Tema 6: Bloc A: Catalitzadors biològics (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Estructura i funció de biomolècules
Año del apunte 2016
Páginas 14
Fecha de subida 24/04/2016
Descargas 36
Subido por

Vista previa del texto

Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics TEMA 6: BLOC A: CATALITZADORS BIOLÒGICS En aquest primer bloc parlarem de:  Naturalesa i funció dels catalitzadors  Bases de l’acció enzimàtica  Mecanismes generals de catàlisi enzimàtica  Classificació dels catalitzadors 1. Els enzims: catalitzadors biològics Els catalitzadors biològics són elements que ens ajuden a accelerar reaccions biològiques. Els catalitzadors romanen inalterats abans i després de la reacció, és a dir, que quan el catalitzador allibera el seu producte, la molècula pot fer un altre cicle d’actuació. la conseqüència de que romanguin igual al final del cicle fa que els catalitzadors es trobin en poques quantitats ja que no es perden, no s’esgoten. Les reaccions s’acceleren però no canvien en la seva natura.
1.1. Els enzims: característiques generals  La majoria són proteïnes globulars. Varietat d’estructures secundàries, són molt compactes…  Són molt eficients: poden incrementar la velocitat de les reaccions des de 10 5 a 1017 cops.
 Són molt específics: reconeixen substrats característics.
 La seva activitat és òptima en condicions suaus (fisiològiques).
 Sovint requereixen l’ajuda d’un cofactor. Un exemple de cofactor és el grup hemo, ja que és imprescindible per a que l’hemoglobina faci la seva funció. en el cas del grup hemo, aquest és un element que està unit covalentment a la proteïna, sense ell, la proteïna no és funcional.
 La seva activitat pot ser i ha de ser modulada (regulada). L’enzim el necessitem en un moment donat, i també, en un moment donat el necessitem tenir desactivat  imprescindible modular-los.
1.2. Funció dels enzims Això és una proteïna globular. Té una gran superfície. En una regió d’aquesta hi ha el centre actiu, que és on es reconeix el substrat característic de l’enzim.
1 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics  La capacitat de catalitzar les reaccions químiques és una de les funcions principals dels ésser vius ja que en el nostre funcionament es donen moltes reaccions a la vegada que necessiten (gairebé totes) d’un enzim per a poder-se donar. Si no tinguéssim enzims no hi hauria possibilitat de que fóssim un ésser viu.
 Els enzims són catalitzadors biològics que reconeixen específicament el seu substrat i afavoreixen la reacció de catàlisi, incrementant enormement la velocitat de reacció. Això és un avantatge. Molta especificitat i augment de velocitat són els conceptes que defineixen enzims, no ens serveix un element que augmenti molt la velocitat si no és molt específic o que sigui molt específic però que no augmenti la velocitat.
 Els enzims són majoritàriament proteïnes i en algunes ocasions RNA (ribozims).
Cada vegada es coneixem més ribozims, que són fragments de RNA especial que tenen activitat catalítica. En comparació amb el nombre de reaccions que catalitzen els enzims, els ribozims són un apèndix molt petit.
 Una altra avantatge que tenen els enzims és que estan optimitzats per a treballar en condicions on es dóna la vida. No serveix de res un enzim molt ràpid i molt específic que treballi en condicions no fisiològiques. Els enzims estan adaptats a treballar a un pH fisiològic, a una temperatura fisiològica… 1.3. Per què un biocatalitzador? De totes les possibles vies potencials que pot tenir un metabòlit per evolucionar, els enzims fan que la desitjada sigui més favorable. Suposem que tenim una molècula que en solució pot adoptar moltes diferents possibilitats, els enzims el que permeten és que aquesta molècula vagi a fer una única forma que és la més favorable.
Imaginem que tenim els elements de la imatge, si el nostre enzim catalitza l’addició de OH, només reconeixerà un dels dos substrats o potser el reconeix però no generarà producte, és per això que són molt específics en reconeixement de substrats.
2 el Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics Els enzims són per tant, catalitzadors, però difereixen dels “catalitzadors químics” en:  Poder catalític més elevat. Les velocitats de reacció de les reaccions catalitzades per enzims són varis ordres de magnitud superiors a les velocitats de reacció de les reaccions realitzades per catalitzadors “química”.
