Catálisis enzimática, Ajuste inducido, Mecanismos de una ruta de reacción alternativa, Ejemplos de mecanismos catalíticos

La catálisis enzimática es la catálisis de reacciones químicas por proteínas especializadas conocidas como enzimas. Catálisis de reacciones bioquímicas en la célula es de vital importancia debido a las velocidades de reacción muy bajas de las reacciones no catalizada.

El mecanismo de la catálisis enzimática es similar en principio a otros tipos de catálisis química. Al proporcionar una ruta de reacción alternativa, la enzima reduce la energía necesaria para alcanzar el estado de transición de energía más alta de la reacción. La reducción de la energía de activación aumenta el número de moléculas de los reactivos con la energía suficiente para llegar a la energía de activación y formar el producto.

Ajuste inducido

El modelo preferido para la interacción enzima-sustrato es el modelo de ajuste inducido. Este modelo propone que la interacción inicial entre la enzima y el sustrato es relativamente débil, pero que estas interacciones débiles rápidamente inducir cambios conformacionales en la enzima que fortalecer la unión.

Las ventajas del mecanismo de ajuste inducido surgen debido al efecto estabilizador de la fuerte unión enzima. Hay dos mecanismos diferentes de sustrato de unión: unión uniforme, que tiene una fuerte unión al sustrato, y la unión diferencial, que tiene un fuerte estado de transición de unión. El efecto estabilizante de los aumentos de unión uniformes tanto de sustrato y la afinidad de unión del estado de transición, mientras que la unión diferencial sólo aumenta la afinidad de unión del estado de transición. Ambos son usados por las enzimas y han sido evolutivamente elegido para minimizar la Ea de la reacción. Las enzimas que están saturados, es decir, tienen una alta afinidad de unión al sustrato, requieren unión diferencial para reducir la Ea, mientras que los pequeños enzimas unidas sustrato pueden utilizar diferencial o unión uniforme.

Estos efectos han llevado a la mayoría de las proteínas utilizando el mecanismo de unión diferencial para reducir la Ea, por lo que la mayoría de las proteínas tienen alta afinidad de la enzima para el estado de transición. Unión diferencial se lleva a cabo por el mecanismo de ajuste inducido - el sustrato se une primero débilmente, a continuación, la enzima cambios conformación aumentando la afinidad para el estado de transición y su estabilización, por lo que la reducción de la energía de activación para llegar a él.

Es importante aclarar, sin embargo, que el concepto de ajuste inducido no se puede utilizar para racionalizar la catálisis. Es decir, la catálisis química se define como la reducción de Ea en relación con Ea en la reacción no catalizada en agua. El ajuste inducido sólo sugiere que la barrera es menor en la forma cerrada de la enzima, pero no nos dice cuál es la razón de la reducción de los obstáculos.

Ajuste inducido puede ser beneficioso a la fidelidad de reconocimiento molecular en presencia de la competencia y el ruido a través del mecanismo de corrección de pruebas conformacional.

Mecanismos de una ruta de reacción alternativa

Estos cambios conformacionales también traen catalítica de residuos en el sitio activo cerca de los enlaces químicos en el sustrato que se alteran en la reacción. Después de la unión se lleva a cabo, uno o más mecanismos de catálisis reduce la energía del estado de transición de la reacción, proporcionando una vía química alternativa para la reacción. Hay seis posibles mecanismos de "encima de la barrera" catálisis, así como una "a través de la barrera" mecanismo:

Cepa Bonos

Este es el principal efecto de la unión de ajuste inducido, en donde la afinidad de la enzima para el estado de transición es mayor que con el propio sustrato. Esto induce reordenamientos estructurales que ponen a prueba bonos sustrato en una posición más cercana a la conformación del estado de transición, por lo que la reducción de la diferencia de energía entre el sustrato y el estado de transición y ayudar a catalizar la reacción.

