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13: Enzimas / Catálisis - Biología

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Lectura y problemas: LNC pág. ¡2 del siguiente folleto para la clase con usted !: Ilustraciones de triosa-P-isomerasa.

I. ¿Cómo aceleran las reacciones las enzimas?

A. Grupos reactivos: los sitios activos tienen grupos reactivos que pueden catalizar reacciones a través de mecanismos básicos, ácidos, nucleófilos, metálicos u otros.

B. Concentración local alta: los sitios activos pueden contener múltiples sustratos en las proximidades entre sí y en las proximidades de los grupos reactivos. Esta alta concentración local aumenta drásticamente la probabilidad de reacción entre estos sustratos / grupos.

C. Dirección orbital: el sitio activo no solo mantiene juntos los sustratos y los grupos reactivos, sino que los mantiene en una orientación óptima para facilitar una interacción productiva.

D. Deformación / energía de unión: el sitio activo tiene una forma que une el estado de transición con mayor fuerza. Esto puede implicar doblar o estirar los enlaces para promover las alteraciones necesarias para que prosiga la reacción. La "energía de enlace" es la energía proporcionada por la formación de interacciones débiles entre la enzima y el estado de transición. La energía de enlace negativa compensa la energía positiva necesaria para "doblar" el sustrato en el estado de transición de energía superior. La enzima normalmente tendrá la mayor afinidad por el estado de transición y menor afinidad por el sustrato y el producto.

III. Quimotripsina: hidroliza los enlaces peptídicos en el lado carboxilo de los residuos de aminoácidos aromáticos.

A. Identificación de residuos de sitios activos

  • Reactivos de modificación de proteínas, por ejemplo, el diisopropilfluorofosfato (DIFP) reacciona con residuos reactivos de serina.

  • Reactivos de marcado de afinidad de proteínas: tienen una estructura que se adapta al sitio activo de la enzima para dirigir un grupo reactivo al sitio activo. Ejemplo de quimotripsina: Tosil-fenilalanina clorometilcetona (TPCK) que reacciona con el residuo His del sitio activo.


  • La determinación estructural, especialmente en presencia de inhibidores / análogos de sustrato, revela detalles del sitio activo.

Lleve a casa conceptos sobre enzimas:

A) Sitio activo con forma específica y grupos circundantes para unir el sustrato (pero generalmente se une mejor al estado de transición)

B) Reacción catalíticamente acelerada por:

  1. Grupos catalíticos, químicamente activos en el sitio activo.
  2. Alta concentración local de sustratos y grupos activos.
  3. Dirección orbital para mantener la orientación reactiva
  4. Estabilización de formas intermedias
  5. Deformación: doblar y estirar las uniones para ayudar en la formación de estados de transición.

Colaboradores

  • Charles S. Gasser (Departamento de Biología Molecular y Celular; UC Davis)


Algunas mecánicas de la catálisis enzimática (con diagrama)

Las enzimas son proteínas y, por tanto, su capacidad de catálisis está íntimamente relacionada con una estructura molecular terciaria o cuaternaria específica.

Si se altera la estructura terciaria o cuaternaria de una enzima, generalmente sigue una pérdida de actividad enzimática.

Por tanto, los factores ambientales que modifican la estructura de las proteínas también influyen en la actividad enzimática. Los factores ambientales clave que pueden afectar la actividad enzimática son el pH y la temperatura.

Las cadenas laterales polares de ciertos aminoácidos forman enlaces electrostáticos entre sí y con los iones circundantes y las moléculas de agua, estas interacciones contribuyen en parte a la estructura terciaria y cuaternaria específica de la proteína.

Si una cadena lateral de aminoácidos en particular tiene una carga está determinada en parte por el pH de la proteína y el entorno.

A medida que se reduce el pH (es decir, aumenta la concentración de H +), los grupos que pueden estar cargados negativamente, como el COO secundario & # 8211 del ácido aspártico y el ácido glutámico y el O & # 8211 de la tirosina, se protonan, neutralizando así estas cargas negativas.

