientación favorable de los sustratos sobre el centro
activo explica por sí misma los incrementos de velocidad observados en algunas
reacciones catalizadas enzimáticamente. Sin embargo, los enzimas todavía pueden
utilizar la energía de fijación de un modo adicional para producir catálisis, a
saber, provocando en la(s) molécula(s) de sustrato una distorsión favorable
para que se alcance con prontitud el estado de transición.
Si bien las enzimas emplean
mecanismos catalíticos que se asemejan a los de las reacciones con modelo
orgánico, desde el punto de vista
catalítico son mucho más eficaces que estos modelos.
Esta eficacia debe
originarse en las condiciones físicas específicas en los sitios catalíticos de
la enzima que estimulan las reacciones químicas correspondientes. Los efectos
más obvios son proximidad y orientación; para que una reacción se produzca, los
reactantes deben tener la relación espacial adecuada.
a) La
proximidad sola contribuye relativamente poco a la catálisis
Estas reacciones aumenta la velocidad de la
reacción como las interacciones enzima-sustrato alinean grupos químicos
reactivos y los mantienen juntos. Esto reduce la entropía de los reactivos y
por lo tanto hace que las reacciones tales como las ligaduras o reacciones de
adición sean más favorables, hay una reducción en la pérdida total de la
entropía cuando dos reactivos se convierten en un solo producto.
Este efecto es análogo a un incremento
efectivo en la concentración de los reactivos. La unión de los reactivos de la
enzima da el carácter reacción intramolecular, lo que da un aumento de la tasa
masiva.
Sin embargo, la situación puede ser más
compleja, ya que los estudios computacionales modernos han establecido que los
ejemplos tradicionales de los efectos de proximidad no sepueden relacionar
directamente con los efectos entrópicos de las. También se ha encontrado la propuesta original entrópica
a sobreestimar en gran medida la contribución de la orientación de la entropía
a la catálisis.
b) Los
reactantes orientados de manera adecuada y la detención de sus movimientos
relativos pueden producir grandes intensificaciones de la velocidad catalítica.
El efecto de orientación tiene en cuenta
la orientación/disposición
espacial de las sustancias reaccionantes, es decir de la enzima (centro activo)
y del sustrato(s). Koshland,
tras el estudio detallado de estos efectos, llegó a la conclusión de que, en el
caso de las enzimas, son éstas, las enzimas, las que orientan y aproximan los
grupos reactivos, pero que además hay que tener en cuentaun tercer efecto. Koshland parte de la hipótesis de
que, además de los efectos de orientación
y aproximación de los grupos
reactivos, existe otro efecto, más fino,
consistente en la orientación de los
orbitales electrónicos de los grupos reaccionantes, permitiendo un solapamiento máximo entre ellos. Con
modelos sacados de la Química Orgánica, Koshland estudió el efecto de
aproximación de una serie de reacciones de esterificación intramoleculares.
Koshland,
observó que la velocidad de reacción era diferente según las posibilidades de
giro que tenían los grupos reactivos de la molécula. La velocidad de reacción era mayor (è la reacción está favorecida) a medida que disminuía el número de
orientaciones posibles, es decir a medida que disminuían los grados de
libertad, Ante estos datos Koshland dedujo que además de los efectos de
orientación general y acercamiento, -que están presentes en todas las
reacciones intramoleculares- debía haber otro efecto de orientación debido a la
limitación de giro de los grupos
reaccionantes. Todo esto hizo proponer a Koshland la siguiente hipótesis para
una reacción enzimática (catalizada por una enzima).
Según Koshlandla eficiencia catalítica de las enzimas
depende de su habilidad, no sólo para atraer y yuxtaponer los grupos
reaccionantes, sino también de orientar los orbitales, de los átomos
implicados, de manera tal que el solapamiento es máximo. La enzima
favorece este tipo de solapamiento, orientando los correspondientes orbitales.
[4]
-Catálisis
por fijación preferencial del estado de transición
En esencia, los enzimas
catalizan las reacciones mediante la estabilización de los estados de
transición que son las especies químicas de energía más alta generadas con las
reacciones. Con esta estabilización selectiva de un estado de transición, un
enzima determina cuál de las distintas reacciones químicas potenciales va a
tener lugar.