Sin embargo, el efecto de la tensión es, de hecho, un efecto de desestabilización del estado fundamental, en lugar de efecto de estabilización del estado de transición. Además, las enzimas son muy flexibles y no pueden aplicar gran efecto cepa.

Además de la cepa de bonos en el sustrato, cepa enlace también puede ser inducida dentro de la propia enzima para activar los residuos en el sitio activo.

Proximidad y orientación

Esto aumenta la velocidad de la reacción como las interacciones enzima-sustrato se alinean grupos químicos reactivos y los mantienen juntos. Esto reduce la entropía de los reactivos y por lo tanto hace que las reacciones, tales como la ligadura de reacciones de adición o más favorables, hay una reducción en la pérdida total de la entropía cuando dos reactivos se convierten en un solo producto.

Este efecto es análogo a un incremento efectivo en la concentración de los reactivos. La unión de los reactivos de la enzima da el carácter reacción intramolecular, lo que da un aumento de la tasa masiva.

Sin embargo, la situación puede ser más compleja, ya que los estudios computacionales modernos han establecido que los ejemplos tradicionales de los efectos de proximidad no se pueden relacionar directamente con los efectos entrópicos enzimas. Además, se ha encontrado la propuesta original entrópica a sobreestimar en gran medida la contribución de la orientación de la entropía a la catálisis.

Donantes o aceptores de protones

Donantes y aceptores de protones, es decir, ácidos y bases pueden donar y de aceptar protones a fin de estabilizar los cargos en desarrollo en el state.This transición normalmente tiene el efecto de activar nucleófilo y grupos electrófilos, o la estabilización de grupos salientes. Histidina es a menudo el residuo involucrados en estas reacciones ácido/base, ya que tiene un pKa cerca de pH neutro y por lo tanto puede tanto aceptar y donar protones.

Muchos mecanismos de reacción relacionadas con un ácido/base de la catálisis asumen un pKa alterado sustancialmente. Esta alteración de pKa es posible a través del entorno local del residuo.

pKa también puede ser influenciado de manera significativa por el medio ambiente circundante, en la medida en que los residuos que son básicos en solución pueden actuar como donantes de protones, y viceversa.

Es importante aclarar que la modificación de los pKa es una parte pura del mecanismo electrostática. Por otra parte, el efecto catalítico del ejemplo anterior se asocia principalmente con la reducción de la pKa del oxianión y el aumento en el pKa de la histidina, mientras que la transferencia de protones desde la serina a la histidina no se cataliza de manera significativa, ya que no es la determinación de la tasa de barrera.

Catálisis electrostática

La estabilización de los estados de transición también puede ser cargadas por los residuos en el sitio activo de la formación de enlaces iónicos con el intermedio. Estos enlaces pueden provenir de cadenas laterales ácidas o básicas que se encuentran en los aminoácidos tales como lisina, arginina, ácido aspártico o ácido glutámico o provenir de cofactores metálicos tales como el zinc. Los iones metálicos son particularmente eficaces y pueden reducir el pKa de agua suficiente para que sea un nucleófilo efectivo.

Los estudios de simulación por ordenador sistemáticas establecieron que los efectos electrostáticos dan, con mucho, la mayor contribución a la catálisis. En particular, se ha encontrado que la enzima proporciona un entorno que es más polar que el agua, y que los estados de transición iónicos son estabilizadas por dipolos fijos. Esto es muy diferente de la estabilización del estado de transición en el agua, donde las moléculas de agua deben pagar con "energía de reorganización". Con el fin de estabilizar los estados iónicos y cargada. Por lo tanto, la catálisis se asocia con el hecho de que los grupos polares de enzimas se preorganizadas

La unión del sustrato por lo general excluye el agua del sitio activo, lo que reduce la constante dieléctrica locales a la de un disolvente orgánico. Esto refuerza las interacciones electrostáticas entre los sustratos cargados/polar y los sitios activos. Además, los estudios han demostrado que las distribuciones de carga sobre los sitios activos están dispuestos a fin de estabilizar los estados de transición de las reacciones catalizadas. En varias enzimas, estas distribuciones de carga aparentemente sirven para guiar sustratos polares hacia sus sitios de unión de manera que las tasas de estas reacciones enzimáticas son mayores que sus límites de difusión controlada aparentes.

