Catálisis Covalente

Recibe el nombre de catálisis covalente aquella en donde el catalizador no sólo estabiliza energéticamente el Complejo Activado, ya sea esta por formación de enlaces de hidrógeno, neutralización del campo eléctrico, etc., sino que además el sustrato se ve modificado transitoriamente por formación de enlace covalente con el catalizador( realmente se cambia el camino de la reacción) para dar lugar a un intermedio de reacción muy reactivo. Dependiendo del tipo de reacción implicada en la formación del enlace covalente sustrato-catalizador, la catálisis covalente puede ser nucleófila y electrófila. En los siguientes párrafos se dan algunas ideas y ejemplos de este tipo de catálisis de especial relevancia en la catálisis enzimática.

Catálisis Nucleófila

 

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Mecanismo para la hidrólisis del anhídrido acético a ácido acético catalizada por piridina.

Los estudios de estructura-reactividad han aportado mucha información sobre la distribución de carga en el estado de transición de las reacciones de ataque nucleófilo sobre grupos carbonilos, concretamente, en las reacciones de ataque de nucleófilos sobre ésteres se ha demostrado experimentalmente que (1) la velocidad de esta reacción aumenta con el poder electroatrayente de la parte acílica, (2) la velocidad también aumenta con el poder electroatrayente del grupo saliente y (3) que el aumento en la basicidad del nucleófilo atacante (electrodonación) aumenta también la velocidad de reacción.

Los hechos experimentales anteriormente expuestos, indican la existencia, en este tipo de reacciones, de un complejo activado con generación de una cierta carga negativa sobre el sustrato, ya que los grupos que estabilizan cargas negativas aumentan la velocidad de reacción y una disminución de la carga sobre el nucleófilo ya que se aumenta la velocidad de reacción con el aumento de su capacidad electrodonadora. Estos hechos son compatibles con complejos activados como los que se presentan a continuación.

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En el primero de ellos el paso limitante de la reacción sería la formación del intermedio tetraédrico (reacciona para producir el carbonilo expulsando cloruro), mientras que en el segundo el paso limitante es la rotura.

En la tabla siguiente se da una relación de los grupos nucleófilos más importantes en los cadenas laterales de los enzimas, así como el nombre de algunos enzimas con reacciones de ataque nucleófilos y el intermedio de reacción generado.

Nucleófilo	Enzima	Intermedio
- OH (serina)	Serin proteasas  Fosfatasas ácidas y alcalinas  Fosfoglucomutasas	Acilenzima  Fosforilenzima
OH- (unido a Zn2+)	Anhidrasa carbónica  Alcohol deshidrogenasa	_
- SH (cisteína)	Tiol proteasas  Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa	Acilenzima
-CO2- (aspartato)	ATPase (K+/Na+, Ca2+)	fosforilenzima
-NH2 (lisina)	Acetoacetato descarboxilasa, aldolasa, transaldolasa, enzimas dependientes de PLP, DNA ligasa	Base de Schiff     Adenilenzima (fosfoaminda)
Imidazol (histidina)	Fosfoglicerato mutasa, succinil-CoA sintetasa, nucleósido difosfokinasa	Fosforilenzima
- OH (Tirosina)	Glutamina sintetasa  Topoisomerasas	Adenilenzima  Nucleotidilenzima (fosfotirosina)

Los grupos más usados en catálisis nucleófila por las enzimas son el hidroxilo de la serina, como en las serin proteasas, colinesterasas, esterasas, lipasas y fosfatasas ácidas. El grupo imidazol de la histidina se utiliza generalmente como catalizador ácido-base general pero a veces actúa como nucleófilo con el grupo fosforilo en las reacciones de transferencia de fosfatos.

 

Catálisis electrófila

Formación de iminas (bases de Schiff).

La formación de iminas (bases de Schiff) con los sustratos es un ejemplo claro de cómo la formación de enlaces covalentes con el sustrato y modificación transitoria del mismo, el proceso revierte en una mayor reactividad del sistema. A pH neutro la base de Schiff actúa como un sumidero de electrones estabilizando la formación de cargas negativas (catálisis electrófila) sobre uno de los carbonos.  Esta estrategía la siguen diferentes tipos de enzimas, por ejemplo:

 Acetoacetato decarboxilasa.

El enzima cataliza la descomposición del acetoacetato en acetona y dióxido de carbono. La reacción no catalizada implica la salida de un ión enolato altamente básico a pH neutro. La estrategia enzimática es la formación de una imina entre el sustrato y un residuo lisina.

Aldolasa y transadolasa.

Los enzimas catalizan la condensación aldólica y su rotura. 

• Eliminación de hidrógenos en posición a

Con la eliminación del hidrógeno se genera un intermedio, el cual puede evolucionar de diferentes maneras:

Racemización. Si el protón que ha salido vuelve a entrar en la misma posición puede hacerlo por encima o por debajo del plano.

Transaminación. La adición de un protón al inicial carbono carbonílico produce un intermedio.

b-Descarboxilación. Si el aminoácido tiene un grupo carboxilo, el mecanismo es similar a la que encontramos en la acetoacetato decarboxilasa. 

• Eliminación del carboxilo en posición a

  De una manera similar a los mecanismos que se han visto anteriormente, las enzimas dependientes catalizan la descarboxilación de los aminoácidos, bien para dar la amina como producto final o para generar el aldehído.

Imagen tomada de Google, se respetan los derechos de autor.

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Existen otros coenzimas como el pirofosfato de tiamina (TPP) y el pirofosfato de hidroxietiltiamina (HETPP) que son eficazmente utilizados en los sitios activos enzimáticos para reacciones de catálisis electrófila.