Tema 6: Catalitzadors biològics. Part 1 (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Estructura i funció de biomolècules
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 21/04/2016
Descargas 7
Subido por

Vista previa del texto

Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules TEMA 6: Catalitzadors biològics Els enzims: catalitzadors biològics Un catalitzador ens ajuda a accelerar una reacció. Un catalitzador biològic accelera reaccions biològiques. Els catalitzadors romanen igual, inalterats, abans i després de la reacció. En conseqüència els catalitzadors es troben presents en petites quantitats, perquè no hi ha un fenomen d’esgotament. Les reaccions que són afavorides per un catalitzador no canvien la seva naturalesa.
Els enzims: característiques generals     La majoria són proteïnes globulars Molt eficients: poden incrementar la velocitat de les reaccions de 105 a 1017 vegades Molt específics: reconeixement dels substrats La seva activitat és òptima en condicions suaus, treballen en condicions suaus (fisiològiques)  Sovint requereixen d’un cofactor (Exemple: el grup hemo, tot i que és un grup prostètic perquè esta unit covalentment a l’hemoglobina, sense ell l’hemoglobina no pot fer la seva funció)  La seva activitat pot ser modulada (regulada), no només pot ser, sinó que ha de ser modulable. Hem de poder parar un enzim, no sempre cal dur a terme una reacció.
Funció dels enzims  La capacitat de catalitzar reaccions químiques és una de les funcions principals dels éssers vius.
 Els enzims són catalitzadors biològics que reconeixen molt específicament el seu substrat i afavoreixen la reacció de catàlisi, incrementant enormement la velocitat de la reacció.
 Els enzims són majoritàriament proteïnes, i en algunes ocasions fragments RNA (ribozims, RNA que té capacitat catalítica). En comparació amb el nombre de reaccions que catalitzen els enzims, els ribozims serien només un petit apèndix.
 Els enzims estan optimitzats per a treballar en les condicions on es dóna la vida. A un pH fisiològic, temperatura, pressió…fisiològics.
Perquè un biocatalitzador? Tenim una molècula en solució o sota un entorn determinat por adoptar moltes diferents possibilitats, diverses formes, doncs els enzims el que faran és que aquesta molècula vagi a fer una única forma que és la que és termodinàmicament més favorable. De totes les possibles vies potencials que pot tenir un metabòlit per evolucionar, els enzims fan que la desitjada sigui la més favorable. Els fa molt rellevants el fet de ser tant específics.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Els enzims no són només específics, són estereoespecífics: 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 catalitzades per catalitzadors “químics”.
 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. En canvi els catalitzadors químics per fer la seva funció necessiten condicions que per l’organisme serien massa extremes, a nivell de pH, de concentració, de temperatura…  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 donen productes secundaris no desitjats de la reacció. A diferència dels enzims químics que transformen els substrats en productes però donen gran varietat de productes secundaris o intermediaris no desitjats.
 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 als canvis en el seu entorn.
Els enzims són majoritàriament proteïnes, encara que algunes molècules de RNA també ho són (ribozims).
Hem vist que tot són avantatges pels enzims respecte els catalitzadors químics, és a dir, si podem triar quin dels dos, triem els enzims, però si en un laboratori no tens cap enzim que et pugui fer aquella reacció doncs utilitzes un catalitzador químic.
Taula: És per veure en quina magnitud arriben a accelerar els enzims les reaccions biològiques.
Un enzim no pot fer quelcom que no sigui termodinàmicament favorable. No alteren la natura de les reaccions. Si una reacció no és termodinàmicament possible, l’enzim no la podrà fer viable. Però els enzims són imprescindibles perquè moltes reaccions dins la cèl·lula tot i ser favorables tardarien molts anys en fer-se en la cèl·lula. Per tant, els enzims permeten adaptar al ritme cel·lular les reaccions que a escala de temps cel·lular no podrien donar-se.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Energia lliure de les reaccions químiques  Definim la variació d’energia lliure estàndard (ΔG’º) d’una reacció com la diferència entre el nivell energètic basal corresponent al producte (P) i el nivell energètic basal corresponent del substrat (S) en condicions estàndard.
 En aquesta reacció no catalitzada el pas de S  P es troba afavorit termodinàmicament, perquè el nivell energètic del P és inferior al del S, per tant tenim una ΔG’º < 0, i per tant una reacció espontània.
 Però això no vol dir que S  P tingui lloc a una velocitat apreciable a escala biològica. La velocitat depèn de la energia d’activació: la que cal per arribar a l’estat de transició.
