Cinética química

Clasificación de la reacciones químicasq

Número de molec. que reaccionan: Cinética:

• monomoleculares• bimoleculares• trimoleculares

• orden 0• primer orden• segundo orden• trimoleculares

• …• segundo orden• tercer orden

1er orden: la velocidad es proporcional a la concentración d ide reactivo

A B

[A]0

dA [A]

[ ]0

tkdtdAv *=−=

[A][A]02

tt tt2

tkAA *

30321

][][log −=A 303.2][ 0

pend = -kln [A]ln [A]

tt

2do orden: la velocidad es proporcional al producto de la concentración de 2 reactivos (o a la segunda

i d d ll )potencia de uno de ellos)

A + B P

][dA ][dB ][dP dA][][][

dtdAv −=

][][

dtdB

−=][][

dtdP

+= [ ][ ]BAkdtdA

=−][][

2 A P

[ ]2][][ Ak

dtdA

=−][dt

Las reacciones químicas deben salvar barreras energéticaspara transcurrir. Los catalizadores aceleran la velocidad de rx.

nerg

ía

Ea

E

A´Ea

B ΔG

Coordenada de reacciónCoordenada de reacción

Equilibrio químico

A + B C + D

[ ][ ][ ][ ][ ][ ]BA

DCRTlnG ΔG 0 +Δ= [ ][ ]BA

[ ][ ]DC[ ][ ][ ][ ]BA

DCKeq =

En el equilibrio cuando ΔG = 0En el equilibrio, cuando ΔG = 0

ΔG° = -2,3 RT log Keqg q

Si A + B C + D

Entonces en el equil. [C]*[D] > [A][B]

G° 0y ΔG° < 0

Si A + B C + DSi A + B C + D

Entonces en el equil. [C]*[D] < [A][B]q [ ] [ ] [ ][ ]

y ΔG° > 0

Enzimas

Son catalizadores biológicos

Permiten que ocurran reacciones químicas dentro de los organismosg

Son en su mayoría proteínas pero también hay i d ARNenzimas de ARN

No afectan ΔG° ni la cte de equilibrioNo afectan ΔG ni la cte. de equilibrio

Son altamente específicas

Se denominan por la reacción catalizada más el fijsufijo asa

Línea del tiempo en el estudio de enzimasenzimas

• Fines siglo 17, ppios del 18: digestion de carne por jugo gástrico,Fines siglo 17, ppios del 18: digestion de carne por jugo gástrico, digestión de almidón a azúcares por saliva

• 1858: Pasteur habla de la fermentación como un principio vital• 1877: Kühne acuña el término enzima (de ενζυμον “en la levadura”)• 1877: Kühne acuña el término enzima (de ενζυμον, en la levadura )• 1897: Buchner* publica su trabajo sobre enzimas en extractos de

levaduras muertas (zimasa).1912 Mi h li M t d ib l ió d l id d• 1912. Michaelis y Menten describen la ecuación de velocidad para reacciones catalizadas enzimáticamente

• 1926. Sumner* muestra que la ureasa es una proteína y la cristaliza• 1930: Northrop* y Stanley* confirman esto con sus trabajos en

pepsina, tripsina y quimotripsina• 1965. Phillips y col. cristalizan y resuelven la estructura de la lisozima1965. Phillips y col. cristalizan y resuelven la estructura de la lisozima

por difracción de rayos X• 1982. Cech* y Altman* descubren las ribozimas.

* Recibieron el Premio Nobel por sus trabajos

Aplicaciones de las enzimasp

• Alimentación:amilasas (prod de azúcares de almidón)amilasas (prod. de azúcares de almidón)fermentaciones Proteasas: comida infantil, reducción de turbidez en cervezascelulasas y pectinasas (clarificantes)Renina: prod de quesoRenina: prod. de queso

Aplicaciones de las enzimasp

• Industria del papel: amilasas, celulasas y ligninasas

• Biocombustibles: ligninasas, celulasas, lipasas• Jabones de lavar: proteasas, amilasas, lipasasJabones de lavar: proteasas, amilasas, lipasas• Biología molecular: enz. de restricción, ligasas,

etcetc.• Múltiples reacciones en la industria

farmacéuticafarmacéutica.

Clasificación EC

consta de 4 elementos, por ejemplo 2.7.1.11

Primer elemento: clase

1.oxidorreductasas2 t f2.transferasas3.hidrolasas

4.liasas5.isomerasas

6.ligasas

Segundo elemento: subclaseSegundo elemento: subclase

Tercer elemento: sub subclaseTercer elemento: sub subclase

C t l t ° d i d t d lCuarto elemento: n° de serie dentro de la sub subclase

2.7.1.562.7.1.56Fosfofructokinasa

Fru6P + ATP Fru1,6bisP + ADP

2.7.1.90

Fru6P + PPi Fru1,6bisP + Pi

Fosfofructokinasa dep. de PPi oF t 6P i f f t 1 f f t fFructosa 6P, pirofosfato 1-fosfo transferasa

¿Como se mide la cantidad de enzima?

Actividad enzimática

Unidad internacional (UI o U)

Cantidad de ez. que causa la qtransformación de 1 µmol de

sustrato por minuto en condicionessustrato por minuto, en condiciones óptimas de medida

UI: µmol/min

Act. Específica: µmol/min*mg prot

N° de recambio o act molar: s-1N de recambio o act. molar: s

CEC: katal o catalUnidades: mol * s-1, mol*s-1*kg-1Unidades: mol s , mol s kg

¿Cómo se puede seguir una reacción catali adareacción catalizada enzimáticamente?enzimáticamente?

A BMedida directa A BSe puede medir abs, rotación óptica, luminiscencia, fluorescencia, producción o consumo de CO2, O2, etc.

