Sitio activo - Active site

La lisozima se muestra como una superficie globular opaca con una hendidura pronunciada en la que encaja perfectamente el sustrato representado como un diagrama de barras.
Organización de la estructura enzimática y ejemplo de lisozima . Sitios de unión en azul, sitio catalítico en rojo y sustrato de peptidoglicano en negro. ( PDB : 9LYZ )

En biología , el sitio activo es la región de una enzima donde las moléculas de sustrato se unen y experimentan una reacción química . El sitio activo consta de residuos de aminoácidos que forman enlaces temporales con el sustrato ( sitio de unión ) y residuos que catalizan una reacción de ese sustrato (sitio catalítico). Aunque el sitio activo ocupa sólo ~ 10-20% del volumen de una enzima, es la parte más importante ya que cataliza directamente la reacción química . Por lo general, consta de tres a cuatro aminoácidos, mientras que se requieren otros aminoácidos dentro de la proteína para mantener la estructura terciaria de las enzimas.

Cada sitio activo se desarrolla para optimizarse para unirse a un sustrato particular y catalizar una reacción particular, lo que da como resultado una alta especificidad . Esta especificidad está determinada por la disposición de los aminoácidos dentro del sitio activo y la estructura de los sustratos. A veces, las enzimas también necesitan unirse con algunos cofactores para cumplir su función. El sitio activo suele ser un surco o bolsa de la enzima que se puede ubicar en un túnel profundo dentro de la enzima o entre las interfaces de enzimas multiméricas . Un sitio activo puede catalizar una reacción repetidamente ya que los residuos no se alteran al final de la reacción (pueden cambiar durante la reacción, pero se regeneran al final). Este proceso se logra reduciendo la energía de activación de la reacción, por lo que más sustratos tienen suficiente energía para experimentar la reacción.

Sitio de unión

Diagrama de la hipótesis de la cerradura y la llave
Diagrama de la hipótesis del ajuste inducido

Por lo general, una molécula de enzima tiene solo dos sitios activos y los sitios activos encajan con un tipo específico de sustrato. Un sitio activo contiene un sitio de unión que se une al sustrato y lo orienta para la catálisis. La orientación del sustrato y la proximidad entre él y el sitio activo es tan importante que, en algunos casos, la enzima aún puede funcionar correctamente aunque todas las demás partes estén mutadas y pierdan su función.

Inicialmente, la interacción entre el sitio activo y el sustrato es transitoria y no covalente. Hay cuatro tipos importantes de interacción que mantienen el sustrato en una orientación definida y forman un complejo enzima-sustrato (complejo ES): enlaces de hidrógeno , interacciones de van der Waals , interacciones hidrofóbicas e interacciones de fuerza electrostática . La distribución de carga en el sustrato y el sitio activo debe ser complementaria, lo que significa que todas las cargas positivas y negativas deben cancelarse. De lo contrario, habrá una fuerza repulsiva que los separará. El sitio activo generalmente contiene aminoácidos no polares , aunque a veces también pueden aparecer aminoácidos polares. La unión del sustrato al sitio de unión requiere al menos tres puntos de contacto para lograr estereo, regio y enantioselectividad. Por ejemplo, alcohol deshidrogenasa que cataliza la transferencia de un hidruro de ion de etanol a NAD + interactúa con el sustrato grupo metilo , grupo hidroxilo y el pro- (R) de hidrógeno que va a ser abstraído durante la reacción.

Para ejercer su función, las enzimas necesitan asumir su pliegue proteico correcto ( pliegue nativo ) y estructura terciaria . Para mantener esta estructura tridimensional definida, las proteínas se basan en varios tipos de interacciones entre sus residuos de aminoácidos. Si estas interacciones se ven interferidas, por ejemplo, por valores extremos de pH, alta temperatura o altas concentraciones de iones, esto hará que la enzima se desnaturalice y pierda su actividad catalítica.

Se cree que un ajuste más estrecho entre un sitio activo y la molécula de sustrato aumenta la eficiencia de una reacción. Si aumenta la tensión entre el sitio activo de la ADN polimerasa y su sustrato, también aumentará la fidelidad, lo que significa que la tasa correcta de replicación del ADN. La mayoría de las enzimas tienen sitios activos profundamente enterrados, a los que puede acceder un sustrato a través de canales de acceso.