 L’estat de transició és 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.
Com treballen els enzims: Depenent de com de gran sigui l’energia de l’estat de transició la reacció serà molt diferent. Els enzims redueixen l’energia d’activació (energia de l’estat de transició: energia que es requereix per arribar a l’estat de transició), ja que quan més petita és més ràpida és la reacció. Fent que l’escala de temps de la reacció sigui molt més favorable. Tot i que la variació d’energia lliure ha de permetre ser favorable. Mitjançant la disminució de l’energia d’activació els enzims incrementen la velocitat de la reacció.
Arribarà al mateix punt una reacció catalitzada d’una no catalitzada, però variarà el temps en què s’arriba a la reacció. No varien els productes.
Bases de l’acció enzimàtica    Els enzims no alteren la constant d’equilibri. Imaginem la reacció monosubstrat de la dreta 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= 104 /10-6=100. En presència d’enzim, augmentaran molt tant k1 com k-1, però la K’eq 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 estàndard. Aquest valor tampoc pot ser modificat pels enzims.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules L’origen del poder catalític i l’especificitat A+B↔C+D  Si no està catalitzat: Dos reactius lliures  un únic estat de transició restringit La conversió és entròpicament desfavorable.
 Si està catalitzat: Els enzims usen l’energia d’unió dels substrats per organitzar els reactius en un complex ES força rígid.
Les interaccions entre l’enzim i el substrat seran òptimes 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.
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 “barrasa” dissenyat per a catalitzar el trencament d’una barra? Sense catalitzar és favorable però molt lent. Però si la butxaca d’unió de l’enzim “barrasa” fos complementària a la barra (substrat), s’estabilitzaria la unió (per les “interaccions magnètiques”, en aquest cas hipotètic) per això no facilitaria el trencament de la barra. Si jo utilitzo un enzim que estabilitza molt el substrat rebaixo molt l’energia del substrat, per tant, hauria de fer una aportació d’energia més gran per poder passar l’estat de transició, per tant com a estratègia no és bona.
He de trobar un enzim que rebaixi l’energia d’activació, però que no estabilitzi el substrat.
L’estratègia dels enzims és condicionar bé l’estat de transició, promou l’estat de transició.
L’enzim ajuda a doblegar, té el màxim d’interaccions no covalents amb l’estat de transició d’aquella reacció, d’aquesta manera disminueixen l’energia d’activació, de manera que ara la variació d’energia lliure és molt més petita, de manera que ara el substrat passa a productes més ràpidament.
En aquest cas, el centre actiu és complementari amb l’estat de transició, això no vol dir que no tingui certes interaccions amb el substrat (algunes), però el major nombre d’interaccions es donen amb 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. ΔGM 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 “barrassa”.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Característiques generals dels centres actius: Un centre actiu és una regió petita d’un enzim que està especialitzada en reconèixer els substrats i facilitar les reaccions de reconeixement i catàlisi. La resta de l’enzim fa de suport estructural del centre actiu, i altres regions de l’enzim que tenen funcions de regulació.
Els enzims apropen i afavoreixen la correcta orientació dels grups reactius per afavorir la catàlisi. 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.
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 (comparat amb el volum total de l’enzim). La resta d’aminoàcids constitueixen centres regulatoris, llocs d’unió a altres proteïnes, etc.
 És un microentorn únic, en el que usualment l’aigua està exclosa (a menys que sigui un dels reactius).
Els enzims apropen i orienten els grups reactius per afavorir la catàlisi: Classificació i nomenclatura Exemple: ATP + Glucosa ↔ Glucosa–6–Fosfat + ADP Nom de l’enzim: ATP: glucosa fosfotranferasa Nom que s’utilitza: hexokinasa Numero E.C.: 2.7.1.1  2(vol dir que és un enzim).7(indica que transferim fosfat).1.1  numeració característica de cada enzim, si estem estudiant un enzim molt concret.
És una transferasa.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Estratègies catalítiques  Catàlisi àcid-base general: transferència de protons entre grups. Es diu general quan la transferència de protons és entre cadenes laterals de l’enzim entre si o bé entre l’enzim i el substrat (no participa l’aigua), o amb l’aigua si l’aigua també és un substrat de la reacció. Si la transferència de protons es fa amb l’aigua (aigua que hi pot haver en l’estructura, que no formi part de la reacció) es diu catàlisi específica.
