Catálisis Enzimática

Todas reacciones químicas necesitan una energía de activación para poder romper los enlaces de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos o sustratos (S), para transformarlas en unas sustancias finales o productos (P). Las enzimas, como el resto de catalizadores, aceleran la velocidad de las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación. Así, reaccionan un mayor número de moléculas y la reacción se acelera. La transformación de reactivo a producto no es directa, sino que hay un paso intermedio en el que el reactivo se activa, y sus enlaces se debilitan. Para llegar a este complejo activado es necesaria la energía de activación.

Las enzimas pueden actuar de dos formas:

• Fijándose al sustrato mediante enlaces fuertes (covalentes), para debilitar sus enlaces y que no sea necesaria tanta energía para romperlos.
• Atrayendo a los sustratos hacia la enzima para que aumente la posibilidad de encuentro y facilitar la reacción.

Las enzimas, después de la reacción, dejan libres los productos para poder unirse a otros sustratos. Las enzimas suelen formar complejos multienzimáticos, de forma que el producto de una enzima constituye el sustrato de la siguiente, por lo que no se necesita una alta concentración del sustrato.

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En una reacción bioquímica catalizada por una enzima, siempre se produce la unión del sustrato a la enzima, formando el complejo enzima-sustrato, imprescindible para que la reacción química pueda llevarse a cabo. Se puede representar mediante la ecuación:

E + S → ES → E + P

Donde la E representa a la enzima, S al sustrato, P al producto de la reacción, y ES es el complejo intermedio enzima-sustrato.

Algunas enzimas no son operativas hasta que son activados por otras enzimas o iones, como por ejemplo, el pepsinógeno, que el HCl transforma en pepsina. Estas enzimas se denominan zimógenos o proenzimas.

Proceso de reacción

La enzima cataliza una reacción al unirse con el sustrato que puede resumirse en tres etapas:

1.- El sustrato se une a la apoenzima (parte proteica) formando el complejo enzima-sustrato (ES). Hay un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. Cada enzima puede catalizar un solo tipo de reacción, actuando sobre un único sustrato o grupo muy reducido de sustratos.

La especificidad enzimática se debe a la forma del centro activo de la apoenzima donde se acopla el sustrato. Antes se comparaba con el acoplamiento que existe entre una llave y su cerradura (teoría de la llave-cerradura), en el que todos los salientes y entrantes tienen que coincidir exactamente. Actualmente, parece más acertado el “ajuste o acoplamiento inducido”, donde el centro activo puede adaptarse al sustrato, algo parecido a lo que ocurre con un guante y una mano. La mano (el sustrato) hace que el guante (el centro activo) se adapte al introducirse en él.

La unión de la enzima al sustrato es reversible, pues una parte del complejo enzima sustrato (ES) se disocia y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es más lenta.

E + S ↔ ES

Los radicales de los aminoácidos del centro activo se unen al sustrato debilitando sus enlaces, lo que hace pueda alcanzar más fácilmente el estado de transición.

2.- Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible.

ES → E+P

Si no hay cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo.

3.- El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada.

Catálisis Ácido - Base

La catálisis ácido y la catálisis básica es el proceso por el cual una reacción química es catalizada (aumento de la velocidad de una rección química) debido a la participación de un ácido o una base. El ácido es a menudo el protón y la base es a menudo un ion hidroxilo. Las reacciones típicas catalizadas por la transferencia de protón son esterificaciones y reacciones aldol. En estas reacciones el ácido conjugado del grupo carbonilo es un mejor electrófilo que el grupo neutro carbonilo a sí mismo. La catálisis por el ácido o por la base puede ocurrir de dos modos diferentes: catálisis específica y catálisis general.

Catálisis ácida:

Cuando se estudia una reacción susceptible de ser catalizada por ácidos ó bases, se procede generalmente a estudiar la reacción a pH constante para encontrar una ecuación cinética, y a continuación se estudia la influencia que el pH pueda tener en la constante (ó constantes) de velocidad (k) de la ecuación cinética obtenida.

En el caso más general se encontraría que k responde a la siguiente expresión:

Dependiendo de que término predomine se habla de catálisis ácida específica, ó catálisis básica específica.

Muchas veces ocurre que al utilizar un ácido débil para mantener el pH, el ácido (AH), la base conjugada (A-), ó ambos, actúan también como catalizadores. En el caso más general resultaría que la constante k vendría dada por la expresión:

Cuando los términos predominantes en la expresión anterior son los correspondientes a AH ó A-, se habla de catálisis ácida ó básica general.