Hay tres modelos propuestos de cómo las enzimas se ajustan a su sustrato específico: el modelo de cerradura y llave , el modelo de ajuste inducido y el modelo de selección conformacional. Los dos últimos no son mutuamente excluyentes: la selección conformacional puede ir seguida de un cambio en la forma de la enzima. Además, es posible que una proteína no siga completamente ninguno de los modelos. Los aminoácidos en el sitio de unión de la ubiquitina generalmente siguen el modelo de ajuste inducido, mientras que el resto de la proteína generalmente se adhiere a la selección conformacional. Es probable que factores como la temperatura influyan en la ruta tomada durante la unión, y se prevé que las temperaturas más altas aumentarán la importancia de la selección conformacional y disminuirán la del ajuste inducido.

Hipótesis de cerradura y llave

Este concepto fue sugerido por el químico del siglo XIX Emil Fischer . Propuso que el sitio activo y el sustrato son dos estructuras estables que encajan perfectamente sin ninguna modificación adicional, al igual que una llave encaja en una cerradura. Si un sustrato se une perfectamente a su sitio activo, las interacciones entre ellos serán más fuertes, lo que dará como resultado una alta eficiencia catalítica.

Con el paso del tiempo, las limitaciones de este modelo empezaron a aparecer. Por ejemplo, el inhibidor de la enzima competitiva metilglucósido puede unirse firmemente al sitio activo de la 4-alfa-glucanotransferasa y encajar perfectamente en él. Sin embargo, la 4-alfa-glucanotransferasa no es activa sobre el metilglucósido y no se produce transferencia de glicosilo. La hipótesis de Lock and Key no puede explicar esto, ya que predeciría una alta eficiencia de la transferencia de glicosilo de metilglucósido debido a su fuerte unión. Aparte de la inhibición competitiva, esta teoría tampoco puede explicar el mecanismo de acción de los inhibidores no competitivos , ya que no se unen al sitio activo pero sin embargo influyen en la actividad catalítica.

Hipótesis de ajuste inducido

La teoría de Daniel Koshland de la unión enzima-sustrato es que el sitio activo y la porción de unión del sustrato no son exactamente complementarios. El modelo de ajuste inducido es un desarrollo del modelo de cerradura y llave y asume que un sitio activo es flexible y cambia de forma hasta que el sustrato está completamente unido. Este modelo es similar a una persona que lleva un guante: el guante cambia de forma para adaptarse a la mano. La enzima tiene inicialmente una conformación que atrae a su sustrato. La superficie de la enzima es flexible y solo el catalizador correcto puede inducir la interacción que conduce a la catálisis. A continuación, pueden producirse cambios de conformación a medida que se une el sustrato. Después de la reacción, los productos se alejarán de la enzima y el sitio activo volverá a su forma inicial. Esta hipótesis está respaldada por la observación de que todo el dominio de la proteína podría moverse varios nanómetros durante la catálisis. Este movimiento de la superficie de la proteína puede crear microambientes que favorezcan la catálisis.

Hipótesis de selección conformacional

Este modelo sugiere que las enzimas existen en una variedad de conformaciones, solo algunas de las cuales son capaces de unirse a un sustrato. Cuando un sustrato se une a la proteína, el equilibrio en el conjunto conformacional se desplaza hacia aquellos capaces de unir ligandos (ya que las enzimas con sustratos unidos se eliminan del equilibrio entre las conformaciones libres).

Tipos de interacciones no covalentes

El ion sodio con carga positiva y el ion fluoruro con carga negativa se atraen entre sí para formar fluoruro de sodio bajo interacción electrostática.
Enlace de hidrógeno entre dos moléculas de agua.
Fuerza de Van der Waals entre dos moléculas de acetona. La molécula de acetona inferior contiene un átomo de oxígeno parcialmente negativo que atrae un átomo de carbono parcialmente positivo en la acetona superior.
Los grupos hidrófobos e hidrófilos tienden a ensamblarse con el mismo tipo de moléculas.

Interacción electrostática : en un entorno acuoso, los grupos con carga opuesta en las cadenas laterales de aminoácidos dentro del sitio activo y los sustratos se atraen entre sí, lo que se denomina interacción electrostática. Por ejemplo, cuando un ácido carboxílico (R-COOH) se disocia en iones RCOO - y H + , COO - atraerá grupos cargados positivamente como la cadena lateral de guanidina protonada de arginina .

