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Tema 5 CATÁLISIS ENZIMÁTICA
1. Introducción
2. Teoría del Complejo Activado” o “Teoría del
Estado de Transición
3. Perfil Energético de una Reacción Catalizada
4. Perfil energético de una Reacción enzimática
Efecto de la concentración de sustrato
5. Centro activos de las enzimas
1. Introducción: La acción catalítica
A comienzos del S. XX, Jöns Jacob Berzelius
introdujo el término catálisis y llamó
catalizadores a aquellas sustancias capaces de
aumentar la velocidad de una reacción.
Definición
Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción
química pero que no sufre alteración tras el proceso catalítico.
Pero esto no supone que el catalizador no intervenga en la
reacción química que cataliza. Todo lo contrario, en toda catálisis
la molécula de catalizador interacciona directamente con las
especies reaccionantes.
No modifica la energia libre de Gibbs ∆G
Condiciones estándar (∆Go) no modifica la constante equilibrio
Ke
2. “Teoría del Complejo Activado” o “Teoría del Estado de
Transición”
Energía libre de activación
de Gibbs
k1
S ===== P
k-1
G Trabajo máximo útil que, a presión constante, produce o consume
un sistema cuando evoluciona de un estado inicial al final
P
G
S
∆G –
Reacción exergónica
Espontánea
∆G + Reacción endergónica
P
No espontáneo
* Fundamentos básicos:
- Para que una reacción tenga lugar, el potencial químico de los
reactivos ha de ser mayor que el de los productos.
 debe haber un desprendimiento de energía libre de Gibbs
(∆G < 0).
- Para que los reactivos interaccionen entre si, se ha de formar un
complejo activado de potencial químico mayor que el de los reactivos
en su estado elemental.
- La diferencia de energía entre el estado elemental de los reactivos y el
del complejo activado es la llamada energía libre de activación de
Gibbs, (∆G≠).
Esta energía es siempre positiva  “representa la energía que debe
comunicarse a las moléculas para que pasen del estado elemental al de
transición”.
S≠
∆G
∆G≠
S
∆G
P
- Esta teoría ignora el proceso (mecanismo) por el cual las moléculas
reaccionan. Solamente se consideran los estados elementales estables de
los reactivos y productos y el estado de transición inestable.
- Se supone que todos los estados de transición se descomponen con la
misma constante de velocidad a una temperatura determinada.
* Esta constante de velocidad está representada por la frecuencia de vibración de
los enlaces que se han de romper en el estado de transición
* De todo ello deriva el nombre de velocidad absoluta de reacción. Esta constante
depende únicamente de la temperatura y es la misma para todas las reacciones
químicas.
- La frecuencia de vibración de los enlaces a una temperatura
determinada es la causante de la ruptura de los enlaces del complejo
activado
¿Cómo podemos calcular el valor mínimo de la frecuencia para que
se rompa un enlace?
La frecuencia de vibración del enlace la podemos obtener igualando:
Energía de oscilador excitado (Eν) = Energía potencial del enlace (Ep)
Eν = h ν
Ep = kBT
h ν = kBT
k BT
h constante Planck
ν
=
k cte Boltzman
h
ν Frecuencia de vibración
B
Esta frecuencia de vibración de enlace, ν, representa la
constante de velocidad universal a partir de la cual se
descomponen/rompen todos los complejos activados.
Supongamos una reacción sencilla monomolecular, una isomerización
por ejemplo:
S  P
- Según la “Teoría del estado de transición”:
S S#  P
S# dará lugar a P al descomponerse según la “constante de velocidad
universal”, ν, a una temperatura determinada.
Vreacción
− d[S]
#
=
=ν S
dt
[ ]
Por otro lado, según la Cinética,
Vreacción = k [ S]
Igualando ambas ecuaciones:
[ ]
k [ S] = ν S
#
[ ]
ν S
k=
[S]
#
Teniendo en cuenta que el S y el S# están en equilibrio, podemos definir
una constante de equilibrio de formación del complejo activado,
[ ]
ν S
k=
[S]
#
K =
#
[S ]
#
[S]
k BT #
k = νK =
K
h
#
k = νK
#
k BT
ν =
h
- Si expresamos la cte de equilibrio de activación, K#, en function de la
energía libre de Gibbs de activación:
#
∆ G = − RTLnK
#
#
k BT
k=
e
h
K# = e
− ∆ G#
RT
−∆G
RT
k valor de la constante de velocidad
o constante cinética de la reacción
S  P
- Y teniendo en cuenta que:
∆G# = ∆H# - T∆S#
k BT
k=
e
h
− ∆H
RT
#
e
∆S
R
#
Expresión que se conoce como ecuación de Eyring, que expresa el
valor de la constante de velocidad en función del incremento de la
entalpía de activación y de la entropía de activación.