El mecanismo:

No resulta fácil generalizar sobre mecanismos de catálisis ácido-base. No obstante, con mucha frecuencia nos encontraremos etapas del mecanismo que implican la transferencia de un H+ de una molécula de reactivo al catalizador, ó a la inversa. Este tipo de etapas de transferencia protónica tienen especial importancia en química orgánica, y en mucha de las etapas de los mecanismos de reacciones catalizadas por enzimas.

Características:

• Adecuada para el procesamiento de materias primas que contienen altos niveles de ácidos grasos libres, tales como las grasas animales y los aceites usados.

• Los catalizadores ácidos simultáneamente pueden llevar a cabo las reacciones de esterificación (transformación de los ácidos grasos libres) y transesterificación.

• Los tiempos de reacción son mucho más lentos en comparación con la catálisis alcalina, hecho que se constituye en una limitante importante.

• Catalizadores en fase homogénea, el más investigado es el ácido sulfúrico, aunque también se han estudiado opciones como el HCl, BF3 y H3PO4.

• Los catalizadores homogéneos conllevan una serie de problemas por los aspectos de corrosión y las dificultades relacionadas con la separación y purificación de los productos.

• Por lo anterior se ha mostrado un interés creciente en el desarrollo de catalizadores sólidos entre los que se encuentran: compuestos orgánicos de estaño y titanio, acetatos alcalinos, ácidos de Lewis, carbonatos alcalinos, y carbonatos alcalinotérreos.

• Se utiliza bastante como un proceso de pre-esterificación.

Catálisis alcalina o básica:

Por analogía con la catálisis ácida, la catálisis básica o alcalina

específica es característica de aquellas reacciones en las que ocurre una deprotonación rápida y
reversible del sustrato antes de la etapa lenta, determinante de la velocidad.

En la catálisis básica general actúan bases distintas del OH-. Así, en la brumación de la acetona catalizada por bases efectuada en disolución en un tampón acetato puede verse que:

De nuevo por analogía con la catálisis ácida, se sabe que la catálisis básica general es característica de aquellas reacciones en que la eliminación del protón del sustrato es la etapa lenta (determinante de la velocidad) y va seguida de una rápida conversión del intermedio en los productos finales.

Características:

• La más utilizada comercialmente por la posibilidad que ofrece de trabajo en condiciones moderadas de presión y temperatura.

• Los catalizadores más usados son el NaOH, y el KOH.

• Sin embargo, requiere para una alta conversión que tanto el aceite como el alcohol deben ser anhidros para evitar la formación de jabones.

• Igualmente, el aceite utilizado como materia prima debe tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones.

• Debido a la poca solubilidad aceite en el alcohol se requiere de agitación para acelerar el proceso de reacción.

• Con el fin de obtener altas conversiones, se puede o utilizar alcohol en exceso, o retirar la glicerina subproducto de la reacción. Cuando se trabaja con exceso de alcohol se maneja hasta un 60%, porcentajes mayores dificultan la separación posterior del glicerol.

Ejemplos y Complementos

Ejemplos de catálisis homogénea:

1. 2 H2O2(ac) →   2 H2O(l) + O2(g) 

Sin embargo, si añadimos yoduro de potasio (KI) sólido, éste se disuelve en el agua: allí empieza la catálisis, al disponer del ión yoduro I-. El ión yoduro reacciona primero con el agua oxigenada, obteniéndose una reacción en dos pasos: 

PASO 1:        2 I-(ac) + H2O2(ac) + 2 H+(ac) → I2(ac) + 2 H2O(l) 
PASO 2:        I2(ac) + H2O2(ac) → 2 I-(ac) + 2 H+(ac) + O2(g) 

GLOBAL:       2 H2O2(ac) → 2 H2O(l) + O2(g) 

Observa que el ión yoduro participa como reactivo en el paso 1, pero se produce nuevamente en el paso 2: por tanto, no se altera durante la reacción (requisito para ser catalizador). Asimismo, la reacción global la hemos obtenido sumando ambos pasos: considera que la reacción global es igual a la que ocurría sin el catalizador. El ión yoduro, por tanto, es un catalizador que ha disminuido la energía de activación de la reacción. Asimismo, es una catálisis homogénea, ya que tanto el ión yoduro como el agua oxigenada (el reactivo) están disueltos en agua (misma fase). 