A B + C DA B + C DMediante reacciónacoplada

B + NADH C + NAD+

EjemplosPiruvato kinasa

Piruvato + ADP PEP + ATP

Piruvato kinasa

PEP + HCO3- OAA + Pi

OAA + NADH malato + NAD+

Piruvato + ADP PEP + ATPluciferina + ATP luciferil adenilato + PPiluciferil adenylate + O2 oxiluciferina + AMP + luz

Glucosa oxidasa

Glucosa + O2 + H2O ác. glucónico + H2O22 H2O2 + 4-aminophenazona + 4-OH benzoato quinonimina

(roja)(roja)

Cinética enzimática

Leonor Michaelis – Maud Menten(1879-1949) - (1879-1960)

Sacarosa Glc + Fru+66 5° -22°66.5 22

4000

3500

4000

vida

d 2500

3000

Act

iv

1500

2000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500500

1000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[Sacarosa] (mM)

AA

BB

Modelo de M y M:Aproximación al equilibrio

S P

k+1 k+2 k+3E + S ∏ ES ∏ EP ∏ E + P (1)

k k kk-1 k-2 k-3

k+1 kpE S ES E P (2)E + S ∏ ES E + P (2)

k-1

k+1 kppE + S ∏ ES E + P (2)

k-1

Si k+1 y k-1 >> kp

Se tienen condiciones de equilibrio químico

v = kp [ES] (3)

[E]t = [E] + [ES] (4)[ ]t [ ] [ ] ( )

[ ]ESkv p

[ ][ ]

[ ] [ ]ESEEp

t += (5)

[ ][ ] [ ]SkSE v = k [E][S](6)

[ ][ ][ ] [ ] [ ][ ]E

KSES

kk

ESSEK

s1

1s =∴==

+

−v+1 = k+1 [E][S]yv-1 = k-1 [ES][ ]

[ ]S

(7)

[ ][ ]EKSkv s

p(7)[ ] [ ] [ ][ ]E

KSE

KE

s

t +=

Ks

[ ]S

[ ] [ ]s

t S1K

Ekpv

+= (8)[ ] [ ]

s

t

K1Ekp +

[ ]sK

Svkp [E]t = Vmax

(9)[ ]s

s

max

KS1

KV

v

+=

sK

[ ] (10)[ ][ ]SK

SV

vsmax +

= [ ]SKV smax +

Ecuación de Michaelis Menten

[ ] VSv max*= [ ]SK

vs +

=

Aproximación al estado estacionario (Briggs y Haldane)

k+1 kk+1 kpE + S ∏ ES E + P (2)

k-1

Si k+1 y k-1 son de la misma magnitud k t NO tique kp entonces NO se tienen

condiciones de equilibrio químico

k+1 kppE + S ∏ ES E + P (2)

k-1

v = kp [ES] (3)

[ ]ESkv p

[ ][ ]

[ ] [ ]ESEEp

t += (5)

R ió d f ióReacción de formación

k 1k+1 E + S ES (12)

Reacciones de descomposiciónkk-1

ES E + S (13)

ykpp

ES E + P (14)

vf = k+1 [E][S] (15)

vd = k-1 [ES] + kp [ES] (16)

= (k-1 + kp)[ES]( -1 p)[ ]

[ ] 0ES∂[ ] 0t

=∂

k+1 [E][S] = (k-1 + kp)[ES] (17)

[E][S]k 1[ ])k(k

[E][S]kESp1

1

+=

−

+(18)

1k1 + p1 kkK − +p1m kkK +

=− 1

mk

K+

= (19)

[ ] [E][S]ES =[ ]mK

ES =

[ ](5)

[ ]ESkv p=

[ ][ ]EKSkv s

p= (20)(5)[ ] [ ] [ ]ESEE t +

=[ ] [ ] [ ][ ]E

KSEE

s

t += (20)

Ks

[ ] VSv max*= [ ]SK

vm +

=

Determinación de Km y VMAX

Transformación de Lineweaver y BurkeTransformación de Lineweaver y Burke

[ ][ ] [ ]S

1VK

VSVKS

v1 mm *1

*+=

+= [ ] [ ]SVVSVv maxmaxmax *

1/v

1/V1/Vmaxpendiente: Km/Vmax

1/[S]1/[S]-1/Km

Transformación de Eadie-HofsteeTransformación de Eadie Hofstee

v

Vmax

pendiente: -Km

Vmax/Km

v/[S]

Transformación de Woolf y Hanesy

[S]/v[ ] [ ] mKSS 1[ ] [ ]max

m

max VKS

VvS

+=1

Km/VmaxKm/Vmax-Km

[S]

Sitio activo

SModelo de llave y cerradura

de Fischer

S

Enzima Enzima

Modelo de ajuste inducido de Koshlandj

Especificidad y eficiencia catalítica: el caso de la PEP Pasa

Sustrato Vmax(U/mg)

Km(mM)

Constante de especificidad(V /K )(Vmax/Km)

PEP 380 0.05 7600pNPP 1193 0.57 2093ATP 452 0.50 904ADP 714 0.74 964Glc1P 304 0.24 12676PGluconato 452 0.59 766Glc6P 80 2.01 40

Especificidad: los residuos del sitio activo determinan la eficiencia catalítica

Enzima/Sustrato Vmax(U/ )

Km( M)

Constante de ifi id d(U/mg) (mM) especificidad

(Vmax/Km)M til l tMetilmalonatoWT 2.44 0.12 21T207S 2.13 0.06 35.5M306I 2.05 0.44 4.7EtilmalonatoWT 0.61 1.12 0.54T207S 6.11 0.14 43.6M306I 4.91 0.17 29