* Una propiedad característica de los catalizadores es que
catalizan igualmente la reacción en sentido directo como la
reacción en sentido inverso, es decir no influyen sobre la
constante de equilibrio.
k1
S ===== P
k-1
k1 k-1
∆G
#
k1
keq =
k−1
3. Perfil Energético de una Reacción Catalizada
Reacción sin catalizar
S
≠
Reacción catalizada
∆G≠nc
SC≠
∆G≠c
S
∆G
P
Existen diferentes clases de catalizadores químicos
- Catalizadores homogéneos: La reacción catalizada se
produce por completo en una fase.
Ventaja de difusión de moléculas reactantes y catalizador
Ej. OH- Hidrólisis de ester (saponificación de
trigliceridos)
- Catalizadores heterogéneos: la reacción catalizada se
produce en una superficie entre dos fases.
Catalizador Sólidos.
Proceso adsorción Sustrato sobre zonas
Centro activos
Ventaja Especificidad
* Todas las reacciones catalizadas parecen transcurrir a través
de la formación de una “especie intermedia” formada entre el
catalizador y el sustrato.
Catálisis enzimática
-Enzimas solubles Solución.
Fluidos biológicos, citosol celular, lisosomas,vacuolas,
estroma del cloroplasto, et
-Enzimas particuladas.
Membranas plasmáticas , mitocondriales o otros
orgánulos celulares.
Peso Molecular 30-50 Kda
Metabolitos 0.2-0.4 Kda
Catálisis microheterogénea
Ventajas de la homogénea y heterogénea
Facilita la difusión
HIDROLASAS ??
Alta especificidad
4. Perfil Energético de una Reacción Enzimática
Reacción sin catalizar
S‡
Reacción catalizada
∆G‡nc
SC ‡
∆G‡c
S
∆G
P
* Hemos representado el perfil energético o coordenadas de
reacción para una reacción catalizada y no-catalizada en
general, teniendo, únicamente, en cuenta los estados inicial y
final y el estado de transición del S de acuerdo con la “Teoría del
Estado de Transición”
* Sin embargo, en el caso de una reacción catalizada por una
enzima hemos de tener en cuenta la formación del complejo-ES
(o de los complejos enzima-sustratos, si la reacción tiene más de un sustrato),
que es el que pasa al Estado de Transición, ES‡, o complejo
activo, -en una reacción que es siempre monomolecular-.
Supongamos la siguiente reacción elemental:
S <=====> P
Catalizada por la enzima, E.
- Para esta reacción enzimática podemos considerar los
siguientes pasos:
E + S <==> ES* <==> ES <==> ES# <==> EP <==> EP* <==> E + P
Estado de Transición
para la formación del
complejo-ES
Estado de Transición
de la reacción global
Estado de Transición
para la formación del
complejo-EP
ES#
ES*
E+S
ES
EP*
EP
E+P
ES#
ES*
E+S
ES
EP*
EP
E+P
De acuerdo con la anterior secuencia de reacciones, podemos
definir una serie de energías libres de Gibbs:
∆G --> Energía libre actual de la reacción S<===>P en el supuesto de
una reacción espontánea en la dirección S-->P, ∆G será negativo
ES#
ES*
E+S
ES
∆G
EP*
EP
E+P
∆Gs* --> Energía libre de activación para la formación del
complejo-ES* a partir de E libre y del S inicial.
Esta energía será siempre positiva
ES#
ES*
E+S
∆Gs*
ES
EP*
EP
E+P
∆Gp* --> Energía libre de activación para la formación del complejo-EP*
a partir de E libre y de P.
Esta energía será siempre positiva
ES#
ES*
E+S
ES
EP*
∆Gp*
EP
E+P
∆Gs --> Energía libre actual para la formación del ES
a partir de E libre y de S.
ES#
ES*
E+S
∆Gs
ES
EP*
EP
E+P
∆GT# --> Energía libre de Gibbs para la formación del complejo-ES
activado, ES#, a partir de la enzima, E, y del sustrato, S.
ES#
∆GT#
ES*
E+S
ES
EP*
EP
E+P
∆G# Energía libre de Gibbs para la formación del complejo-ES
activado, ES#, a partir del complejo-ES, (su valor es
siempre positivo), y equivale a la energía de activación.