2. En la industria, para la producción de amoniaco, se requieren de grandes presiones y temperaturas para transformarlo a materia prima. No obstante, con la presencia de un catalizador como el Hierro (Fe) vuelve a este proceso más rentable y eficaz. He aquí un video para profundizar en el tema: 

Otros ejemplos:

Ver ejemplos de hidrogenación

Ejemplos de catálisis heterogénea:

Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el convertidor catalítico en los autos que usan gasolina o diésel como combustible. Los convertidores catalíticos contienen catalizadores de metales de transición integrados en su porte de fase sólida. Aquel catalizador de fase sólida al entrar en contacto con los gases que provienen del escape del vehículo aumentan la velocidad de las reacciones para formar productos que sean menos tóxicos a partir de los contaminantes del escape, como lo son el monóxido de carbono y el combustible sin quemar.

Otro ejemplo, es el proceso utilizado para hacer plásticos comunes o polímeros como lo es el polietileno. A aquellos catalizadores se les nombra “catalizadores Ziegler-Natta”, y se usan para hacer envolturas de plástico incluso envases.

• La síntesis de amoniaco es un ejemplo de catálisis heterogénea:

3H₂(g) + N₂(g) ↔ 2NH₃(g) – catalizada por Fe(s).

• El uso de Níquel en la hidrogenación de aceites vegetales para producir margarina. Las grasas insaturadas presentes en los aceites vegetales se convierten grasas saturadas por adición de hidrógeno. Esto a su vez rompe los dobles enlaces carbono-carbono.Para que esta reacción sea catalizada eficazmente el níquel debe presentar una gran área superficial por lo que debe estar finamente dividido.

-CH=CH- + H₂ → -CH₂-CH₂-

• Otro ejemplo es la reducción de los nitrilos por ejemplo en una síntesis de feniletilamina con Níquel Raney y amoníaco:

• El craqueo, la isomerización y el reformado catalítico  de hidrocarburos para formar las adecuadas y útiles mezclas de petróleo.
• Oxidación de alcanos y olefinas a monómeros valiosos.
• Conversión de CO2 en combustibles.
• Conversión de biomasa en productos químicos y combustibles.

Ejemplos de catálisis ácido-base:

1. Hidrólisis de ésteres catalizada por H3O+: La primera etapa es una protonación del carbonilo. Se forma una especie intermedia con carga neta positiva. Esta especie intermedia reacciona entonces con agua liberándose el alcohol. Finalmente, en una tercera etapa muy rápida se libera el ácido a partir de un intermedio, y se regenera el catalizador, H3O+

Resultando una ecuación cinética correspondiente a catálisis ácida específica.

En el ejemplo anterior se puede comprobar que si se introduce una etapa adicional entre la primera y la segunda, en la que el intermedio I1 se convierte en I1", siendo esta última molécula la que choca con H2O en la tercera etapa para generar R2OH e I2, el resultado, al aplicar la aproximación del estado estacionario es la misma ecuación cinética obtenida anteriormente. Este resultado se puede generalizar. La introducción de etapas que supongan la isomerización de especies intermedias no cambia la ecuación cinética resultante de la aplicación del estado estacionario. De forma que la identificación de especies intermedias requiere métodos adicionales a los aquí descritos, que permitan detectar directa ó indirectamente dichas especies.

2. Alcoholisis de ésteres: Un mecanismo similar al anterior se puede plantear para la alcoholisis ó tranesterificación de un éster, substituyendo H2O por R3-OH. Las etapas que se plantean son las mismas que en el mecanismo anterior, y es fácil comprobar que

3. Hidrólisis de ésteres catalizada específicamente por bases: Se pueden plantear tres mecanismos compatibles con los resultados experimentales:

 

a) En ninguno de los tres mecanismos propuestos se observa regeneración del catalizador, OH-, a no ser que introduzcamos una última etapa así:

En esta etapa se regenera la especie que actúa como catalizador, OH -. Sin embargo esta reacción estará desplazada a la izquierda, sobre todo en el medio alcalino en el que se desarrolla. Desde un punto de vista formal, la reacción se puede considerar como catalizada por OH-. Sin embargo, en la práctica los grupos OH- actúan más bien como reactivo, de forma que el concepto de catálisis se queda algo ambiguo en este caso.

b) Compruebe que en los tres casos la aplicación de la aproximación del estado estacionario conduce a una ecuación cinética sencilla, de primer orden con respecto al éster, y con una constante que es función lineal de la concentración de OH- (Catálisis básica específica).

Ejemplos de catálisis enzimática:

1. Las oxidorreductasas catalizan oxidaciones y reducciones moleculares. Las enzimas monooxigenasas con oxígeno molecular permiten la formación de enlaces C-O, y se han diseñado enzimas específicas para permitir la oxidación de alcoholes, cetonas, aldehídos y aminas. En lo que respecta a las reducciones, las cetoreductasas (KREDS) y las deshidrogenasas permiten la síntesis de alcoholes en anti específicos. Otras enzimas pueden reducir enlaces como el C=N, al transformar los nitrilos en aminas. 