Enlace de hidrógeno : Un enlace de hidrógeno es un tipo específico de interacción dipolo-dipolo entre un átomo de hidrógeno parcialmente positivo y un donante de electrones parcialmente negativo que contiene un par de electrones como oxígeno , flúor y nitrógeno . La fuerza del enlace de hidrógeno depende de la naturaleza química y la disposición geométrica de cada grupo.

Fuerza de Van der Waals : la fuerza de Van der Waals se forma entre grupos con carga opuesta debido a la distribución irregular transitoria de electrones en cada grupo. Si todos los electrones se concentran en un polo del grupo, este extremo será negativo, mientras que el otro extremo será positivo. Aunque la fuerza individual es débil, como el número total de interacciones entre el sitio activo y el sustrato es masivo, la suma de ellas será significativa.

Interacción hidrofóbica : los grupos hidrofóbicos no polares tienden a agregarse juntos en el ambiente acuoso e intentan salir del solvente polar. Estos grupos hidrófobos suelen tener una cadena de carbono larga y no reaccionan con las moléculas de agua. Cuando se disuelve en agua, una molécula de proteína se enrolla en forma de bola, dejando grupos hidrófilos en el exterior, mientras que los grupos hidrófobos están profundamente enterrados en el centro.

Sitio catalítico

La enzima proteasa TEV contiene una tríada catalítica de residuos (rojo) en su sitio catalítico. El sustrato (negro) está unido por el sitio de unión para orientarlo junto a la tríada. AP : 1lvm

Una vez que el sustrato está unido y orientado al sitio activo, puede comenzar la catálisis . Los residuos del sitio catalítico suelen estar muy cerca del sitio de unión, y algunos residuos pueden tener funciones duales tanto en la unión como en la catálisis.

Los residuos catalíticos del sitio interactúan con el sustrato para reducir la energía de activación de una reacción y, por lo tanto, hacer que proceda más rápido . Lo hacen mediante una serie de mecanismos diferentes que incluyen la aproximación de los reactivos, la catálisis nucleofílica / electrofílica y la catálisis ácido / base. Estos mecanismos se explicarán a continuación.

Mecanismos implicados en el proceso catalítico.

Aproximación del reactivo

Durante la reacción catalítica enzimática, el sustrato y el sitio activo se juntan en estrecha proximidad. Este enfoque tiene varios propósitos. En primer lugar, cuando los sustratos se unen dentro del sitio activo, la concentración efectiva del mismo aumenta significativamente que en solución. Esto significa que también aumenta el número de moléculas de sustrato involucradas en la reacción. Este proceso también reduce la energía de desolvatación requerida para que ocurra la reacción. En solución, las moléculas de sustrato están rodeadas por moléculas de solvente y se requiere energía para que las moléculas de enzima las reemplacen y entren en contacto con el sustrato. Dado que las moléculas a granel se pueden excluir del sitio activo, esta producción de energía se puede minimizar. A continuación, el sitio activo está diseñado para reorientar el sustrato para reducir la energía de activación para que ocurra la reacción. La alineación del sustrato, después de la unión, se bloquea en un estado de alta energía y puede continuar con el siguiente paso. Además, esta unión se ve favorecida por la entropía, ya que el costo de energía asociado con la reacción de la solución se elimina en gran medida, ya que el solvente no puede ingresar al sitio activo. Al final, el sitio activo puede manipular el orbital molecular del sustrato en una orientación adecuada para reducir la energía de activación.

Los estados electrostáticos del sustrato y el sitio activo deben ser complementarios entre sí. Una cadena lateral de aminoácidos polarizada cargada negativamente repelerá el sustrato no cargado. Pero si el estado de transición implica la formación de un centro de iones , la cadena lateral producirá ahora una interacción favorable.

Catálisis covalente

Muchas enzimas, incluidas la serina proteasa , cisteína proteasa , proteína quinasa y fosfatasa, evolucionaron para formar enlaces covalentes transitorios entre ellas y sus sustratos para reducir la energía de activación y permitir que se produzca la reacción. Este proceso se puede dividir en 2 pasos: formación y descomposición. El primer paso es el paso de límite de velocidad, mientras que el último paso es necesario para regenerar la enzima intacta.

