Tema 6A: 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 22/04/2016
Descargas 23
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 6: CATALITZADORS BIOLÒGICS A)     Naturalesa i funció Bases de l’acció enzimàtica Mecanismes generals de catàlisi enzimàtica Classificació   Cinètica enzimàtica Regulació de l’activitat enzimàtica:  Inhibició enzimàtica  Regulació al·lostèrica  Regulació per modificació covalent.
B) Els enzims: catalitzadors biològics Un catalitzador en general és un element que ajuda a accelerar reaccions biològiques.
Però aquests catalitzadors romanen inalterats abans i després de la reacció, per tant quan allibera el seu producte, pot tornar a fer un altre cicle d’actuació. I a conseqüència d’això, aquets es troben en petites quantitats perquè no hi ha un fenomen d’esgotament, el que hi ha és funcional al llarg de moltes etapes.
Les reaccions afavorides per un catalitzador acceleren però no canvien la seva naturalesa.
Característiques generals - - Els enzims són majoritàriament proteïnes globulars.
Són molt eficients, poden incrementar la velocitat de les reaccions de 105 a 1017.
Són molt específics, en el reconeixement dels seus substrats Treballen en condicions suaus, són òptims a condicions fisiològiques.
Sovint requereixen de cofactors, de grups hemo, per estar unit covalentment a la estructura de la proteïna. I són elements sense els quals les proteïnes no podrien fer la seva funció. Doncs molts enzims necessiten cofactors per poder ser funcionals.
La seva activitat pot ser modulada, regulada. En un moment donat hem de poder-lo parar, regular la seva activitat.
Funció dels enzims Un enzim hem vist que és aquella proteïna globular amb centre actiu que reconeix el seu substrat característic. Doncs té diferents funcions:  La seva capacitat d’actuar com a catalitzador per catalitzar reaccions químiques és una de les funcions principals dels essers vius. És a dir, sense alguns enzims no tindríem possibilitat de ser éssers vius.
   Així, els enzim són catalitzadors biològics que reconeixen específicament el seu substrat i afavoreixen la reacció de catàlisi, incrementant enormement la velocitat de reacció.
Els enzims són majoritàriament proteïnes, però també hi ha (cada cop més) ribozims, quan no són proteïnes i són un RNA especial que té activitat catalítica, que en comparació amb el nombre de reaccions que catalitzen els enzims proteïnes, els ribozims són un apèndix molt petit. No participen en moltes, però si en reaccions molt importants.
Els enzims estan optimitzats per treballar en les condicions on es dóna la vida.
No serveix de res un enzim molt ràpid i específic que treballi a Ph o temperatura o pressió no fisiològiques.
Per què és un biocatalitzador? Perquè els enzims permeten que una molècula o metabòlit concret, de totes les possibles vies potencials que pugui tenir, adopti només la forma que sigui favorable termodinàmicament.
Són molt específics, però no només específics sinó estereoespecífics de manera que poden catalitzen per exemple un substrat amb un grup hidroxil en una determinada posició, però un altre substrat que el tingui amb una conformació diferent, ja no serà reconegut, o potser el podrà arribar a reconèixer però no generarà producte. Per això, són molt i molt específics i això els fa tant importants.
Els enzims són per tant, catalitzadors, però difereixen dels “catalitzadors químics”.
Aleshores, si haguéssim de triar en el laboratori: Agent químic o enzim? - Els enzims tenen moltes avantatges respecte fer servir agents químics: - - - - Poder catalític molt més elevat. Les velocitats de reacció de les reaccions catalitzades per enzims són varis ordres de magnituds superiors a les velocitats de reacció de les reaccions catalitzades per catalitzadors o agents químics.
Els enzims actuen en condicions suaus, estan optimitzats per treballar en condicions on es dóna la vida (solucions aquoses, T suaus, Ph neutre...) a diferència dels agents químics, que necessiten condicions massa extremes pels organismes (Ph, T, concentració...) a diferència dels enzims.