Catálisis covalente

Catálisis covalente implica el sustrato formando un enlace covalente transitorio con los residuos en el sitio activo o con un cofactor. Esto añade un intermedio covalente adicional a la reacción, y ayuda a reducir la energía de los estados de transición posteriores de la reacción. El enlace covalente se debe, en una etapa posterior en la reacción, se rompe para regenerar la enzima. Este mecanismo se encuentra en las enzimas tales como proteasas como tripsina y quimotripsina, donde se forma un producto intermedio de acil-enzima. Formación de base de Schiff usando la amina libre de un residuo de lisina es otro mecanismo, como se ve en la enzima aldolasa durante la glucólisis.

Algunas enzimas utilizan cofactores que no son aminoácidos tales como fosfato de piridoxal o pirofosfato de tiamina para formar intermedios covalentes con moléculas de reactivo. Tales intermedios covalentes funcionan para reducir la energía de los estados de transición posteriores, similar a cómo intermedios covalentes formados sitio con residuos de aminoácidos activos permiten la estabilización, pero las capacidades de los cofactores permiten enzimas para llevar acabo reacciones que los residuos laterales de aminoácidos por sí solos no podía. Las enzimas que utilizan tales cofactores incluyen la enzima aspartato transaminasa PLP-dependiente y la enzima piruvato deshidrogenasa dependiente de TPP.

Es importante aclarar que la catálisis covalente se corresponde en la mayoría de los casos a simplemente el uso de un mecanismo específico en lugar de a la verdadera catálisis. Por ejemplo, la energética de la unión covalente a la molécula de serina en quimotripsina deben ser comparados con el enlace covalente bien entendido que el nucleófilo en la solución de reacción no catalizada. Un verdadero propuesta de una catálisis covalente requeriría, por ejemplo, un enlace covalente parcial con el estado de transición por un grupo de enzimas, y dichos efectos no contribuyen significativamente a la catálisis.

Túnel cuántico

Estos tradicionales "en los" mecanismos de barrera han sido cuestionadas en algunos casos por los modelos y las observaciones de "a través de la barrera" mecanismos. Algunas enzimas operan con una cinética que son más rápido que lo predicho por la clásica? G. En "la barrera" modelos, un protón o un electrón pueda hacer un túnel a través de las barreras de activación. El efecto túnel para los protones se ha observado en la oxidación de triptamina por deshidrogenasa amina aromática.

Curiosamente, túnel cuántico no parece proporcionar una ventaja importante catalítica, ya que las contribuciones de túnel son similares en el catalizada y las reacciones no catalizadas en solución. Sin embargo, la contribución de túnel es probable crucial para la viabilidad de los organismos biológicos. Esto pone de relieve la importancia general de las reacciones de túneles en la biología.

En 1971-1972 se elaboró el primer modelo de la mecánica cuántica de la catálisis enzimática.

Enzima activa

La energía de enlace del complejo enzima-sustrato no puede ser considerado como una energía externa que es necesaria para la activación del sustrato. La enzima de alto contenido de energía puede transferir en primer lugar, algunos específicos X1 grupo enérgico de sitio catalítico de la enzima para el lugar final de la primera sustancia reaccionante unido, a continuación, otro grupo X2 desde el segundo reactivo unido debe ser transferido al sitio activo para terminar la conversión de sustrato a producto y regeneración enzima.