Catálisis nucleofílica : este proceso implica la donación de electrones del nucleófilo de la enzima a un sustrato para formar un enlace covalente entre ellos durante el estado de transición. La fuerza de esta interacción depende de dos aspectos: la capacidad del grupo nucleófilo para donar electrones y el electrófilo para aceptarlos. El primero se ve afectado principalmente por la basicidad (la capacidad de donar pares de electrones) de la especie, mientras que el segundo lo está en lo que respecta a su p K a . Ambos grupos también se ven afectados por sus propiedades químicas, como la polarización , la electronegatividad y el potencial de ionización . Aminoácidos que pueden formar nucleófilos, incluidos serina , cisteína , aspartato y glutamina .

Catálisis electrofílica : el mecanismo detrás de este proceso es exactamente el mismo que la catálisis nucleofílica excepto que ahora los aminoácidos en el sitio activo actúan como electrófilos mientras que los sustratos son nucleófilos . Esta reacción generalmente requiere cofactores, ya que las cadenas laterales de aminoácidos no son lo suficientemente fuertes para atraer electrones.

Iones de metal

Los iones metálicos tienen múltiples funciones durante la reacción. En primer lugar, puede unirse a grupos de sustrato cargados negativamente para que no repelan los pares de electrones de los grupos nucleofílicos del sitio activo. Puede atraer electrones cargados negativamente para aumentar la electrofilia. También puede tender un puente entre el sitio activo y el sustrato. Por último, pueden cambiar la estructura conformacional del sustrato para favorecer la reacción.

Catálisis ácido / base

En algunas reacciones, los protones y el hidróxido pueden actuar directamente como ácido y base en términos de catálisis específica de ácido y base específica. Pero, con mayor frecuencia, los grupos en el sustrato y el sitio activo actúan como ácido y base de Brønsted-Lowry. Esto se llama teoría general de ácidos y bases generales. La forma más sencilla de distinguirlos es comprobar si la velocidad de reacción está determinada por las concentraciones del ácido y la base generales. Si la respuesta es sí, entonces la reacción es del tipo general. Dado que la mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo de 6 a 7, los aminoácidos de la cadena lateral suelen tener un p K a de 4 ~ 10. Los candidatos incluyen aspartato , glutamato , histidina , cisteína . Estos ácidos y bases pueden estabilizar el nucleófilo o electrófilo formado durante la catálisis proporcionando cargas positivas y negativas.

Distorsión conformacional

Los estudios cuantitativos de reacciones enzimáticas a menudo encontraron que la aceleración de la velocidad de la reacción química no puede explicarse completamente por teorías existentes como la aproximación, catálisis ácido / base y catálisis electrófilo / nucleófilo. Y hay una paradoja obvia: en la reacción enzimática reversible, si el sitio activo se ajusta perfectamente a los sustratos, la reacción hacia atrás se ralentizará ya que los productos no pueden encajar perfectamente en el sitio activo. Así que se introdujo la distorsión conformacional y argumenta que tanto el sitio activo como el sustrato pueden sufrir cambios conformacionales para encajar entre sí todo el tiempo.

Complementariedad del sitio activo preorganizado con el estado de transición

Esta teoría es un poco similar a la teoría de la cerradura y la llave, pero en este momento el sitio activo está preprogramado para unirse perfectamente al sustrato en el estado de transición en lugar de en el estado fundamental. La formación del estado de transición dentro de la solución requiere una gran cantidad de energía para reubicar las moléculas de disolvente y la reacción se ralentiza. Así, el sitio activo puede sustituir moléculas de disolvente y rodear los sustratos para minimizar el efecto contraproducente impuesto por la solución. La presencia de grupos cargados con el sitio activo atraerá sustratos y asegurará la complementariedad electrostática.

Ejemplos de mecanismos de catálisis enzimática

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

Glutatión reductasa

el mecanismo de la glutatión reductasa

El papel del glutatión (GSH) es eliminar las especies de oxígeno reactivo acumuladas que pueden dañar las células. Durante este proceso, su cadena lateral de tiol se oxida y dos moléculas de glutatión se conectan mediante un enlace disulfuro para formar un dímero (GSSG). Para regenerar el glutatión, el enlace disulfuro debe romperse. En las células humanas, esto se hace mediante la glutatión reductasa (GR).

