Biopolímero s (4831)

Transcripción

1 Biopolímero s (4831) 4.3. Conceptos de catálisis química Ejemplos de tipos de catálisis. Aplicación a la catálisis enzimática Los iones metálicos como catalizadores Como se dijo anteriormente los campos positivos de los iones metálicos pueden estabilizar cargas negativas generadas en un estado de transición favorenciendo así la reactividad de los compuestos. Este es el caso del Zn 2+ en carboxipeptidasas que cataliza la hidrólisis de enlaces amida (figura anterior). Por una parte, el Zn 2+ está coordinado con el oxígeno carbonílico, lo que produce una polarización del enlace, y posteriormente estabiliza la carga negativa generada sobre el oxígeno en el estado de transición. Los estudios realizados con reacciones modelo de este tipo estiman un aumento de la velocidad de reacción del orden de Por otra parte, las moléculas de agua coordinadas con metales se ionizan mucho mejor que el agua no coordinada. Por ejemplo el complejo de cobalto [(NH 3 )CoH 2 O] 3+ se ioniza a [(NH 3 )CoHO] 2+ con un pka 6'6, nueve unidades por debajo de lo que lo hace el H 2 O. Por tanto los cationes metálicos acomplejados con agua son una fuente de iones hidroxilo altamente reactivos. La anhidrasa carbónica utiliza este último mecanismo en su estrategia catalítica. Este enzima cataliza la hidratación del CO 2 a HCO 3 -. Esta enzima es una metaloenzima de Zn 2+, el catión está coordinado con los nitrógenos de tres histidinas y con una molécula de agua que se ioniza con un pka de 7. Este hidroxilo activado es el que realiza el ataque nucleófilo sobre el carbono ( posiblemente también el catión polarice el oxígeno carbonílico)

2 Catálisis Covalente Recibe el nombre de catálisis covalente aquella en donde el catalizador no sólo estabiliza energéticamente el Complejo Activado, ya sea esta por formación de enlaces de hidrógeno, neutralización del campo eléctrico, etc., sino que además el sustrato se ve modificado transitoriamente por formación de enlace covalente con el catalizador( realmente se cambia el camino de la reacción) para dar lugar a un intermedio de reacción muy reactivo. Dependiendo del tipo de reacción implicada en la formación del enlace covalente sustrato-catalizador, la catálisis covalente puede ser nucleófila y electrófila. En los siguientes párrafos se dan algunas ideas y ejemplos de este tipo de catálisis de especial relevancia en la catálisis enzimática. Catálisis Nucleófila Una reacción muy extendida en los sistemas biológicos es la transferencia de grupos acilo, por ejemplo en la hidrólisis de péptidos, la cual constituye un ejemplo de catálisis nucleófila. En el esquema de la izquierda se da el mecanismo para la hidrólisis del anhidrido acético a ácido acético catalizada por piridina. Los estudios de estructura-reactividad (efecto de grupos electroatrayentes y electrodonantes) han aportado mucha información sobre la distribución de carga en el estado de transición de las reacciones de ataque nucleófilo sobre grupos carbonilos, concretamente, en las reacciones de ataque de nucleófilos sobre ésteres se ha demostrado experimentalmente que (1) la velocidad de esta reacción aumenta con el poder electroatrayente de la parte acílica (el CHCl 2 CO 2 Et es más reactivo que el CH 3 CO 2 Et), (2) la velocidad también aumenta con el poder electroatrayente del

3 grupo saliente (el acetato de p-nitrofenilo es más reactivo que el acetato de fenilo) y (3) que el aumento en la basicidad del nucleófilo atacante (electrodonación) aumenta también la velocidad de reacción. La siguiente figura ilustra este último hecho y muestra la variación de las constantes de velocidad de la hidrólisis de un ester en función de la nucleofilicidad del catalizador. La variación del logaritmo de la constante de velocidad de la reacción de hidrólisis del acetato de paranitrofenilo con el pk del catalizador nucleófilo (en este caso aminas, SC es semicarbazida) es una relación lineal y constituye otro ejemplo de LFER. Una variación también lineal, pero de signo contrario, puede encontrarse en la reacción de hidrólisis de esteres cuando se representa el logaritmo de la velocidad de reacción frente al pka de los grupos salientes. La relación de LFER entre la constante de velocidad y el pk en este tipo de catálisis recibe el nombre de ecuación de Brönsted: log k 2 = log k 0 + β pka Los hechos experimentales anteriormente expuestos, indican la existencia, en este tipo de reacciones, de un complejo activado con generación de una cierta carga negativa sobre el sustrato, ya que los grupos que estabilizan cargas negativas aumentan la velocidad de reacción y una disminución de la carga sobre el nucleófilo ya que se aumenta la velocidad de reacción con el aumento de su capacidad electrodonadora. Estos hechos son compatibles con complejos activados como los que se presentan a continuación.

4 En el primero de ellos el paso limitante de la reacción sería la formación del intermedio tetraédrico, mientras que en el segundo el paso limitante es la rotura. En la relación de Brönsted de la catálisis covalente, el signo y la magnitud de β es indicativo del signo y de la magnitud de la carga desarrollada en el estado de transición y del grado de formación y rotura de enlaces. Considerense los dos casos extremos que se dan a continuación. En el ataque de aminas terciarias sobre esteres de alcoholes muy básicos el valor de β es 1'5 para la variación del pka del nucleófilo y -1'5 para la variación del pk del alcohol saliente. La estructura del complejo activado del paso limitante de la reacción, debe ser muy próxima a la de los productos en donde el grupo acilo se ha transferido totalmente a la amina (paso limitante la rotura del intermedio tetraédrico) En la reacción de nucleófilos básicos con esteres que tengan grupos salientes activados, los valores de β obtenidos son solo de +0'1 a 0'2 para la variación del pka del nucleófilo y de -0'1 a -0'2 para la variación del pk del grupo saliente. Lo que muestra que en el estado de transición se han roto muy poco los enlaces iniciales y se han formado muy poco los enlaces finales (paso limitante la formación del intermedio tetraédrico)

5 Hay que subrayar no obstante, que el valor de β sólo es indicativo de la carga desarrollada y del grado de formación y rotura de enlaces en el estado de transición si no hay catálisis ácido-base general. Si hay catálisis ácido-base general no hay una relación entre β y la extensión en la formación de los enlaces. En la tabla siguiente se da una relación de los grupos nucleófilos más importantes en los cadenas laterales de los enzimas, así como el nombre de algunos enzimas con reacciones de atáque nucleófilos y el intermedio de reacción generado. Nucleófilo Enzima Intermedio - OH (serina) Serin proteasas Fosfatasas ácidas y alcalinas Fosfoglucomutasas Acilenzima Fosforilenzima OH - (unido a Zn 2+ ) Anhidrasa carbónica Alcohol deshidrogenasa - SH (cisteína) Tiol proteasas Gliceraldehído 3- fosfato deshidrogenasa _ Acilenzima -CO 2 - (aspartato) ATPase (K + /Na +, Ca 2+ ) fosforilenzima -NH 2 (lisina) Imidazol (histidina) Acetoacetato descarboxilasa, aldolasa, transaldolasa, enzimas dependientes de PLP, DNA ligasa Fosfoglicerato mutasa, succinil-coa sintetasa, nucleósido difosfokinasa - OH (Tirosina) Glutamina sintetasa Topoisomerasas Los grupos más usados en catálisis nucleófila por las enzimas son el hidroxilo de la serina, como en las serin proteasas, colinesterasas, esterasas, lipasas y fosfatasas ácidas y alcalinas y el tiol de la cisteína, como en las tiol proteasas (papaína, ficina y bromelaina) en la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, etc. El grupo imidazol de la histidina se utiliza generalmente como catalizador ácido-base general pero a veces actúa como nucleófilo con el grupo fosforilo en las reacciones de transferencia de fosfatos. Base de Schiff Adenilenzima (fosfoaminda) Fosforilenzima Adenilenzima Nucleotidilenzima (fosfotirosina)

6 Biopolímeros. J. Donoso.Página actualizada en Abril 2006