 Catàlisi covalent: 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. Exemple: A–B + X  A–X + B (H2O) A + X: + B  Catàlisi de ions metàl·lics: Aproximadament un terç dels enzims coneguts necessiten ions metàl·lics per poder actuar. Hi ha enzims que sense un ió metàl·lic en el centre actiu no poden fer la reacció.
A vegades perquè un substrat passi a producte pot utilitzar els 3 tipus de catàlisi.
Catàlisi àcid – base general Les cadenes laterals són qui reaccionarà, però no tots els aminoàcids ho podran fer el tipus de catàlisi àcid-base, només els aminoàcids que pugui donar i acceptar protons a pH fisiològic: aminoàcids àcids (Glu, Asp), els bàsics (Lys, Arg), les cisteïnes, les histidines, les serines i les tirosines.
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 grup adient de l’enzim el que estabilitza l’estat de transició.
Exemple de reacció enzimàtica. Mecanisme catalític de les proteases: Les proteases trenquen enllaços peptídics, els van trencant i alliberant aminoàcids individuals.
Amb l’ajuda de l’aigua les proteases degraden els pèptids. L’enllaç peptídic és molt estable, per això alhora de trencar-lo és més difícil, termodinàmicament és favorable la hidròlisi, però l’escala de temps seria entre 10 i 1000 anys. Per això les reaccions d’hidròlisi dels pèptids estan catalitzades. Hi ha moltíssimes proteases, perquè hi ha molta especificitat de substrat.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Especificitat de la quimotripsina: Talla enllaços peptídics i reconeix aminoàcids hidrofòbics voluminosos: leucina, metionina, fenilalanina, tirosina i triptòfan (aromàtics), i hidrolitza per l’extrem carboxi-terminal.
La quimotripsina necessita de la triada catalítica (3 aminoàcids), l’aminoàcid més important és la serina. L’aspàrtic 102 fa un pont d’hidrogen amb l’histidina 57 i la col·loca bé la histidina 57 perquè pugui fer un pont d’hidrogen amb la serina 195 (l’aspàrtic és important per l’orientació), els 3 elements s’estan passant protons per generar una estructura favorable per la catàlisi. La histidina 57 estira molt el protó de la serina, de manera que la serina cedeix el protó transitòriament, això fa que ens quedi un oxigen carregat negativament i això és un ió alcòxid, té molta tendència a reaccionar, és un nucleòfil molt potent.
Mecanisme catalític de la quimotripsina pas a pas La quimotripsina degrada enllaços peptídics. Els enllaços peptídics són enllaços dels quals la hidròlisi és termodinàmicament favorable però a nivell de temps no és un temps que es pugui assolir in vivo, i aquí és on un enzim pot fer quelcom. Una reacció favorable la pot convertir en quelcom que es pugui donar en un temps real per una cèl·lula. L’enllaç peptídic és un enllaç que degut a la ressonància que es dóna del doble enllaç del carboxil és un enllaç rígid i pla. I a la vegada, fa que el carboni carbonílic sigui molt poc reactiu. L’enzim el que farà en el fons serà fer que aquest carboni carbonílic sigui més reactiu i per tant es doni la hidròlisi. En el cas de la quimotripsina no només és important el mecanisme catalític sinó també la especificitat de l’enzim. Els enzims han de poder fer els dos processos: reconèixer de manera específica i accelerar reaccions. La quimotripsina és una proteasa però no degrada qualsevol enllaç peptídic. Degrada enllaços peptídics quan en reconeix aminoàcids hidrofòbics voluminosos i els talla pel seu extrem C-terminal.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules En aquest mecanisme hi participa una tríada catalítica (Asp, Ser i His) que es van transferint un protó a través d’un pont d’hidrogen. L’Asp no té un rol en la catàlisi però si que té un rol en orientar correctament la histidina perquè pugui acabar segrestant el protó de la Serina i convertint la serina transitòriament en una espècie molt reactiva, en un nucleòfil, de manera que convertim la Ser en un nucleòfil molt potent, i serà un exemple de catàlisi covalent.
L’Aminoàcid rosa i el blau és el substrat, que ha entrat en el centre actiu de l’enzim, i veiem que s’emmotlla, estructuralment està bastant aconseguit per encabir aquests elements. El centre actiu és una regió molt petita però molt adaptada a reconèixer aquest substrat. Aquest aminoàcid té una cadena lateral hidrofòbica voluminosa, per tant és bon candidat de ser substrat d’aquest enzim.
(1) Captació del protó per part de la Histidina, que està ben orientada perquè l’Aspàrtic la orienta bé. Llavors queda un ió alcòxid, que és la Serina molt reactiva, amb un oxigen amb càrrega negativa.