La glutatión reductasa es un dímero que contiene dos subunidades idénticas. Requiere un NADP y un FAD como cofactores . El sitio activo se encuentra en el enlace entre dos subunidades. El NADPH está involucrado en la generación de FADH-. En el sitio activo, hay dos residuos de cisteína además del cofactor FAD y se utilizan para romper el enlace disulfuro durante la reacción catalítica. NADPH está unido por tres residuos cargados positivamente: Arg-218, His-219 y Arg-224.

El proceso catalítico comienza cuando el FAD es reducido por NADPH para aceptar un electrón y de FADH - . Luego ataca el enlace disulfuro formado entre 2 residuos de cisteína, formando un enlace SH y un solo grupo S - . Este S - grupo actuará como un nucleófilo para atacar el enlace disulfuro en el glutatión oxidado (GSSG), rompiéndolo y formando una cisteína-SG complejo. El primer anión SG - se libera y luego recibe un protón del grupo SH adyacente y del primer monómero de glutatión. A continuación, el S adyacente - enlace disulfuro ataque grupo en el complejo de la cisteína-SG y suelte el segundo SG - anión. Recibe un protón en solución y forma el segundo monómero de glutatión.

Quimotripsina

Mecanismo de escisión de enlaces peptídicos por quimotripsina.

La quimotripsina es una serina endopeptidasa que está presente en el jugo pancreático y ayuda a la hidrólisis de proteínas y péptidos . Cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos en isómeros L de tirosina , fenilalanina y triptófano . En el sitio activo de esta enzima, tres residuos de aminoácidos trabajan juntos para formar una tríada catalítica que forma el sitio catalítico. En quimotripsina, estos residuos son Ser-195, His-57 y Asp-102.

El mecanismo de la quimotripsina se puede dividir en dos fases. En primer lugar, Ser-195 ataca nucleofílicamente al carbono del enlace peptídico en el sustrato para formar un intermedio tetraédrico. La nucleofilia de Ser-195 se ve reforzada por His-57, que extrae un protón de Ser-195 y, a su vez, es estabilizado por el grupo carboxilato cargado negativamente (RCOO - ) en Asp-102. Además, el intermedio de oxianión tetraédrico generado en este paso se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno de Ser-195 y Gly-193.

En la segunda etapa, el grupo R'NH es protonado por His-57 para formar R'NH 2 y deja el intermedio, dejando atrás el Ser-195 acilado . His-57 vuelve a actuar como base para extraer un protón de una molécula de agua. El anión hidróxido resultante ataca de forma nucleofílica al complejo acil-enzima para formar un segundo intermedio oxianión tetraédrico, que se estabiliza una vez más mediante enlaces H. Al final, Ser-195 deja el intermedio tetraédrico, rompiendo el enlace CO que conectaba la enzima al sustrato peptídico. Un protón se transfiere a Ser-195 a través de His-57, de modo que los tres aminoácidos vuelven a su estado inicial.

Desvinculando

La desunión del sustrato está influenciada por varios factores. Los ligandos más grandes generalmente permanecen más tiempo en el sitio activo, al igual que aquellos con enlaces más rotativos (aunque esto puede ser un efecto secundario del tamaño). Cuando el disolvente se excluye del sitio activo, las proteínas menos flexibles dan como resultado tiempos de residencia más largos . Más enlaces de hidrógeno protegidos del solvente también disminuyen la desunión.

Cofactores

Estados redox de Flavin.

Las enzimas pueden utilizar cofactores como "moléculas auxiliares". Las coenzimas se refieren a aquellas moléculas no proteicas que se unen a las enzimas para ayudarlas a realizar su trabajo. En su mayoría, están conectados al sitio activo por enlaces no covalentes, como el enlace de hidrógeno o la interacción hidrofóbica . Pero a veces también se puede formar un enlace covalente entre ellos. Por ejemplo, el hemo en el citocromo C se une a la proteína a través del enlace tioéster . En algunas ocasiones, las coenzimas pueden dejar enzimas una vez finalizada la reacción. De lo contrario, se unen permanentemente a la enzima. La coenzima es un concepto amplio que incluye iones metálicos, varias vitaminas y ATP . Si una enzima necesita coenzima para funcionar por sí misma, se denomina apoenzima. De hecho, por sí solo no puede catalizar reacciones correctamente. Solo cuando su cofactor entra y se une al sitio activo para formar holoenzima, funciona correctamente.