Las intensificaciones de la
velocidad efectuadas por las enzimas a menudo son mayores que las que pueden
considerarse por los mecanismos catalíticos descritos hasta ahora. Sin embargo,
aún no consideramos unos de los mecanismos más importantes de la catálisis
enzimática: la fijación del estado de transición a una enzima con afinidad
mayor que los sustratos o productos correspondientes. Cuando se consideran
junto con los mecanismos catalíticos descritos antes, la fijación preferencial
del estado de transición racionaliza las velocidades observadas de las
reacciones enzimáticas.
El concepto original de
fijación del estado de transición propuso que las enzimas fuerzan en forma
mecánica a sus sustratos hacia la geometría del estado de transición a través
de los sitios de unión en los que los sustratos sin distorsión no encajan de manera
adecuada. Este es el denominado mecanismo de potro (de estiramiento “rack”, en
analogía con el dispositivo de tortura medieval) basado en la evidencia extensa
del papel de la tensión en la estimulación de las reacciones orgánicas. Por
ejemplo, la velocidad de la reacción,
Es 315 veces más rápida
cuando R es CH3 en lugar de H, debido a las repulsiones estéricas
mayores entre los grupos CH3 y los grupos reactantes. De manera
similar, las reacciones de apertura de los anillos son considerablemente más
fáciles para los anillos con tensión como ciclopropano que para los anillos sin
tensión como el ciclohexano.
En cualquier proceso, el reactante
con tensión se asemeja más al estado de transición de la reacción con el
reactante correspondiente sin tensión. Así, como lo sugirió por primera vez
Linus Pauling y luego ampliaron Richard Wolfenden y Gustav Lienhard, las
interacciones que fijan en forma preferencial el estado de transición
incrementan su concentración y por consiguiente aumentan de manera proporcional
la velocidad de la reacción. [5]
Ecuación
del estado de transición
Los enzimas aceleran las reacciones
estabilizando los estados de transición.
Una reacción química que transforma el
sustrato S en producto P transcurre a través de un estado de transición S‡
que tiene mayor energía libre que S o P.
|
V
|
|
K‡
|
El
estado de transición corresponde a la especie molecular que dura menos tiempo
en la reacción, debido a que presenta la mayor energía libre. La energía libre
de activación de Gibbs, simbolizada por ∆G‡, es igual a la
diferencia en energía libre entre el estado de transición y el sustrato. El
símbolo (‡) indica una cantidad termodinámica del estado de transición.
∆G‡=
GS‡-GS
La
velocidad de reacción V es proporcional a la concentración de S‡, que depende
de ∆G‡, porque está en equilibrio con S.
[S‡]= [S]e-∆G‡/RT
V= v[S‡] =
[S]e-∆G‡/RT
En estas ecuaciones k es la
constante de Boltzmann y h es la constante de Planck.
Análogos
de estado de transición
Los químicos a menudo
aprovechan el conocimiento del estado de transición de una reacción catalizada
por enzima para diseñar y crear
inhibidores de enzima más eficaces, llamados análogos de estado de transición,
como farmacóforos potenciales.
La racemización de la
prolina tiene lugar a través de un
estado de transición en el que el átomo de carbono α tetraédrico se convierte
en trigonal por la pérdida de un protón. En esta forma trigonal, sus tres
enlaces están en el mismo plano; Cα también posee una carga neta
negativa este carboanión simétrico puede desprotonarse tanto por un lado, para
originar el isómero L, como por el otro lado, originando el isómero D. este
supuesto se confirmo cuando se comprobó que el pirrol-2-carboxilato se une a la
racemasa con una fuerza 160 veces mayor que la propia prolina. El carbono α de
este inhibidor es trigonal como el del estado de transición. Se podría esperar
que cualquier análogo que tuviera una carga negativa en el Cα fuera
capaz de unirse mas fuertemente aun, pero no ha sido posible sintetizar ningún
compuesto de este tipo que resultase estable. En general, se pueden producir
inhibidores de enzimas con alta potencia y especificidad mediante la síntesis
de compuestos semejantes al estado de transición que sufre el sustrato. El
poder de inhibición de los análogos del estado de transición hace evidente la
esencia misma de la catálisis: la unión selectiva del estado de transición a la
enzima. [6]
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