Reacciones enzimáticas en sistemas homogéneos Sergio Huerta Ochoa UAM-Iztapalapa

Transcripción

1 Reacciones enzimáticas en sistemas homogéneos Sergio uerta choa UAM-Iztapalapa

2 inética enzimática vs mecanismo químico Un mecanismo cinético enzimático es el orden de la adición de substrato y liberación de producto en una reacción catalizada enzimáticamente Un mecanismo químico es la vía química de conversión de S P, incluyendo las estructuras de cualquier intermediario

3 Mecanismos de enzimas Mecanismos los detalles moleculares de las reacciones catalizadas Los mecanismos enzimáticos son deducidos de: Experimentos cinéticos Estudios estructurales de la proteina Estudios de sistemas modelo no enzimáticos

4 Modos químicos de catálisis enzimática Residuos de amino ácidos polares en sitios activos La cavidad del sitio activo de una enzima está señalada con amino ácidos hidrofóbicos Residuos ionizables polares en el sitio activo participan en el mecanismo Aniones y cationes de ciertos amino ácidos están comunmente involucrados en catálisis

5 Aminoácidos más comunes en el sitio activo isteina Serina istidina Aspartato Glutamato Lisina

6 Tipos de mecanismos catalíticos atálisis general ácido-base atálisis de energía de enlace atálisis covalente atálisis ión metal

7 atálisis ácido-base Muchas reacciones involucran la formación de intermediarios cargados, normalmente instables. Estos intermediarios pueden estar transientemente estabilizados en un sitio activo de una enzima por la interacción de residuos de amino ácidos actuando como ácidos débiles (donadores de protones) o bases débiles (aceptores de protones). Formas ácido general y base general de los amino ácidos más comunes y mejor caracterizados que están involucrados

8 atálisis ácido-base (cont...) Los grupos funcionales precedentes potencialmente pueden servir como donadores o aceptores de protones. Esto depende de muchos factores incluyendo la naturaleza molecular del substrato, cualquier cofactor involucrado, y el p del sitio activo. Para catálisis ácido-base, la histidina es el amino ácido más versátil debido a su pk a (6.5) lo cual significa que en la mayoría de las situaciones fisiológicas puede actuar como un donador o aceptor de protones. Generalmente estos amino ácidos interactuarán junto con el substrato, o en conjunción con agua u otros ácidos o bases orgánicas débiles que se encuentran en las células

9 Reacciones catalíticas base general Una base general (B:) puede remover un protón del agua y debido a eso generar el equivalente de - en una solución neutral

10 Donadores de protones pueden también catalizar reacciones Un ácido general (B + ) puede donar protones Un enlace covalente puede romperse más fácilmente si uno de sus átomos está protonado

11 atálisis de energía de enlace La energía de enlace cuenta para la reducción de la energía de activación de una reacción, y puede ser considerada como un mecanismo catalítico para una reacción. Varios factores catalíticos en el enlace de un substrato y la enzima pueden ser considerados: 1) limitación transiente del movimiento del substrato y la enzima por reducción del movimiento relativo (o entropia) de las dos moléculas, 2) la disrupción de solvatación de la envoltura de agua es termodinámicamente favorable, y 3) los cambios conformacionales del substrato y la enzima. Todos estos factores individualmente o en combinación son utilizados en algún grado por una enzima. Mientras en algunos casos estas fuerzas por si solas cuentan para la catálisis, frecuentemente son componentes de un proceso catalítico complejo involucrando factores discutidos para otros mecanismos catalíticos

12 atálisis covalente Enzyme Enzyme - R R R 2 R 2 Enzyme - R 1 Enzyme R 1 - R 2 + En la catálisis covalente, la enzima forma un intermediario covalente transiente con el sustrato de la reacción.