Un ejemplo de la coenzima es Flavin . Contiene un sistema de anillo de isoaloxazina conjugado distinto. Flavin tiene múltiples estados redox y se puede utilizar en procesos que implican la transferencia de uno o dos electrones. Puede actuar como un aceptor de electrones en reacción, como la oxidación de NAD a NADH, para aceptar dos electrones y formar 1,5-dihidroflavina. Por otro lado, puede formar semiquinona ( radical libre ) aceptando un electrón y luego se convierte a una forma completamente reducida mediante la adición de un electrón extra. Esta propiedad permite que se utilice en un proceso de oxidación de electrones.

Inhibidores

Los inhibidores interrumpen la interacción entre la enzima y el sustrato, lo que ralentiza la velocidad de la reacción. Existen diferentes tipos de inhibidores, incluidas las formas reversibles e irreversibles.

Los inhibidores competitivos son inhibidores que solo se dirigen a moléculas enzimáticas libres. Compiten con los sustratos por el aceptor de enzima libre y pueden superarse aumentando la concentración de sustrato. Tienen dos mecanismos. Los inhibidores competitivos suelen tener similitudes estructurales con los sustratos o el complejo ES. Como resultado, pueden encajar en el sitio activo y desencadenar interacciones favorables para llenar el espacio y bloquear la entrada de sustratos. También pueden inducir cambios conformacionales transitorios en el sitio activo, por lo que los sustratos no pueden encajar perfectamente con él. Después de un corto período de tiempo, los inhibidores competitivos disminuirán y dejarán la enzima intacta.

Los inhibidores se clasifican como inhibidores no competitivos cuando se unen tanto a la enzima libre como al complejo ES. Dado que no compiten con los sustratos por el sitio activo, no pueden superarse simplemente aumentando la concentración de sustrato. Por lo general, se unen a un sitio diferente de la enzima y alteran la estructura tridimensional del sitio activo para bloquear la entrada o salida de sustratos de la enzima.

Los inhibidores irreversibles son similares a los inhibidores competitivos, ya que ambos se unen al sitio activo. Sin embargo, los inhibidores irreversibles forman enlaces covalentes irreversibles con los residuos de aminoácidos en el sitio activo y nunca se van. Por tanto, el sitio activo está ocupado y el sustrato no puede entrar. Ocasionalmente, el inhibidor se irá, pero el sitio catalítico se verá alterado de forma permanente. Estos inhibidores generalmente contienen grupos electrofílicos como sustitutos de halógenos y epóxidos . A medida que pasa el tiempo, más y más enzimas están unidas por inhibidores irreversibles y ya no pueden funcionar.

Ejemplo ¿Vincula el sitio activo? ¿Reduce la velocidad de reacción?
Inhibidor reversible competitivo Inhibidores de la proteasa del VIH
Inhibidor reversible no competitivo Metales pesados ​​como plomo y mercurio. No
Inhibidor irreversible Cianuro

Ejemplos de inhibidores enzimáticos competitivos e irreversibles

Inhibidor competitivo: inhibidor de la proteasa del VIH

Indinavir, un inhibidor de la proteasa del VIH.jpg

Los inhibidores de la proteasa del VIH se utilizan para tratar a los pacientes que tienen el virus del SIDA evitando la replicación de su ADN . El virus usa la proteasa del VIH para dividir la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas más pequeñas que son responsables del ensamblaje, empaquetado y maduración del virión. Esta enzima se dirige al sitio específico de escisión de fenilalanina - prolina dentro de la proteína diana. Si se desactiva la proteasa del VIH, la partícula del virión perderá su función y no podrá infectar a los pacientes. Dado que es esencial en la replicación viral y está ausente en humanos sanos, es un objetivo ideal para el desarrollo de fármacos.