També aquests tenen una especificitat de reacció més gran de manera que donarà un sol producte, respecte una sola identitat de substrat, no genera varietat de productes no desitjats o reaccions secundàries acoblades a la principal.
I finalment els enzims també tenen més capacitat de control. L’activitat de molts enzim depèn de d’altres substàncies (diferents dels substrats i productes de la reacció), de manera que la cèl·lula pot coordinar tots els processos metabòlics i respondre als canvis en el seu entorn Per tant, veiem que és molt millor treballar amb enzims que no amb agents químics.
Taula veiem en quina magnitud els enzims incrementen la velocitat duna reacció biològica, termodinàmicament favorable (si no fos favorable els enzims no la accelerarien, ni intervindrien). Les acceleren tant, que aquella reacció si no hi hagués un enzim no es podria donar. Permeten adaptar en el ritme cel·lular reaccions termodinàmicament favorables, però que en una escala de temps cel·lular no podrien donar-se.
Energia lliure de les reaccions químiques En aquesta reacció no catalitzada tenen menys energia els productes que els substrats, per tant termodinàmicament és favorable, és una reacció espontània (AG’º<0) - Definim la variació d’energia lliure estàndard d’una reacció com la diferència entre el nivell energètic basal corresponen al producte (P) i el nivell energètic basal del substrat (S), en condicions estàndard.
Però per passar de substrat a producte l’enzim necessita trencar uns enllaços i formar uns de nous, i això es dóna quan passa per l’estat de transició on es dóna una variació de la energia lliure molt gran. L’alçada de l’estat de transició és el que determinarà que una reacció sigui més o menys exergònica Que la variació d’energia lliure sigui negativa, no vol dir que a nivell de temps biològic pugui ser assumible, perquè segons la energia de transició, si és molt gran, a nivell de temps, serà molt lenta. La velocitat depèn de l’energia d’activació, la que cal per arribar a l’estat de transició.
- L’estat de transició 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.
Aleshores els enzims, ho arreglen. Els enzims no afecten la concentració de substrat o producte (AG’º inalterada), sinó la variació de la energia de l’estat de transició que el redueixen molt, han de disminuir la barrera d’activació, de manera que l’escala de temps en que es doni la reacció serà molt més favorable, més ràpida, tot i que el procés SI o SI ha de ser termodinàmicament favorable (energia lliure negativa). I com més alt sigui l’estat de transició més temps requerirà l’enzim per poder dur a terme la transformació, però sobretot, els enzims no alteren substrats i productes mai.
Per tant els enzim, si no alteren les concentració de S i P, ni la AG’º, no alteren la constat d’equilibri. Per exemple imaginem una reacció monosubstrat en la que en absència d’enzim k1 =10-4 s-1 i k-1= 10-6 s-1, per tant K’eq=k1/k-1=100. Doncs amb presència d’enzim, augmentaran molt tant k1 com k-1, però la K’eq serà la mateixa. I per tant AG’º també serà la mateixa.
El que fan els enzims és augmentar molt la velocitat a la que les reaccions arriben a l’equilibri, però NO varien la constant d’equilibri. La K’eq depèn de ΔG’°, és a dir de la diferència de contingut en energia lliure dels productes i dels reactius en condicions estàndard.
El valor de ΔG’ indica si una reacció és espontània (o sigui que ΔG’ <0) o no és espontània (ΔG’>0) en condicions no standard. Aquest valor tampoc pot ser modificat pels enzims.
Mitjançant la disminució de l’energia d’activació els enzims incrementen la velocitat de la reacció.
L’origen del poder catalític i l’especificitat En una reacció on no hi ha un catalitzador, hi ha lentitud, perquè és entròpicament desfavorable.
En canvi si està catalitzada, la disminució de l’entropia es veu afavorida per la quantitat d’enllaços no covalents que s’originen en l’estat de transició. 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. Mitjançant la interacció de l’enzim, no covalent, amb el substrat es compensa el concepte desfavorable. Els enzims usen l’energia d’unió dels substrats per a organitzar els reactius en un complex ES força rígid.
Aleshores l’enzim ha de ser una estructura que promogui l’establiment de múltiples interaccions no covalents amb els substrat, per això són estructures força grans, on els aa que formen part de la regió de transició seran força reactius per poder formar interaccions.
a) Reacció no catalitzada L’enzim ha de reconèixer el substrat, perquè després de l’estat de transició passi a enzim + producte. Per tant, si hi ha una reacció NO catalitzada, i el substrat ha de passar a producte, en l’estat de transició necessito doblegar-lo per poder-lo trencar, de manera que té una variació d’energia lliure molt alta, aleshores a nivell de temps serà molt lent, perquè necessito doblegar per poder trencar, i això requereix de molta energia. No catalitzat és favorable però molt lent.
b) Enzim complementari al substrat Si tinc un enzim que reconeix un substrat, amb el qual formarà el màxim nombre d’interaccions no covalents i el reconeixerà de manera molt específica, aquest ja el podrà passar a producte passant per l’estat de transició.
Però si s’estabilitza molt per les interaccions amb el substrat no passarà directament a l’estat de transició, sinó que haurà de baixar a un nivell més a baix, perquè per poder passar a l’estat de transició hi haurà d’haver una reducció de l’aportació energètica necessària.
Per tant, com a estratègia no és bo estabilitzar plenament el substrat.
Aleshores la variació d’energia lliure que necessitarà serà la d’estabilitzar el substrat + la del punt de partida inicial, per tant la estratègia dels enzims tampoc passa per estabilitzar substrats directament. És a dir, 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 (massa estable).
c) Enzim complementari a l’estat de transició La millor de les estratègies, és quan els enzims tenen el seu centre actiu que condiciona bé l’estat de transició, promou l’estat de transició, perquè per passar de substrat a producte necessito doblegar. L’enzim ajuda a doblegar, estableix el màxim d’interaccions no covalents en l’estat de transició d’aquella reacció, afavorint-lo, de manera que disminueix la variació d’energia lliure de l’estat de transició, i això fa que la reacció de temps sigui molt més ràpida que la reacció no catalitzada.
El centre actiu, que reconeix els substrat és complementari a l’estat de transició, tot i que això no vol dir que l’enzim no acabi de tenir certes reaccions de reconeixement amb els substrat, però el màxim les genera amb el centre actiu. I aquesta és sempre l’estratègia favorable que segueix l’enzim.
Resum Característiques generals del centre actiu L’enzim uneix als substrats (S) en una regió específica denominada centre actiu, en la que estan orientats correctament i en la que es dóna l’alineament adient amb els grups funcionals de l’enzim, per tal que es doni la reacció.
És una entitat petita (ocupa un volum molt petit comparat amb el volum de l’enzim) que està especialitzat en reconèixer els substrats i en facilitar la sèrie de interaccions de reconeixement i catàlisi. Llavors en aquest s’hi poden ajuntar substrats que a nivell de seqüència primària potser quedaven molt allunyats, però a nivell de seqüència terciària queden propers en l’espai. És a dir, que 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). I la resta d’aminoàcids constitueixen centre reguladors, llocs d’unió a altres proteïnes...
I és un micro-entorn únic, on generalment no trobarem aigua, a no ser que sigui un dels substrats necessaris per la catàlisi, un dels reactius.
La resta de l’enzim fa de suport estructural perquè es pugui establir el centre actiu, i altres regions tenen funcions de modulador i interaccionen amb reactius que modulen l’activitat.
No tots els enzims tenen només un centre actiu, per exemple la hexoquinasa té dos punts de reconeixement de substrats diferents: un per la glucosa i l’altre per l’ATP, i sense aquests dos substrats no provocaria una fosforilació més rapida, una reacció catalitzada. Quan s’uneix la glucosa hi ha un canvi conformacional de la proteïna que provoca la obertura d’un segon centre que permet que s’uneixi el segon substrat de la reacció, l’ATP, i quan s’orienta correctament, es dóna la reacció, passant per l’estat de transició, i formant el producte.
De manera que els enzim apropen i provoquen la orientació correcte dels grups reactius per afavorir la catàlisi.
Classificació i nomenclatura Exemple hexoquinasa: ATP + glucosa glucosa-6-fosfat.
Hi ha una transferència d’ATP en la glucosa.
La hexoquinasa és una transferasa (2) que passa un fosfat de l’ATP a la glucosa, per això el número EC (que és l’únic valor segur) comença per 2, i el 7 marca que transferim fosfat, i a partir d’aquí van creixent la resta de números que no es solen conèixer. En general aquest enzim es coneix com ATP-glucosa fosfo-transferasa. I normalment els enzims que transfereixen fosfats són quinases.
Aleshores veiem que hi ha fins a 6 classes d’enzims en funció de la reacció que hi ha: Taula Estratègies catalítiques Hi ha diferents estratègies perquè un substrat passi de l’estat inicial, a l’estat de transició amb un enzim, i es transformi en producte. Generalment uns es dediquen a la especificitat i altres a la catàlisi: - Catàlisi covalent: quan el centre actiu conté un grup 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: aproximadament un terç dels enzims coneguts necessiten ions metàl·lics per poder actuar.
- Catàlisi àcid-base general: transferència de protons entre grups, i es diu general quan la transferència de protons és entre cadenes laterals de l’enzim entre si, o entre el substrat però no amb l’aigua. Quan és amb l’aigua s’anomena catàlisi àcid-base especifica, a no ser que l’aigua sigui un dels substrats de la reacció.
Però com sabem, no tots els grups de les cadenes laterals dels aa poden donar o acceptar protons, només podran tenir joc els aa àcids, amb la forma àcida quan estiguin protonats i la seva forma bàsica quan estigui desprotonats, els aa bàsics amb els grups amino protonats com a àcids, i desprotonats com a base, la cisteïna que té el grup tiol que a Ph fisiològic és reactiu, les histidines que a Ph 6-7 el grup amino pot estar en forma bàsica o àcida, la serina amb hidroxil a la punta i la tirosina amb grup hidroxil a la punta de l’anell.
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, rebaixan l’energia lliure de l’estat de transició, mentre que en la catàlisi bàsica general, és l’abstracció d’un protó per un grup adient de l’enzim el que estabilitza l’estat de transició.
Mecanisme catalític de les proteases. Exemple de reacció enzimàtica.
Les proteases són els enzims encarregats de degradar les proteïnes de la ingesta.
Necessitem ingerir proteïnes, de manera que els enzims degraden les proteïnes grans perquè els aa individuals formin una reserva. Aquestes també serveixen per degradar un pèptid per aturar senyals nerviosos, neuropèptids, o degradar proteïnes que no són necessàries en el proteasomes.
Les proteases trenquen enllaços peptídics, i van alliberant aa individualment per tant, tinc un pèptid amb l’aa 1 i el 2 i amb l’ajuda de l’aigua (2n substrat de la reacció), les proteases degraden cada aa individual. És una reacció d’hidròlisi, o una proteòlisi, que fan les proteases.
I com que aquest enllaç peptídic, és difícil d’hidrolitzar i trencar, per això estan catalitzades les reaccions d’hidròlisi de pèptids.
De proteases n’hi ha moltes, perquè hi ha molta especificitat de substrat: n’hi ha que reconeixen aa àcids, altres bàsics... com per exemple la quimotripsina, que talla enllaços peptídics i reconeix aa hidrofòbics voluminosos, els aromàtics: la tirosina, la fenilalanina i el triptòfan, la metionina i la leucina.
Aquest hexa-pèptid té aa hidrofòbics petits que no seran reconeguts, i altres grans que sí que seran reconeguts (perquè només reconeix els voluminosos) i aleshores el tall es realitzarà en l’extrem peptídic carboxi terminal (en vermell). I com ho fa? - La quimotripsina per poder fer la seva activitat catalítica, i tallar aquest enllaç, necessita de la triada catalítica, 3 aa principals, on l’aa més important es la serina, aa que a nivell de seqüència primària està molt lluny però a nivell d’estructura terciària queda molt proper. I després hi ha l’aspàrtic 102 que estableix un pont d’H amb la histidina 57, i situa la histidina amb una orientació adequada perquè amb l’altre N de la histidina pugui col·locar-se bé respecte la serina de qui ESTIRARA MOLT el seu protó, de manera que la serina li acaba cedint el seu protó, i així la histidina 57 el captarà i farà que, transitòriament, l’O de la serina quedarà amb carrega negativa (serà un ió alcòxid).