Al mismo tiempo, algunos grupos amino secundarios, como los de lisina y arginina, pueden aceptar protones adicionales, impartiendo así carga a estas cadenas laterales anteriormente neutras. Por el contrario, a medida que aumenta el pH (es decir, aumenta la concentración de OH +), las cadenas laterales cargadas positivamente disocian los protones y, por lo tanto, se neutralizan, mientras que la pérdida de protones de los grupos COOH y OH secundarios hace que estos grupos sean negativos. Algunas de estas relaciones se muestran en la Figura 8-11.

Además de desempeñar un papel importante en el mantenimiento de una estructura molecular terciaria o cuaternaria específica, las cadenas laterales polares de algunos de los aminoácidos de la enzima (es decir, los del sitio activo) pueden participar en la unión del sustrato a la enzima. y de ese modo introducir cepas de enlace en la molécula de sustrato. En consecuencia, la mayoría de las enzimas pueden operar solo dentro de un rango estrecho de pH y mostrar un pH óptimo (Fig. 8-12).

El pH óptimo de las enzimas varía en una amplia gama de valores. A ambos lados del pH óptimo, la actividad enzimática disminuye a medida que se altera la configuración de la proteína y / o disminuye correspondientemente su afinidad por el sustrato.

La temperatura también influye en la actividad enzimática, y la mayoría de las enzimas muestran una temperatura óptima cercana a la temperatura normal de la célula u organismo que posee esa enzima. En consecuencia, la temperatura óptima de las enzimas de las células vegetales y las enzimas de los animales poiquilotérmicos (& # 8220 de sangre fría & # 8221) que habitan en las regiones frías de la tierra suelen ser más bajas que las de las enzimas de los animales homeotérmicos.

Si la temperatura se eleva muy por encima del óptimo, la actividad enzimática disminuye. Este es el resultado de una alteración de la estructura de la enzima (un proceso de desintegración llamado desnaturalización). La mayoría de las enzimas se desnaturalizan de forma irreversible si se mantienen a temperaturas superiores a 55 ° C a 65 ° C durante un período de tiempo prolongado.

El sitio activo:

La formación del complejo enzima-sustrato no es un proceso aleatorio. Esto se reconoció ya en 1894 cuando Emil Fischer postuló que una enzima permite que solo uno o unos pocos compuestos encajen en su superficie. Esta es la hipótesis & # 8220-lock-and-key & # 8221 según la cual la enzima y su sustrato tienen formas complementarias (ver más abajo).

Las moléculas de sustrato específicas (y los grupos protésicos, si los hay) están unidos a una región específica de la molécula de enzima llamada su sitio activo (o catalítico).

El sitio activo de una enzima está formado por una serie de residuos de aminoácidos cuyas cadenas laterales tienen dos funciones principales:

(1) Sirven para atraer y orientar el sustrato de una manera específica dentro del sitio (tales aminoácidos se denominan residuos de contacto y contribuyen en gran medida a la especificidad del sustrato) y

(2) Participan en la formación de enlaces temporales con la molécula del sustrato, enlaces que polarizan el sustrato, introducen tensión en algunos de sus enlaces y desencadenan el cambio catalítico (tales aminoácidos se denominan residuos catalíticos).

Los enlaces formados entre un sustrato y las cadenas laterales de aminoácidos que forman el sitio activo pueden ser covalentes o no covalentes. Los residuos catalíticos y de contacto que forman el sitio activo pueden estar ubicados en regiones ampliamente separadas de la estructura primaria de la enzima, pero como resultado del plegamiento de la cadena polipeptídica estabilizada, se colocan en la yuxtaposición apropiada.

Por ejemplo, el sitio activo de la enzima citrato sintasa contiene aproximadamente 16 aminoácidos, ocho de estos forman enlaces temporales con el sustrato (ácido cítrico) y otros ocho forman enlaces con una coenzima (coenzima A). Estos residuos de aminoácidos se dispersan a través de la estructura primaria de la enzima desde la posición del aminoácido número 46 hasta la posición número 421. Incluso en enzimas relativamente pequeñas como la ribonucleasa, los residuos de contacto y catalíticos se encuentran dispersos sobre gran parte de la estructura primaria (es decir, el sombreado residuos en la figura 8-13).