13 atálisis covalente Este mecanismo involucra el enlace covalente transiente del substrato a un residuo de amino ácido en el sitio activo. Generalmente esto es para el grupo hidroxil de una serina serina aunque las cadenas laterales de la: treonina cisteina histidina argenina y lisina pueden también estar involucradas

14 atálisis covalente Todo o parte de un substrato es unido covalentemente a la enzima para formar un reactivo intermediario El grupo X puede ser transferido de A-X a B en dos etapas via el complejo ES covalente X-E A-X + E X-E + B X-E + A B-X + E

15 La sacarosa fosforilasa exhibe catálisis covalente Etapa uno: un residuo glucosil es transferido a la enzima *Sacarosa + Enz Glucosyl-Enz + Fructosa Etapa dos: la glucosa es donada al fosfato Glucosil-Enz + P i Glucosa 1-fosfato + Enz *(la sacarosa esta compuesta de glucosa y fructosa)

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17 La quimotripsina usa catálisis covalente para catalizar la hidrólisis de enlaces peptídicos Ser Ser N 2 N N 3 2 N N 2 N 3 2 Ser 195 Ser N N N - N 3 2 N 2 N 3 La Serina 195 en la quimotripsina forma un enlace covalente con el sustrato peptídico durante el rompimiento del enlace peptídico.

18 Adapted from Dressler & Potter (1991) Discovering Enzymes, p.162 Planta Piloto de Fermentaciones p Influences hymotrypsin Activity Relative Activity p

19 - Asp 102 N N 2 is 57 Ser 195 = Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the ell (4e) p N N Active Ser - 2 is 57 Ser 195 = Asp harge Relay in Active Site

20 Imidazole on istidine Is Affected by p Planta Piloto de Fermentaciones p 6 p 7 N - = Asp N N is N - N Inactive 2 Ser 195 N Adapted from Dressler & Potter (2000) Discovering Enzymes, p.163 Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the ell (4e) p.158

21 atálisis ion metal erca de 1/3 de todas las enzimas conocidas requieren la presencia de metales para la actividad catalítica Las metalo-enzimas - contienen cofactores metálicos fuertemente unidos tales como: Fe 2+, Fe 3+, u 2+, Zn 2+, Mn 2+, o 2+ Las enzimas activadas por metales sólo vagamente enlazan los iones metales. Los iones son usualmente : Na +, K +, Mg 2+, o a 2+ Varios metales, todos positivamente cargados e incluyendo zinc, hierro, magnesio, manganeso y cobre, son conocidos para formar complejos con diferentes enzimas o substratos. Este complejo metal-substrato-enzima puede ayudar en la orientación del substrato en el sitio activo, y los metales son conocidos para mediar en las reacciones de oxidación-reducción por cambios reversibles en sus estados de oxidación (como Fe 3+ a Fe 2+ )

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23 Resumen de mecanismos catalíticos En general, más de un tipo de mecanismos catalíticos podrían ocurrir para una enzima particular vía varias combinaciones de catálisis: energías de enlace, ácidobase, covalente y metal. Las enzimas son increiblemente diversas en sus estructuras y los tipos de reacciones que catalizan, por lo tanto hay también una gran diversidad de mecanismos catalíticos utilizados, cuyas bases deben ser determinadas experimentalmente

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25 N Active site pocket Substrate peptide chain oncerted Mechanism of atalysis Planta Piloto de Fermentaciones (270) Glu arboxypeptidase A N is Zn Glu (196) (72) is (69) (248) Tyr - ATIVE SITE - -terminus R heck for -terminal Site for specificity 5 + Arg (145) Juang R (2004) Bbasics

26 avidades de enlace de substrato de Quimotripsina y Tripsina

27 Mecanismo catalítico de quimotripsina

28 Mecanismo de quimotripsina (cont...)

29 Quimotripsina, última etapa y regeneración de la enzima activa

30 hymotrypsin atalytic Mechanism A1 Planta Piloto de Fermentaciones atalytic Triad is57 Asp102 Ser195 [] N [N 2 ] N N heck substrate specificity

31 hymotrypsin atalytic Mechanism A2 Planta Piloto de Fermentaciones is57 Asp102 Ser195 First Transition State

32 hymotrypsin atalytic Mechanism A3 Planta Piloto de Fermentaciones Acyl-Enzyme Intermediate

33 hymotrypsin atalytic Mechanism D1 Planta Piloto de Fermentaciones Acyl-Enzyme Water Intermediate

34 hymotrypsin atalytic Mechanism D2 Planta Piloto de Fermentaciones Second Transition State

35 hymotrypsin atalytic Mechanism D3 Planta Piloto de Fermentaciones Deacylation