ES#
∆G
#
ES*
E+S
ES
EP*
EP
E+P
* El valor de ∆G# marca la velocidad de reacción
ecuación de Eyring
Constante cinética de velocidad de una reacción catalizada
por una enzima
k BT
k=
e
h
− ∆ H#
RT
e
∆ S#
R
Valores de la entropia y entalpia de activación a una temperatura determinada
ΔH# Entalpia de transición es siempre positivo indica la energía que debe
entregarse a los reactantes para alcanzar el estado de transición
ΔS# Entropia de transición deberá aumentarse para catalizar la
reacción
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO SOBRE ∆G#
∆Gs = ∆G
0
S
[
ES ]
+ RT ln
[E ][S ]
Ks constante de disociación de la formación de complejo ES a partir de E y S
∆GS0 = RT ln Ks
∆Gs =
Signo
dependerá
Ks
[S ]
∆Gs =
[
ES ]
RT ln Ks + RT ln
[E ][S ]
[
Ks
ES ]
+ RT ln
RT ln
[S ]
[E ]
ES
ES>>E Substrato está en exceso
[E ]
>1
[S] >
Ks
[S ]
valor de ∆Gs
Ks
ES*
E+S
ES
∆Gs
[S] <
ES*
Ks
E+S
∆Gs
Perfiles energéticos a diferentes valores de la razón Ks/S
ES‡
∆G
E+S ES
S>Ks
ES‡
∆GT#
ES ∆G
E+S
∆Gs
∆GT#
∆Gs
S<Ks
Una enzima el poder catalítico es mayor a pequeñas concentraciones
de sustrato
Afinidad por el sustrato es elevada y la concentracion es alta, el
complejo ES cae en un pozo de potencial
5. CENTRO ACTIVO DE LAS ENZIMAS
Región de la enzima donde se une el sustrato (o sustratos)
NOTA: Este centro activo es, con frecuencia, un bolsillo o cavidad
rodeada por cadenas aminoacídicas laterales que facilitan la unión
del sustrato y por otras que participan en la catálisis.
La estructura terciaria de las enzimas hace posible que en este bolsillo se ajuste el sustrato de manera muy estrecha, lo cual
explica la extraordinaria especificidad de la catálisis enzimática.
129 aminoácidos
Centro activo
35,52,62,63 y 101
Catálisis
Glutámico 35
Aspartico 52
Enlaces no covalentes: Electrostáticos, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones
hidrofóbicas.
.
Esto es debido a la flexibilidad de la enzima para acoplarse o ajustarse al sustrato
*Emil Fischer (1894)  hipótesis de la “cerradura y la llave”
(lock and key)
Selectividad:
complementaridad
adaptabilidad
Elementos:
geometría,
H,
carga,
puentes de
etc.
Supone una rigidez en ambas estructuras no compatible con la
realidad de las moléculas de los sustratos y enzimas en solución
- Este modelo explicaba la especificidad enzimática, pero no
permitía entender la catálisis en sí, ya que una cerradura no
hace nada a su llave.
- El propio Fischer dio el primer paso para entender mejor la
catálisis,
“.. lo que se ajusta mejor al centro activo de la enzima es
una molécula de sustrato a la que se induce a adoptar una
configuración que se aproxima al estado de transición”.
- En otras palabras, la enzima no acepta simplemente al
sustrato, sino que también le obliga a que se distorsione,
tomando la forma de algo cercano al estado de transición.
En 1958 Daniel Koshland elabora y madura esta idea y propone
la hipótesis del “Ajuste Inducido” (induced fit), que
actualmente continua siendo el modelo más aceptado.
El “ajuste inducido” implica tanto la distorsión del sustrato
como de la enzima, pudiendo ser esta distorsión local o
comportar un cambio importante de la conformación molecular de
la enzima (ver p. ej. caso de la hexoquinasa).
RESUMEN
1. Catálisis enzimática se considera como catálisis micro-heterogénea.
Ventajas de difusión facilitada y especificidad del centro activo
2. Teorías de las velocidades absolutas de reacción. Todas las substancias para
reaccionar deben pasar a un estado activado.
La constante de velocidad de ruptura de enlace en el estado activado es igual a la
frecuencia de vibración de los enlaces de los enlaces en el estado de activación.
Se define una energía libre de activación de Gibbs ∆G# o energía necesaria
para alcanzar el estado activado.
3- Enzimas Rebajan la ∆G# .
Formacion del complejo ES # a partir del complejo ES. La formación del complejo
hay perdida de Entropia que es compensada por el calor de reacción ∆Hs.
El signo de energía libre de formación del complejo ES depende de la relación Ks/S
4-Centro activo un bolsillo o cavidad rodeada por cadenas aminoacídicas laterales
que facilitan la unión del sustrato y por otras que participan en la catálisis
Hipótesis del “ajuste inducido”. Los sustratos producen un ajuste inducido (cambio
conformacional) del centro activo.