Practica 3 catálisis enzimática e inorgánica

FUNDAMENTO TEÓRICO

La catálisis es el proceso mediante el cual se aumenta la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador el cual no es modificado por la reacción (acelera el proceso químico) y aquellas que desactivan la catálisis son denominados inhibidores (retarda el proceso químico). Así, teniendo en cuenta su carácter, los catalizadores se pueden clasificar en enzimáticos e inorgánicos; las enzimas más simples son proteínas de peso molecular desde unos 12000 hasta 40000, los catalizadores inorgánicos pueden actuar en reacciones cuya temperatura varíe, siendo este factor lo que radica la principal diferencia entre estos y las enzimas (Bender, M. Brubacher, L. 1986). Las enzimas son catalizadores de una efectividad notable y son responsables de las miles de reacciones químicas coordinadas implicadas en procesos biológicos de los sistemas vivientes, al igual que un catalizador inorgánico, una enzima acelera la velocidad de una reacción disminuyendo la energía de activación requerida para que tenga lugar la reacción, en condiciones normales las enzimas son más efectivas que los catalizadores inorgánicos utilizados comúnmente en la química, mientras que cuando ocurre un cambio físico o químico (se forzan las condiciones del medio), la enzima se ve afectada debido a la sensibilidad de la estructura proteica, cualquier causa que perturbe esta estructura puede llevar a una pérdida de actividad, lo que hace que se desnaturalice; caso contrario a lo que ocurre con los catalizadores inorgánicos, los cuales debido a su estructura pueden soportar este tipo de cambios  (Armstrong, F. Bennet, T. 1982). Existen distintos tipos de catálisis enzimática o de mecanismos catalíticos entre las que se destacan; la catálisis acido-base; la catálisis acida es un proceso en el que la transferencia parcial del protón de un ácido Bronsted (una especie que puede donar protones) disminuye la energía libre del estado de transición de una reacción, en la catálisis básica, una reacción puede estimularse si su velocidad aumenta por la abstracción parcial del protón por una base de Bronsted (una especie que puede combinarse con un protón), algunas reacciones pueden estar sujetas simultáneamente a ambos procesos; la catálisis covalente implica la aceleración de la velocidad a través de la formación de un enlace covalente transitorio sustrato-catalizador; la catálisis por iones metálicos, cuya presencia es muy importante, ya que casi la tercera parte de todas las enzimas conocidas requieren la presencia de iones metálicos para su actividad catalítica; la catálisis electrostática, en la cual, la fijación del sustrato excluye el agua del sitio activo de una proteína (Voet, D. Voet, J. 2004); en cambio que la catálisis inorgánica es un proceso más sencillo, ya que los catalizadores inorgánicos son moléculas simples de bajo peso molecular, algunas de ellas son el dióxido de manganeso, ácido sulfúrico, nitrógeno, amoniaco y oxido de calcio (Jencks, W.P, 1969).

RESULTADOS

ANÁLISIS

La reacción entre un catalizador y un sustrato se ve representada en la siguiente ilustración:

[pic 9]

Los catalizadores disminuyen la barrera energética, o energía de activación, que deben superar los reactivos para transformarse en productos. Cuando la energía de activación es grande la reacción ocurre lentamente. Un catalizador aumenta la velocidad porque hace que la reacción ocurra mediante un mecanismo que requiere una energía de activación menor. La actividad de las enzimas depende de esta estructura, en la cual hay una zona en la que se inserta una molécula del reactivo (o sustrato) de manera ajustada y específica, como puede hacerlo una llave en la cerradura. La unión del sustrato a la enzima desencadena la reacción química, se liberan los productos y el sitio de unión queda libre nuevamente para captar otra molécula de sustrato y continuar la reacción.

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La catalasa es una de estas enzimas, la cual se encarga de catalizar la descomposición de peróxido de hidrógeno, formado por la reacción del ion radical superóxido (oxidación metabólica de grasas y carbohidrátos) y la enzima superóxido dismutasa, en oxígeno y agua, ya que este sigue siendo tóxico para el organismo. En la reacción de la catalasa ocurre la transferencia de dos electrones entre dos moléculas de peróxido de hidrógeno en la cual una funciona como donador y otra como aceptor de electrones.

[pic 11]

Nota: la disimutación es toda reacción de reducción-oxidación donde un elemento es al mismo tiempo oxidado y reducido cuando la suma de potenciales de los correspondientes pares redox es mayor de 0.

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La formación de la espuma blanca es  oxígeno, que se desprende como uno de los productos de la reacción química de descomposición del peróxido de hidrógeno, por acción de la enzima peróxidasa que se encuentra en la papa. El otro producto de esta reacción química es agua (H2O), que se queda en el fondo del recipiente.

• Cuando se compara la reacción de la catalasa (la cual está en el extracto de la papa) con el peróxido de hidrogeno, y la del dióxido de manganeso  con el mismo reactivo (peróxido de hidrogeno), demoró en iniciar la reacción,  y en la segunda el proceso comenzó al instante y terminó en 2:07 minutos; esto se debe a que los catalizadores inorgánicos  suelen ser metales de transición, como el platino y el níquel, o compuestos de metales de transición, como el dióxido de manganeso, los cuales son sustancias que pueden combinarse con los reactivos y modificar la densidad electrónica en la unión química que se rompe durante la reacción. De esta manera se reduce la energía de activación y se facilita la reacción. En el caso de la descomposición del agua oxigenada, el catalizador debilita la unión entre los dos átomos de oxígeno (H-O-O-H), que se separan durante el proceso.

[pic 13]

• Cuando se calentó previamente el catalizador (la catalasa de la papa), y se le adicionó el peróxido de hidrogeno la columna de burbuja fue casi nula, porque la catalasa químicamente es una proteína, podemos desnaturalizarla al someterla a altas temperaturas. Al perder la estructura terciaria, perderá también la función y como consecuencia su función catalítica, por lo que no podrá descomponer el agua oxigenada y no se observará ningún tipo de reacción, en general, los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas: por cada 10ºC de incremento, la velocidad de reacción se duplica. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse; así mismo cuando se puso a enfriar el sustrato para catalizar con la catalasa sucedió lo mismo, puesto que la enzima a llevarse a una temperatura de 0ºC no se desnaturaliza, pero si baja la velocidad de reacción de la catálisis.

Mientras que cuando se calentó el dióxido de manganeso la reacción fue muy rápida en comparación a cuando no se calentó previamente, y el proceso duró menos de un minuto, porque los catalizadores inorgánicos aumentan su actividad al aumentar la Tª, pero suelen actuar con la máxima velocidad de catálisis o con velocidades optimas a Tªs mayores (150ºC, 400ºC, 800ºC) que las enzimas biológicas.

• En la mezcla que se hizo con la muestra de papa y el cianuro de sodio, se observó poca espuma, eso significa que inhibió a las enzimas desde su sitio activo, ya que catalasa tiene un peso molecular de 250,000 con cuatro grupos heme y un átomo de hierro en el centro de cada heme. El cianuro se combina con el hierro presente en la molécula de la catalasa, por lo tanto tiene un efecto inhibidor competitivo, y por eso no se da con gran intensidad. Mientras que cuando se realizó esta prueba pero con catalizador MnO2 se observó que desprendió mucho vapor la columna de burbuja fue mucho mayor en comparación con las otras pruebas que se hicieron con este catalizador inorgánico, la concentración de sales del medio es crucial para una óptima actividad enzimática, ya que las enzimas precisan de una adecuada concentración de iones para mantener su carga y su estructura.

PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS

1. Explique por qué el captopril y el enalopril son ejemplos de inhibidores competitivos.

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