Podemos presentar toda la reacción enzimática como dos reacciones de acoplamiento:

 S1 EX1 => S1EX1 => P1 S2 EP2 EP2 => S2EP2 => P2 EX2

Se puede ver a partir de la reacción que el grupo X1 de la enzima activa aparece en el producto debido a la posibilidad de la reacción de intercambio dentro de la enzima para evitar tanto la inhibición y la repulsión electrostática de los átomos. Así que representamos la enzima activa como un potente reactivo de la reacción enzimática. La reacción muestra una conversión incompleta del sustrato debido a que su grupo X2 permanece en el interior enzima. Este enfoque como idea anteriormente había propuesto basándose en las conversiones enzimáticas extremadamente altas hipotéticas.

El punto crucial para la? Catiónico de la presente enfoque Veri es que el catalizador debe ser un complejo de la enzima con el grupo de transferencia de la reacción. Este aspecto de la química es apoyado por los mecanismos bien estudiados de las varias reacciones enzimáticas. Consideremos la reacción de enlace peptídico hidrólisis catalizada por una proteína pura a-quimotripsina, que es un miembro bien estudiado de la familia de proteasas de serina, ver.

Se presentan los resultados experimentales para esta reacción en dos pasos químicos:

 S1 EH => P1 EP2 EP2 H-O-H => EH P2

donde S1 es un polipéptido, P1 y P2 son productos. El? Primera etapa química incluye la formación de un intermedio covalente acil-enzima. La segunda etapa es la etapa de desacilación. Es importante tener en cuenta que el grupo de H , inicialmente se encuentra en la enzima, pero no en agua, aparece en el producto antes de la etapa de hidrólisis, por lo tanto, puede ser considerado como un grupo adicional de la reacción enzimática.

Por lo tanto, la reacción muestra que la enzima actúa como un potente reactivo de la reacción. De acuerdo con el concepto propuesto, el transporte de la enzima H promueve la? Primera conversión de reactante, la ruptura de la? Primer enlace químico inicial. El paso de la hidrólisis conduce a un desglose de la segunda enlace químico y la regeneración de la enzima.

El mecanismo químico propuesto no depende de la concentración de los sustratos o productos en el medio. Sin embargo, un cambio en su concentración provoca principalmente cambios de energía libre en la? RST y? Pasos nales de las reacciones y debido a los cambios en el contenido de energía libre de cada molécula, si S o P, en solución de agua. Este enfoque es de acuerdo con el siguiente mecanismo de la contracción muscular. El? Paso nal de la hidrólisis de ATP en el músculo esquelético es el lanzamiento de un producto hecho por la asociación de cabezas de miosina con la actina. El cierre de la hendidura de unión a la actina durante la reacción de asociación está acoplado estructuralmente con la apertura de la bolsa de nucleótidos vinculante en el sitio activo de la miosina.

En particular, los pasos? Nales de la hidrólisis de ATP incluyen la rápida liberación de fosfato y la lenta liberación de ADP. La liberación de un anión fosfato a partir de ADP unido anión en solución de agua puede ser considerado como una reacción exergónica porque el anión fosfato tiene baja masa molecular.

Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que el lanzamiento principal del fosfato inorgánico H2PO4-conduce a la transformación de un? Parte signi cativo de la energía libre de hidrólisis de ATP en la energía cinética del fosfato solvatada, produciendo transmisión de activos. Esta suposición de un transducción mecano-química local está de acuerdo con el mecanismo de Tiroshs de la contracción muscular, donde la fuerza muscular se deriva de una acción integrada de transmisión activos creados por la hidrólisis de ATP.

Ejemplos de mecanismos catalíticos

En realidad, la mayoría de los mecanismos enzimáticos implican una combinación de varios tipos diferentes de catálisis.

Triosa fosfato isomerasa

Triosa fosfato isomerasa cataliza la interconvertion reversible de los dos fosfatos de triosa isómeros dihidroxiacetona fosfato y D-gliceraldehído 3-fosfato.

Tripsina

La tripsina es una serina proteasa que escinde sustratos de proteína en los residuos de aminoácidos lisina y arginina.

Aldolasa

Aldolasa cataliza la descomposición de la fructosa 1,6-bifosfato en gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato.