Enzimas Catalizadores bioquímicos. Rogelio Valadez Blanco

Transcripción

1 Enzimas Catalizadores bioquímicos Rogelio Valadez Blanco

2 COFACTORES Algunas enzimas tienen necesidad de cofactores para realizar su actividad catalítica Una proteína inactiva por sí sola se llama apoenzima Los cofactores son compuestos no protéicos que se combinan con la apoenzima para darle funcionalidad

3 COFACTORES

4 COFACTORES Al complejo del cofactor y la apoenzima se le llama holoenzima (o enzima)

5 TIPOS DE COFACTORES Grupo prostético. Iones metálicos Moléculas orgánicas (Ej. Citocromo C) Coenzimas Moléculas orgánicas complejas

6 Coenzimas Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) Flavin adenine dinucleotide (FAD) Coenzima A (CoA) Adenosin triphosphate (ADP)

7 Coenzimas: Reacciones óxido-reducción Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + y NADP + ) Aceptor de hidrógeno (agente oxidante) Donador de hidrógeno (agente reductor)

8 Coenzimas Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) Nicotinamida Dinucleótido Adenina

9 Coenzimas Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)

10 Coenzimas Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + )

11 Reacciones óxido-reducción Oxidación de Molécula 1 Reducción de Molécula 2

12 Equilibrio termodinámico El equilibrio es un estado de energía libre mínima (energía libre de Gibbs) en el que los procesos a la izquierda y a la derecha ocurren a la misma velocidad.

13 Cambio de energía libre para reacción fuera del equilibrio G G 0 RT ln [ Y] [ A] y a [ Z] [ B] z b u ΔG es el cambio de energía libre de Gibbs estándar La condición de estado estándar se considera para una concentración de 1 mol L -1.

14 Cambio de energía libre de Gibbs Reacción exergónica: ΔG < 0 (reacción espontánea) Reacción endergónica: ΔG > 0 (reacción no es espontánea) ΔG < 0 ΔG > 0

15 Equilibrio Donde ΔGº es el cambio de energía libre de Gibbs estándar. Estado estándar de 1 mol/l de concentración. En el equilibrio el cambio de energía de Gibbs es cero, por lo que se tiene: G 0 (en el equilibrio)

16 Catalizador Sustancia que aumenta la velocidad de reacción sin cambiar su estructura química de manera irreversible No afecta el equilibrio de la reacción

17 Teoría del Estado de Transición Para que una reacción se lleve a cabo los reactivos deben elevar su estado energético inicial a un estado de energía más alto (estado de transición) Esta barrera energía que las moléculas deben superar se denomina energía de activación

18 Teoría del Estado de Transición Debido a que el estado de transición es inestable, la molécula se convierte rápidamente al producto. El estado energético final del producto es menor que el inicial (para una reacción espontánea)

19 Teoría del Estado de Transición

20 Catalizadores enzimáticos La función del catalizador es la de reducir la energía de activación de la reacción, sin alterar el equilibrio.

21 Complejo enzima-sustrato Hay evidencias de la existencia de este complejo El sustrato se enlaza a la región reactiva de la enzima, donde ocurre la reacción

22 Catálisis enzimática 1. Se tiene las moléculas de enzima y sustrato libres 2. El sustrato se enlaza a la región reactiva de la enzima (Complejo enzima-sustrato) 3. La reacción procede en el sitio activo y se forma el complejo enzima-producto 4. El producto es desacomplejado y se libera

23 Mecanismos de catálisis EFECTO DE PROXIMIDAD Enzimas son capaces de atrapar sustratos Regiones reactivas del sustrato cerca de grupos catalíticos de la enzima

24 Efecto de proximidad Sitio activo de lisozima con sustrato (hexasacárido)

25 Mecanismos de catálisis EFECTO DE ORIENTACIÓN La reacción se promueve cuando las moléculas se ponen en contacto con la orientación adecuada

26 Mecanismos de catálisis AJUSTE INDUCIDO El substrato induce un cambio leve en la estructura tridimensional de la enzima para que se realice la unión

27 CLASIFICACIÓN Se clasifican en 6 clases de acuerdo con el tipo de reacción total catalizada, de acuerdo a la Enzyme Commision de la International Union of Biochemistry Cada enzima se le asigna una clave numérica que consiste en 4 elementos separados por puntos.

28 CLASIFICACIÓN El primer dígito describe la categoría de enzima con base a la reacción total catalizada. Hay 6 categorías: 1. Oxidoreductasas: reacciones óxido-reducción 2. Transferasas: transferencia átomos o grupos entre dos moléculas 3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis

29 CLASIFICACIÓN 4. Liasas: Remoción de un grupo del sustrato (no hidrólisis) 5. Isomerasas: Reacciones de isomerización 6. Ligasas: Unión de dos moléculas/átomos

30 Nomenclatura El segundo y tercer dígito en el código indican en más detalle el tipo de reacción catalizada. El cuarto dígito describe el sustrato que es transformado

31 Ejemplo La enzima lactato deshidrogenasa (nombre trivial) cataliza la siguiente reacción:

32 Ejemplo: Lactato deshidrogenasa Primer dígito Indica que la enzima es una oxidoreductasa Segundo dígito La enzima actúa en un grupo hidroxilo secundario

33 Ejemplo: Lactato deshidrogenasa Tercer dígito Usa NAD+/NADP+ como cofactor Cuarto dígito Indica el sustrato: L-lactato

34 Ejemplo El nombre completo es: L-lactate:NAD+ oxidoreductasa E.C

35 Actividad enzimática UNIDADES ENZIMATICAS (U) International Union of Biochemistry Unit (U) La cantidad de enzima que puede catalizar la transformación de un micromol de sustrato por minuto bajo condiciones específicas para cada enzima particular.

36 Actividad enzimática La masa enzimática es difícil de conocer En general se tienen mezclas de proteínas (enzima de interés es sólo una de ellas) La fracción de enzima es desconocida La composición y actividad de la mezcla puede variar de un lote a otro.

37 Unidades de actividad enzimática Designan la cantidad de enzima que da una cierta actividad catalítica, bajo condiciones estándar. Ejemplo: U de glucoamilasa Cantidad de enzima que produce 1 µmol de gluosa por min en una solución de 4% de almidón Lintner a un ph de 4.5 y una temperatura de 60 C.

38 Actividad específica Actividad enzimática específica por masa de enzima o extracto enzimático para condiciones estandarizadas. U/mg o U/mL

39 Tipos de catalizadores Homogéneos Una sola fase Heterogéneos Se tienen dos fases El catalizador regularmente se encuentra en la fase sólida y los reactivos en la fase líquido Las enzimas pueden funcionar como catalizadores homogéneos o heterogéneos

40 Homogéneos Catalizadores ácidos Catalizadores organometálicos solubles Enzimas

41 Heterogéneos Sintéticos Metales: Pt, Pd, Ni, Fe, Co Óxidos: alúmina, zeolitas, barro y silica

42 ENZIMAS vs. CATALIZADORES SINTÉTICOS

43 ESPECIFICIDAD La mayoría de los catalizadores sintéticos son poco específicos Las enzimas son específicas: químicamente (i.e., de acuerdo al grupo funcional y tipo de reacción) estereoquímicamente (i.e., de acuerdo a la conformación espacial) y por lo tanto son enantioespecíficas o quirales.

44 COFACTORES Algunas enzimas requieren el uso de cofactores Estos pueden llegar a ser muy costosos Se requieren métodos de reutilización

45 PÉRDIDA DE ACTIVIDAD Tanto los catalizadores sintéticos como biológicos pierden actividad a medida que participan en reacciones químicas Las enzimas son en general mucho más inestables. La energía de activación de desnaturalización enzimática es del orden de kj/mol

46 CONDICIONES DE REACCIÓN Las condiciones de reacción son mucho más severas en la catálisis química. Por ej. Temperatura Química: 50 a 300 C Enzimática: 30 a 90 C Presión ph Química: Presiones altas Enzimática: Presión atmosférica Enzimática: Rango estrecho de ph óptimo

47 CONDICIONES DE REACCIÓN Uso de enzimas Ventajas: Los catalizadores químicos requieren condiciones más severas que las enzimas Desventajas: Las enzimas trabajan en condiciones óptimas sólo en rangos estrechos de temperatura, presión y ph

48 SITIO ACTIVO Enzimas El sitio activo de la enzima es del órden de Ȧ Catalizadores químicos El sustrato es quimiosorbido en el sitio activo del catalizador. Este sitio está en el rango de micrones.

49 ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Enzimas kj/mol Catalizadores químicos kj/mol Las enzimas son capaces de reducir la barrera de energía más eficientemente que los quimiocatalizadores

50 NÚMERO DE CICLOS DE REACCIÓN (Temperatura ambiente) Enzimas moléculas por seg. Son más rápidas Quimiocatalizadores: < 0-01 moléculas por seg.

51 NÚMERO DE CICLOS DE REACCIÓN

52 INHIBICIÓN Las enzimas pueden ser inhibidas por altas concentraciones de sustrato o de producto. Estos efectos inhibitorios no son tan notorios en los sistemas quimiocatalíticos.

53 INMOVILIZACIÓN Se usan soportes para inmovilizar tanto los quimiocatalizadores como las enzimas. Esto les da estabilidad y reduce la pérdida de actividad.

54 IMPACTO AMBIENTAL Las enzimas tienen un bajo impacto ambiental negativo en comparación con los catalizadores químicos Los quimocatalizadores deben ser completamente recuperados para evitar contaminación con metales pesados.

55 COSTO La mayor desventaja de las enzimas es que su costo es mucho mayor que los quimocatalizadores. El costo de la enzima representa 15% del costo total

56 COSTO-BENEFICIO Para la producción de químicos a granel los quimocatalizadores son la mejor opción Las enzimas son usadas para la producción de químicos de alto valor agregado