2. Las transferasas son útiles para transferir grupos funcionales de una molécula a otra. La quinasa y las fosfatasas (adición y eliminación de fosfatos) son especialmente importantes para las cascadas de señalización molecular, la replicación del ADN, la transcripción del ARN y otras funciones. También hay muchas transferasas biológicamente significativas que cumplen funciones, como la conversión de cetonas o aldehídos en aminas, y que pueden hacerlo de forma estereoselectiva. 

3. Las hidrolasas catalizan la hidrólisis de diversos sustratos. Las nucleasas o proteasas son prolíficas y esenciales en el reciclaje de ácidos nucleicos y péptidos. Las hidrolasas como la lipasa, la proteasa y la acilasa actúan como catalizadores para las adiciones 1,4 (adiciones de Michael) y se emplean de forma generalizada para formar uniones C-C y carbono-heteroátomo.

4. Las liasas, por lo general, catalizan reacciones mediante la formación o eliminación de dobles enlaces. A diferencia de una reacción de sustitución por hidrolasas, las reacciones de carboxilasa o descarboxilasa son comunes en la biocatálisis farmacéutica para la adición o eliminación de CO2₂, al igual que lo son las liasas C-N, que pueden usarse para generar aminoácidos, incluidos el ácido aspártico sustituido y las alaninas.

5. Las isomerasas permiten la reorganización de átomos en una molécula. Las isomerasas, como las racemasas, invierten la estereoquímica en el carbono quiral diana y las isomerasas cis-trans catalizan la isomerización de los isómeros cis-trans en alquenos o cicloalcanos. La conversión de glucosa en fructosa a través de la glucosa isomerasa representa una importante biotransformación enzimática industrial.

6. Las ligasas forman nuevos enlaces químicos al unir dos moléculas para formar una molécula más grande. Una de las aplicaciones más importantes es el uso de ADN ligasa en la formación de moléculas de ADN recombinante, que son el complemento de las endo o exonucleasas.

Algunas Aplicaciones

Producción de catalizadores enzimáticos. De forma general, las enzimas naturales o recombinantes para la biocatálisis se sintetizan primero mediante fermentaciones con bacterias, en su mayoría, pero también se derivan de cultivos de levadura de forma ocasional. Aunque las enzimas pueden producirse en cultivos de células de mamíferos más complejos, las bacterias y la levadura suelen contener vías moleculares suficientes y producidas de forma natural para lograr el plegamiento y las modificaciones postraduccionales moderadas necesarias para las enzimas biocatalíticas recombinantes. Las enzimas producidas a través de dichas fermentaciones se suelen extraer mediante lisis u otra alteración de las estructuras celulares para liberar las enzimas recombinantes y se purifican aún más en un proceso similar al de otros productos farmacéuticos biológicos. La fermentación, la extracción y el procesamiento posterior presentan sus propios desafíos, que se abordan aprovechando la tecnología analítica de procesos (PAT).

Estabilización e inmovilización. La inmovilización de enzimas se utiliza para obtener enzimas más estables, activas y reutilizables. De forma general, los agregados enzimáticos reticulados (CLEA) se pueden formar con diferentes sustratos sólidos, como sílice, resinas o polímeros como el polietilenglicol, e incluso otros complejos como nanopartículas lípidas (LNP). Para algunas aplicaciones de flujo química, los CLEA también se pueden formar en superficies y sensores como los que se usan en mediciones de superficie mejorada con fines tanto analíticos como catalíticos. Los desafíos de la síntesis de componentes relacionados, adsorciones, conjugaciones u otras asociaciones, así como la estabilidad y formulación del producto, se abordan con soluciones similares para la formulación de vacunas y los procesos de adyuvantes.

• El alcance de las enzimas utilizadas para las biotransformaciones es extraordinariamente amplio y se aplica prácticamente a todos los sectores industriales, como el alimentario, químico, farmacéutico, textil, de los biocombustibles, del papel y de los productos de limpieza doméstica. En la síntesis de productos químicos finos, productos farmacéuticos y productos intermedios relacionados, la biocatálisis (es decir, la catálisis enzimática o catálisis mediada por enzimas) ha crecido rápidamente como tecnología de apoyo. Las enzimas están disponibles para diversas biotransformaciones como oxidaciones, reducciones, adiciones y eliminaciones.

Videos Anexos:

Mapas Conceptuales:

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ANEXO: Juegos Interactivos:

Reto de Opción Múltiple:

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Sopa de Letras:

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