Mecanisme catalític de la quimotripsina pas a pas Hi participen 3 aminoàcids: L’aspàrtic 102, que no forma part de la catàlisi però sí que intervé en la orientació de la histidina 57 perquè pugui acabar segrestant el protó de la serina i fa que ella mateixa es converteixi en una espècie molt reactiva, un nucleòfil molt potent (exemple de catàlisi covalent). Quan estira la histidina a la serina, li queda l’ió alcòxid a la serina que es localitza en un lloc del centre actiu de l’enzim (Oxyanion hole), que s’uneix a la glicina 193 i l’estabilitzarà transitòriament perquè és molt actiu.
Aleshores es forma un intermediari tetracoordinat: està covalentment unit l’oxigen amb carrega negativa al C, de manera covalent i aquest oxigen amb carrega negativa que és molt inestable és un primer pas de l’estat de transició, que necessita un enzim per passar de substrat a producte (exemple de catàlisi covalent). L’enzim amb les cadenes laterals dels aa promou el procés. L’intermediari és molt poc estable i acaba generant un col·lapse, i hi ha un retorn a la situació inicial, i per tant el grup torna el protó a la histidina i hi ha un trencament de l’enllaç covalent, que no és entre l’enzim i substrat, sinó que és el que correspon a l’enllaç peptídic que volem trencar. De manera que quan hi ha el retorn es trenca l’enllaç covalent de manera que ara hi haurà el substrat unit encara covalentment a l’enzim però s’allibera un fragment del pèptid, el primer dels productes. Fins ara havíem afegit un substituent al C carbonílic, però ara necessitem tornar a la situació inicial (histidina i serina coordinades) per alliberar la resta del producte, i per això fa falta que entri una aigua en el centre actiu, que forma part de la reacció enzimàtica, de manera que seria com un substrat més. L’aigua torna a desencadenar la possibilitat que es torni a donar l’intermediari tetracoordinat inestable, i es col·loca de manera que la histidina tornaria a captar el protó, i tornaria a quedar un O negatiu molt nucleòfil dins “l’Oxyanion hole” que torna a atacar al carboni carbonílic, però com hi ha una unió, que es dóna amb l’aigua, del substrat i l’enzim, es dóna un col·lapse hidrofòbic, i es recupera la situació inicial on la serina es coordina amb la histidina i on el substrat ja no està unit covalentment amb cap grup de l’enzim, i s’alliberaria el segon producte de la reacció amb aquest nou cicle d’acilació.
Primer intermediari tetracoordinat Segon intermediari tetracoordinat Aquest mecanisme catalític, justifica que sigui una proteasa, ja que fa que es doni la degradació de l’enllaç peptídic, però no justifica l’especificitat de substrat, perquè sinó la quimotripsina, explicant aquest procés, podria degradar qualsevol aa però no ho fa.
 Observem que en el centre actiu a part dels aa de la triada, hi ha regions que només encabiran determinats aa, els responsables de la especificitat de substrat, de manera que si un aa no pot encabir-se en aquella regió, la cadena lateral dels aa no podran interaccionar de manera adient com per generar totes questes activacions. En el cas de la quimotripsina hi ha un butxaca hidrofòbica voluminosa, de manera que queda molt ben disposat l’enllaç peptídic que s’ha de trencar gràcies a l’aa voluminós, hidrofòbic que reconeixerà aquesta regió hidrofòbica.
La part rosa i blava, són dos aminoàcids que formen el substrat, amb el centre actiu que és un regió molt petita però molt adaptada per reconèixer el substrat. L’aa 1 rosa, és bon candidat a ser substrat de l’enzim per la seva cadena lateral voluminosa.
...