(2) Com que és un nucleòfil molt potent farà un atac sobre el carboni carbonílic que és un electròfil (del pèptid), això em genera una catàlisi de tipus covalent.
(3) Hi ha transitòriament un intermediari (perquè això és molt inestable) de vida molt curta on hi ha el carboni tetracoordinat, amb 4 substituents, on un d’ells és la serina del centre actiu, per tant és un intermediari que transitòriament està unit de manera covalent substrat i enzim.
Això és un procés d’acilació, se li afegeix un acil en el carboni carbonílic del substrat. aquest intermediari és molt inestable de manera que això en el temps és molt curt, però en el fons el que està provocant és l’activació del carboni que era molt poc reactiu en condicions estàndard.
Tenim aquest intermediari que és molt inestable i acaba donant un col·lapse, 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, aquest enllaç covalent que es trenca quan hi ha el retorn del protó cap a la histidina, el que es trenca és el enllaç covalent que estava en aquest intermediari acilat, el que volem trencar. De manera que ara tinc el substrat unit covalentment a l’enzim, però se m’allibera un fragment del pèptid, i tinc enganxada l’altre part del pèptid amb l’enzim. Ara ja tinc una part dels productes. Però la reacció no s’ha acabat, cal que l’enzim torni a estar intacte per tal que la reacció hagi finalitzat i pugui començar un nou cicle.
(4) Ara necessitem un procés de desacetilació per tornar a la situació inicial i alliberar el segon producte que serà la resta del substrat. Per a la següent reacció ens cal que entri una molècula d’aigua en el centre actiu, en aquest cas l’aigua és un substrat de la reacció, l’aigua el que ens fa és tornar a desencadenar la possibilitat que es torni a donar un intermediari tetracoordinat inestable. Entraria l’aigua, es col·locaria d’una manera que la histidina tornaria a captar el protó, tornaríem a tenir un oxigen negatiu molt nucleòfil que atacarà al carboni carbonílic. El que passa és que aquí tinc una unió covalent entre enzim i substrat, no és el pèptid sol. En l’atac es torna a donar un intermediari tetracoordinat, ara amb l’aigua, el substrat i l’enzim.
(5) Això és molt inestable, genera un col·lapse hidrofòbic i ara l’enllaç covalent que es trenca per orientació quan la histidina vol tornar a recuperar el seu protó és l’enllaç que unia enzim i substrat. Per tant, es torna a recuperar la situació inicial on la serina es coordina amb la histidina i on el substrat ja no està unit de manera covalent amb cap grup de l’enzim.
(6) En aquesta nova situació el substrat ja pot sortir del centre actiu, tindríem ja el segon producte de la reacció d’aquest nou cicle d’acilació. (7) I tornaríem a tenir el centre actiu buit i organitzat correctament com per fer una nou cicle de degradació de substrat.
Anna Jiménez Pouget Tema 6: Estructura i funció de biomolècules Hi ha també un pas d’especificitat de substrat molt important. En el centre actiu a part dels enzims de la tríada catalítica, hi ha regions disposades que només encabiran determinats aminoàcids, i aquest no seran responsables de la catàlisi, però si de l’especificitat de substrat.
De manera que si un aminoàcid no pot encabir-se en aquesta regió determinada responsable de l’especificitat de substrat, la cadena lateral dels aminoàcids no podran interaccionar de manera adient com per generar tots aquets atacs i les activacions dels grups específicament.
En el cas de la quimotripsina el que hi ha és una butxaca hidrofòbica voluminosa, de manera que tant els voluminosos com els no tant voluminosos hidrofòbics, queden ben alineats amb la tríada catalítica. Si la butxaca no fos hidrofòbica no hi hauria reconeixement, per repulsió no s’estabilitzaria el substrat, les interaccions hidrofòbiques es donen amb hidrofòbics. Si no fos hidrofòbica la butxaca, l’aminoàcid no hi hauria un bon ajust de l’enllaç peptídic com perquè es pogués donar aquest atac nucleofílic. La butxaca ha de reconèixer aminoàcids hidrofòbics, i per això cal que sigui hidrofòbica, si aquest enzim hagués de tallar un enllaç peptídic situat en un extrem carboxi-terminal d’aminoàcids bàsics la butxaca seria àcida. I si fos per reconèixer un aminoàcid àcid, haurà de tenir una butxaca bàsica. Però l’hidrofòbic el reconeixement és hidrofòbic amb hidrofòbic.
...