& # 8220 Bloqueo y llave & # 8221 versus & # 8220 Ajuste inducido & # 8221 Modelos de acción enzimática:

La figura 8-14 muestra la interacción entre la enzima y el sustrato según el modelo de cerradura y llave. El sustrato tiene regiones polares (es decir, + y -) y apolares (H, hidrófobas) y es atraído y asociado con el sitio activo, que es complementario tanto en forma como en distribución de carga (figuras 8-14a y 8-14b). .

Las regiones positivas, negativas e hidrófobas del sitio activo son creadas por las cadenas laterales de los residuos de contacto, que alinean el sustrato para la interacción con el sitio y los residuos catalíticos # 8217s (A y B). Después de la catálisis (Fig. 8-14c), los productos se liberan del sitio activo (Fig. 8-14 (2), liberando así la enzima para otra ronda de catálisis. El modelo de cerradura y llave de la catálisis enzimática explica especificidad enzimática, porque los compuestos que carecen de la forma apropiada o son demasiado grandes o demasiado pequeños (fig. 8-14e) no pueden unirse al sitio activo.

Aunque el modelo de candado y llave representa gran parte de los datos de especificidad del sustrato, ciertas observaciones sobre el comportamiento de la enzima no se ajustan o son difíciles de explicar con este modelo. Por ejemplo, hay varios casos en los que compuestos distintos del sustrato verdadero se unen a la enzima aunque no formen productos de reacción.

Además, para muchas reacciones catalizadas por enzimas, los sustratos se unen al sitio activo en un orden temporal específico. En la década de 1960, Daniel Koshland propuso la teoría de la acción enzimática & # 8220induced-fit & # 8221 según la cual el sitio activo de la enzima no existe inicialmente en una forma que sea complementaria al sustrato, sino que se induce a asumir la forma complementaria como el sustrato se une.

Como dijo Koshland, el sitio activo es inducido a asumir la forma complementaria & # 8220 de la misma manera que una mano induce un cambio en la forma de un guante & # 8221. Por lo tanto, según este modelo, la enzima (o su sitio activo) es flexible.

El modelo de ajuste inducido se muestra en forma de diagrama en la Figura 8-15. El sitio activo y el sustrato inicialmente tienen formas diferentes (Fig. 8-15a) pero se vuelven complementarios en la unión del sustrato (Fig. 8-15b). El cambio de forma coloca los residuos catalíticos en posición para alterar los enlaces en el sustrato (figura 8-15c), después de lo cual se liberan los productos (figura 8-15d) y el sitio activo vuelve a su estado inicial.

Aunque las moléculas que son más grandes o más pequeñas que el verdadero sustrato o que tienen diferentes propiedades químicas pueden, no obstante, estar unidas al sitio activo, ninguna logra inducir la alineación adecuada de los grupos catalíticos y no se produce catálisis (Figs. 8-15e y 8- 15f). El modelo de ajuste inducido explica los efectos de ciertos inhibidores competitivos y no competitivos de la acción enzimática.

Antes de continuar, debe reconocerse que algunas reacciones catalizadas por enzimas se explican adecuadamente mediante el modelo de cerradura y llave, de modo que un sitio activo flexible no es un requisito estricto para la catálisis. Del mismo modo, la posesión de un sitio activo flexible no implica que ninguna molécula pueda unirse a la enzima.

También se puede inducir un cambio en la forma del sitio activo de una enzima mediante la unión de sustancias en sitios de la superficie de la enzima que están muy alejados del sitio activo. En tal caso, el cambio se transmite a través de la molécula de enzima desde el sitio de unión al sitio activo. Dichos cambios pueden disminuir o aumentar la actividad de la enzima.


Energía y catalizadores

Reacciones exergónicas liberar energía mientras Reacciones endergónicas tomar energía. Crédito: OpenStax CNX [CC-BY 4.0]

Coordenada de reacción de un exotérmico reacción con y sin enzima. La enzima redujo el miA para facilitar la probabilidad de que ocurra la reacción. Esta catabólico La reacción descompone cosas complejas, aumentando así la entropía y liberando energía en el sistema.