 Actuen en condicions suaus. Els enzims estan optimitzats per a treballar en les condicions on es dóna principalment la vida: solucions aquoses, temperatures suaus, pH neutre.
 Especificitat de reacció més gran. Mostren una especificitat més gran respecte a les identitats dels seus substrats (reactius) i respecte als productes de les reaccions. Usualment no fan productes secundaris de reacció. Molts cops, l’agent químic transformarà el nostre substrat en producte generant altres productes secundaris o reaccions secundàries acoblades no desitjades. Molts cops les reaccions químiques no es poden controlar com les enzimàtiques.
 Capacitat de control. L’activitat de molts enzims depèn de la concentració d’altres substàncies (diferents dels substrats i productes de la reacció), de forma que la cèl·lula pot coordinar tots els processos metabòlics i respondre a canvis del seu entorn.
Els enzims són majoritàriament proteïnes, encara que algunes molècules de RNA també ho són (ribozims).
Si ens donen l’oportunitat de treballar amb algun dels dos, és millor treballar amb enzims que amb agents químics.
Els enzims incrementen la velocitat de la reacció. Observem la taula que ens mostra la magnitud amb què els enzims poden accelerar la velocitat de reacció: Tot i així, els enzims NO són capaços de catalitzar reaccions que no es donarien.
3 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics Els enzims acceleren les reaccions, hi ha un moment que les acceleren tant que podríem dir que aquella reacció tot i que sigui termodinàmicament favorable, en una escala de temps in vivo, si no hi hagués un enzim, no es podria donar . Hi ha per exemple trencaments d’enllaços que són espontanis, és a dir, termodinàmicament són favorables però que tenen escales de temps d’anys, i això aplicat en una cèl·lula és com dir que aquella reacció no és favorable tot i ser-ho termodinàmicament; l’enzim el que pot fer és accelerar-la i adaptar-la als canvis que hi ha a la cèl·lula, per tant, permeten adaptar al ritme cel·lular reaccions que són termodinàmicament favorables però que en una escala de temps cel·lular no podrien donar-se.
1.4. Energia lliure de les reaccions 2.
Definim la variació d’energia lliure estàndard (∆G’º) d’una reacció com la diferència entre el nivell energètic basal corresponent al producte (P) i el nivell energètic basal del substrat (S) en condicions estàndard.
Fixem-nos, el gràfic mostra una reacció química que passa de substrat a producte. Mirem l’evolució de la reacció: tenim un substrat  es trenquen uns enllaços i es formen uns altres  obtenim un producte (reacció sense catalitzar). La reacció és termodinàmicament favorable perquè la variació d’energia lliure de Gibbs és negativa, els productes tenen menys energia que el substrat, aquesta reacció és termodinàmicament favorable, però el que passa és que per passar de substrat a producte, l’enzim necessita trencar enllaços i formar-ne uns de nous, això passa per passar a un estat intermediari conegut com l’estat de transició. Aquest estat intermediari necessita una variació d’energia lliure de Gibbs molt gran.
reacció no catalitzada, el pas de substrat a producte es En aquesta troba afavorit termodinàmicament, perquè el nivell energètic del P és inferior al del S, per tant tenim una ∆G’º < 0, i per tant, una reacció exergònica o espontània. Per això no vol dir que el pas de substrat a producte tingui lloc a una velocitat apreciable a escala biològica.
La velocitat depèn de l’energia d’activació: la que cal per arribar a l’estat de transició, que es defineix com un estat teòric on es donaria l’alineament òptim dels grups reactius, i es faria possible el trencament i formació de nous enllaços. No és, per tant, una espècie química que es pugui aïllar, més aviat una entitat teòrica.
4 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics El coll de botella d’una reacció és el salt a l’estat de transició, que és el que farà que una reacció sigui més ràpida o més lenta.
1.4.1. Com ho solventen els enzims? Els enzims disminueixen l'energia d'activació necessària per assolir l'estat de transició.
Al reduir l’energia de l’estat de transició, l’escala de temps en la que es dóna aquesta reacció és molt més favorable tot i que el procés ha de ser si o sí favorable ja de per sí.
La variació d'energia lliure no es veu afectada, si la reacció és favorable l’enzim la pot accelerar, si la reacció no és favorable, l’enzim NO pot actuar.
Com més alt sigui el pic per arribar a l’estat de transició, més lenta és la reacció.
1.5. Bases de l’acció enzimàtica Els enzims no alteren la constant d’equilibri. Imaginem la reacció del monosubstrat de la dreta en la que en absència d’enzim k1=10-4s-1 i k-1=10-6s-1, per tant, K’eq=k1/k-1 = 100. En la presència d’enzim, augmentaran molt tant k1 com k-1, però la K’eq serà la mateixa.
Els enzims augmenten molt la velocitat a la que les reaccions arriben a l’equilibri, però NO varien la constant d’equilibri. La K’ eq depèn de ∆G’º, és a dir, de la diferència del contingut en energia lliure dels productes i dels reactius en condicions estàndard.
El valor de ∆G’ indica si una reacció és espontània (o sigui que ∆G’ < 0) o no espontània (∆G’ > 0) en condicions no estàndard.
Aquest valor tampoc pot ser modificat pels enzims.
5 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics 1.6. L'origen del poder catalític i l'especificitat A+B C+D Si aquesta reacció de dalt no està catalitzada, tenim dos reactius lliures  un únic estat de transició restringit. La conversió és entròpicament desfavorable. Si la reacció està catalitzada, els enzims usen l’energia d’unió dels substrats per a organitzar els reactius en un complex ES força rígid. El cost entròpic es veu compensat durant la unió per les energies d’unió favorables: moltes interaccions febles, no covalents que estabilitzen l’estat de transició.
La disminució de l'entropia es veu afavorida per la quantitat d'enllaços no covalents que s'assoleixen en l'estat de transició. Mitjançant la interacció de l'enzim amb l'estat intermediari es generen interaccions que compensen el procés desfavorable de disminució de l'entropia. Promou interaccions no covalents amb l'estat de transició.
1.7. Les interaccions entre l'enzim i el substrat seran òptimes en l'estat de transició E+S ES EP E+P Es diu que l’enzim és complementari a l’estat de transició pel que passa el substrat per a transformar-se en producte.
Com seria un enzim imaginari “barrassa” dissenyat per a catalitzar el trencament d’una barra? Així seria el trencament de la barra metàl·lica en la reacció no catalitzada.
Per a poder trencar-la, primer hem de doblegar-la.
6 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics Si la butxaca d’unió de l’enzim “barrassa” fos complementària a la barra (substrat), s’estabilitzaria la unió (per les “interaccions magnètiques”, en aquest cas hipotètic) però això no facilitaria el trencament de la barra.
En aquest cas el centre actiu seria complementari a l’estat de transició. L’augment d’energia necessari per doblegar la barra, es veu recompensat per les interaccions que es formen a l’estat de transició. En verd es marquen les interaccions febles que participen.
∆GM ens indica la reducció de l’aportació energètica necessària gràcies a la intervenció de l’enzim. Aquesta energia prové de les interaccions (en verd) entre la barra i la “barrasa”.
Si tenim un enzim que reconeix de manera específica i estableix el màxim nombre d'interaccions no covalents amb el substrat  tenint la mateixa reacció, que sense catalitzar era lenta, si l'enzim fa el que hem dit amb el substrat, a nivell energètic la reacció no arribarà a l'estat de transició si estabilitzem molt el substrat ja que a nivell de variació d'energia lliure, baixem més cap a baix en el gràfic, fem que el punt de partida sigui més a vall, aleshores necessitem una aportació d'energia major per poder arribar a l'estat de transició i per tant, com a estratègia és bona; hem de reconèixer de forma específica el substrat però no fer que s'hagi d'usar més energia que la del punt de partida inicial. L'estratègia dels enzims NO passa per estabilitzar substrats.
Aleshores, quina és una bona estratègia? El centre actiu dels enzims promou l'estat de 7 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics transició, l'acondiciona bé; l'enzim aconsegueix el màxim d'interaccions no covalents amb l'estat de transició fent que la variació d'energia lliure de l'estat de transició disminueixi de manera que l'escala de temps de la reacció catalitzada respecte la no catalitzada és menor, ja que la reacció es produeix més ràpidament.
1.8. Característiques generals dels centres actius El centre actiu és una regió petita de l'enzim especialitzada en reconèixer els substrats i en facilitar les interaccions de reconeixement i de catàlisi. Generalment no hi trobarem aigua a no ser que l'aigua sigui un dels substrats necessaris per la catàlisi. La resta de l'enzim fa de suport estructural de l'acomodament del centre actiu. A nivell estructural molt ben definida. Un enzim pot tenir més d'un centre actiu. El centre actiu és una escletxa formada per grups que provenen d’aminoàcids de diferents parts de la proteïna (sovint lluny en l’estructura primària de la proteïna). Sol ocupar un volum molt petit en comparació amb el volum total de l’enzim. La resta d’aminoàcids constitueixen centres reguladors, llocs d’unió a altres proteïnes, etc. Aquest centre actiu és un microentonr únic, en el que usualment l’aigua està exclosa (a menys que sigui un dels reactius).
1.9. Els enzims apropen i orienten els grups reactius per afavorir la catàlisi L'enzim té unes primeres interaccions de reconeixement que quan es donen provoquen canvis conformacionals que permeten la unió d'un altre substrat, per tant, hi ha un moviment o acomodació de l'enzim quan s'uneix al substrat.
8 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics 1.10. Classificació i nomenclatura dels enzims Hi ha 6 classes d'enzims en funció de la reacció en què intervenen: • Oxidoreductases. Transferència d'electrons.
• Transferases. Transferència de quelcom.
• Hidrolases. Intervenen en les reaccions hidrolítiques, transfereixen grups funcionals a l'aigua.
• Liases. Addició de d'enllaços dobles o intervenen en la formació d'enllaços dobles per l'eliminació d'algun grup.
• Isomerases. Transferència d'isòmers.
• Ligases. Formació d’enllaços C-C, C-S, C-O i C-N per la condensació de reaccions lligades a un ATP o un cofactor similar.
les quinases són els enzims que transfereixen grups fosfats.
1.11. Estratègies catalítiques Catàlisi d’àcid base general Es dóna una transferència de protons en les cadenes laterals de l'enzim entre sí o entre enzim i substrat o amb l'aigua en el cas de que l'aigua sigui substrat de la reacció. Quan hi ha la paraula "general" no intervé l'aigua, quan parlem d' "específica" diem que intervé l'aigua però no com a substrat. En quasi totes les reaccions biològiques hi sol haver almenys alguna etapa que impliqui la transferència d’un protó d’un grup a un altre. Els grups donadors de protons es denominen àcids, mentre que els que els accepten, es denominen bases. En la catàlisi àcida general la transferència d’un protó per un grup adient de l’enzim estabilitza l’intermediari rebaixant l’energia lliure de l’estat de transició, mentre que en la catàlisi bàsica general, és l’abstracció d’un protó per un gruo adient de l’enzim el que estabilitza l’estat de transició. Els aminoàcids àcids i bàsics a pH fisiològic poden actuar com a àcids o bases (Glu, Asp, Cys, His,Ser, Tyr) només les cadenes que poden tenir el joc de donar o acceptar protons a pH fisiològic.
9 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics Exemple de les proteases, mecanisme catalític de les proteases, trenquen enllaços peptídics alliberant aminoàcids; l'enllaç peptídic és molt estable i per tant és molt difícil trencar-lo, a nivell de la necessitat d'hidrolitzar-lo és un problema, termodinàmicament és favorable però temporalment no, podria trigar milers d'anys en desfer-se, per això les reaccions de catàlisi dels pèptids estan catalitzades.
Hi ha moltes proteases, un exemple és la quimotripsina, que talla enllaços peptídics i reconeix aminoàcids hidrofòbics voluminosos, hidrolitza per l'extrem carboxi terminal, en el cas de la imatge, es reconeixeran fenilalanina i metionina, la quimiotripsina talla per l'extrem de la dreta, és a dir, pel carboxi terminal.
Quimotripsina pas a pas: per a poder fer la seva activitat catalítica necessita tres aminoàcids principals, la triada catalítica formada per l'aspàrtic 102, histidina 57 i serina 195, aminoàcids que de seqüència primària estan molt lluny però que plegats queden més a prop. L'aspàrtic estableix un pont d'hidrogen amb la histidina 57 de manera que situa la histidina en una orientació adequada per a que pugui formar un pont d'hidrogen amb el grup hidroxil de la serina, que serà l'aminoàcid principal. Un cop ha passat això, l'aspàrtic estira molt la histidina, i la histidina 57 capta el protó de la serina de manera que aquesta última el cedeix donant lloc a un ió alcòxid, un oxigen carregat negativament, i que és un nucleòfil molt potent que té tendència a donar i interaccionar. L'ió alcòxid es localitza en un lloc del centre actiu de l'enzim que estabilitzarà el centre actiu transitòriament. Arriba un moment que es forma un 10 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics intermediari tetracoordinat, l'intermediari és molt inestable ja que és un oxigen carregat negativament.
L’aminoàcid en rosa i el blau són el substrat que ha entrat en el centre actiu de l’enzim.
L’extrem amino terminal del pèptid està al rosa i el carbonil és al blau. Com tenim un aminoàcid amb cadena lateral voluminosa, podem trencar l’enllaç. On la triada catalítica tenim l’ió alcòxid. Com que és un nucleòfil molt potent, hi ha un atac de l’alcòxid al carboni, i això genera que el carboni estigui unit a 4 substituents diferents, de tal manera que s’ha produït una catàlisi covalent, el centre actiu substrat.
11 s’ha unit covalentment al Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics l que ha fet l’enzim amb el disseny de les cadenes laterals dels aminoàcid del centre actiu promouen que aquesta reacció passi. L’alçada de l’energia de l’estat de transició és inversament proporcional al temps. Després, el protó torna a la histidina i hi ha un trencament de l’enllaç covalent que correspon a l’enllaç peptídic que volem trencar, que és el que estava en l’intermediari acilat de manera que tenim encara el substrat unit covalentment a l’enzim i s’allibera un fragment d’aquest pèptid.
En aquest pas, alliberem un dels productes, però la reacció no ha acabat, cal que l’enzim torni a estar intacte. Fins ara teníem una acetilació per trencar l’enllaç, per alliberar el producte i tornar a l’estat inicial necessitem fer una reacció de desacetilació, i per això fa falta que entri aigua (com a substrat de la reacció) , que tornarà a desencadenar la possibilitat de que es torni a donar un intermediari tetracoordinat inestable. Passa el mateix, l’aigua ataca al carboni que actua com a electròfil, la 12 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics histidina torna a captar el protó, es queda carregat l’ió alcòxid i es queda tetracoordinat, que és molt inestable, genera un col·lapse hidrofòbic, i ara l’enzim que es trenca és l’enllaç que uneix enzim i substrat de manera que la serina, histidina i l’aspàrtic tornen al seu estat inicial. Tornem a tenir el centre actiu buit i correctament organitzat com per tornar a fer un cicle d’enzim-substrat.
Generar una butxaca hidrofòbica voluminosa de manera que ens queda molt ben disposat l’enllaç peptídic que ha de ser degradat. Si l’aminoàcid no és hidrofòbic, per repulsió el substrat no s’estabilitzarà, el mateix passaria amb una cadena lateral curta.
Si un enzim ha de reconèixer una regió hidrofòbica, el centre actiu de l’enzim ha de tenir algun aminoàcid hidrofòbic. En canvi, si volem reconèixer aminoàcids bàsics, el centre actiu ha de tenir aminoàcids àcids, i a la inversa en el cas contrari. Una butxaca àcida no reconeix un substrat àcid, negatiu amb negatiu = repulsió, per tant, la butxaca ha de ser bàsica per a reconèixer aminoàcids àcids.
Catàlisi covalent Es dóna amb un grup nucleòfil de l'enzim respecte del substrat que genera transitòriament un enllaç covalent. Un grup reactiu de l'enzim reacciona amb el substrat i transitòriament genera un enllaç covalent. El centre actiu conté un grup 13 Sonia López Pérez 1r Grau en Biologia. Estructura i funció de biomolècules. Tema 6: Catalitzadors biològics reactiu, generalment un nucleòfil potent, que esdevé transitòriament unit per un enllaç covalent a una part del substrat durant el curs de la reacció.
Catàlisi d'ions metàl·lics Són enzims que necessiten ions metàl·lics per actuar. Aproximadament un terç dels enzims coneguts necessiten ions metàl·lics per interactuar.
14 ...