Mecanismo de catálisis enzimática

La enzima promueve la reacción dada, pero permanece sin cambios. En 1913, Leonar Michael y Maud Menten propusieron que se forma un complejo intermedio enzima-sustrato durante la actividad enzimática. Esto se puede representar esquemáticamente como-

Enzima (E) + Sustrato (S) & lt— & gt Complejo enzimático-sustrato (ES) - »Enzima (E) + Producto (P)

La enzima realiza su trabajo reduciendo la energía de activación (la energía requerida para llevar una sustancia a su estado reactivo. O la energía requerida para que los reactivos experimenten un producto). La reducción de la energía de activación hace que la reacción se desarrolle a una temperatura más baja.

La enzima se combina con el sustrato para producir un estado de transición que requiere poca energía. En otras palabras, la combinación del sustrato con la enzima crea una nueva vía de reacción que tiene un estado de transición de menor energía que en ausencia de la enzima. Además, la enzima no altera la constante de equilibrio, solo mejora la velocidad de la reacción.

Ejemplo: la descomposición del peróxido de hidrógeno sin enzima requiere 765 KJ'moles, mientras que, en presencia de la enzima, la energía requerida es & lt 8 KJmoles.

El mecanismo de una reacción entre la enzima y el sustrato se puede explicar mediante las siguientes dos teorías:

A). Modelo de cerradura y llave

Es el primer modelo propuesto para explicar la acción de las enzimas. Fue propuesto por Emil Fischer, por lo que también se denomina "modelo de Fischer".

Según este modelo, la estructura o conformación de la enzima es rígida. El sustrato se adhiere al sitio activo como una llave que encaja en la cerradura adecuada.

Por tanto, de acuerdo con este concepto, un sitio catalítico estructuralmente bien definido aceptará solo aquellas moléculas de sustrato que tengan una forma coincidente y repelerá otras que difieran estructuralmente. Esta hipótesis es bastante atractiva ya que proporciona una explicación simple de la especificidad de la acción enzimática.

  • Este modelo no da ninguna explicación sobre la naturaleza flexible de la enzima.
  • Este modelo no explica muchos hechos de reacciones enzimáticas como las modulaciones alostéricas.

B). Teoría del ajuste inducido

También se denomina "modelo de Koshland" y tiene una característica esencial de "flexibilidad". Según este modelo, el sitio activo de una enzima no es rígido y preformado, en lugar de eso, es flexible.

En este modelo de ajuste inducido, el sustrato induce un cambio conformacional en la enzima que da como resultado la formación de un fuerte sitio de unión al sustrato. Debido al ajuste inducido, los aminoácidos apropiados de la enzima se reposicionan para formar un sitio activo y provocar la catálisis. Este modelo tiene suficiente evidencia experimental y también explica las modulaciones alostéricas y la inhibición competitiva de la enzima.


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-No pudimos llevar a cabo un grupo experimental mucho más grande que se necesitaría para lograr el estado óptimo de acción de contacto de amilasa # 8216, o punto de impregnación.

-Cuando se llevaba a cabo el experimento en el tubo de prueba B, el clip se sujetaba por el hecho de que el clip no se compensaba decentemente cuando una sola persona no podía agregar todas las partes de la solución al mismo tiempo. Sin embargo, esto no fue terrible en la medida en que tuvimos consecuencias inexactas, pero el tubo de prueba B puede reaccionar más rápido que en los cinco procedimientos.


Aplicaciones industriales

Catalizadores se utilizan en el procesamiento de energía en la producción de productos químicos a granel productos químicos finos en la producción de margarina y en el medio ambiente, donde desempeñan un papel fundamental de los radicales libres del cloro en la degradación del ozono.

Enzimas se utilizan en el procesamiento de alimentos, alimentos para bebés, elaboración de jugos de frutas, producción de lácteos, almidón, papel y biocombustibles, industria de maquillaje, goma para limpieza de lentes de contacto y fotografía y biología molecular.

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