La proteasa del VIH pertenece a la familia de las proteasas aspárticas y tiene un mecanismo similar. En primer lugar, el residuo de aspartato activa una molécula de agua y la convierte en nucleófilo . Luego ataca al grupo carbonilo dentro del enlace peptídico (NH-CO) para formar un intermedio tetraédrico. El átomo de nitrógeno dentro del intermedio recibe un protón, formando un grupo amida y el posterior reordenamiento conduce a la ruptura del enlace entre él y el intermedio y forma dos productos.

Los inhibidores generalmente contienen grupos hidroxietileno o hidroxietilamina no hidrolizables que imitan al intermedio tetraédrico. Dado que comparten una estructura y disposición electrostática similar al estado de transición de los sustratos, aún pueden caber en el sitio activo pero no se pueden descomponer, por lo que no puede ocurrir la hidrólisis.

Inhibidor no competitivo: estricnina

La estricnina es una neurotoxina que causa la muerte al afectar los nervios que controlan la contracción muscular y causan dificultad para respirar. El impulso se transmite entre las sinapsis a través de un neurotransmisor llamado acetilcolina . Se libera en la sinapsis entre las células nerviosas y se une a los receptores de la célula postsináptica. Luego , se genera un potencial de acción y se transmite a través de la célula postsináptica para iniciar un nuevo ciclo.

La glicina puede inhibir la actividad de los receptores de neurotransmisores, por lo que se requiere una mayor cantidad de acetilcolinesterasa para desencadenar un potencial de acción. Esto asegura que la generación de impulsos nerviosos esté estrictamente controlada. Sin embargo, este control se descompone cuando se agrega estricnina. Inhibe los receptores de glicina (un canal de cloruro ) y un nivel mucho más bajo de concentración de neurotransmisores puede desencadenar un potencial de acción. Los nervios ahora transmiten señales constantemente y causan una contracción muscular excesiva, lo que lleva a la asfixia y la muerte.

Inhibidor irreversible: fluorofosfato de diisopropilo

Inhibición irreversible de una serina proteasa por DIPF.

El fluorofosfato de diisopropilo (DIFP) es un inhibidor irreversible que bloquea la acción de la serina proteasa . Cuando se une a la enzima , se produce una reacción de sustitución nucleofílica y libera una molécula de fluoruro de hidrógeno . El grupo OH en el sitio activo actúa como un nucleófilo para atacar el fósforo en DIFP y formar un intermedio tetraédrico y liberar un protón. Luego, el enlace PF se rompe, un electrón se transfiere al átomo F y deja el intermedio como anión F - . Se combina con un protón en solución para formar una molécula de HF. Se formó un enlace covalente entre el sitio activo y DIFP, por lo que la cadena lateral de serina ya no está disponible para el sustrato.

En descubrimiento de fármacos

La identificación de sitios activos es crucial en el proceso de descubrimiento de fármacos . La estructura tridimensional de la enzima se analiza para identificar los residuos del sitio activo y diseñar fármacos que puedan caber en ellos. Las enzimas proteolíticas son el objetivo de algunos medicamentos, como los inhibidores de proteasa, que incluyen medicamentos contra el SIDA y la hipertensión. Estos inhibidores de proteasa se unen al sitio activo de una enzima y bloquean la interacción con sustratos naturales. Un factor importante en el diseño de fármacos es la fuerza de unión entre el sitio activo y un inhibidor enzimático. Si la enzima que se encuentra en las bacterias es significativamente diferente de la enzima humana, entonces se puede diseñar un inhibidor contra esa bacteria en particular sin dañar la enzima humana. Si un tipo de enzima solo está presente en un tipo de organismo, su inhibidor puede usarse para eliminarlos específicamente.

Se pueden mapear los sitios activos para ayudar al diseño de nuevos fármacos, como los inhibidores de enzimas. Esto implica la descripción del tamaño de un sitio activo y el número y propiedades de los subsitios, como los detalles de la interacción de enlace. Sin embargo, la tecnología de base de datos moderna llamada CPASS (Comparación de estructuras de sitios activos de proteínas) permite la comparación de sitios activos con más detalle y el hallazgo de similitudes estructurales utilizando software.

Aplicación de inhibidores de enzimas.

Ejemplo Mecanismo de acción
Agente antibacteriano Penicilina La pared celular bacteriana está compuesta de peptidoglicano . Durante el crecimiento bacteriano, la presente reticulación de la fibra de peptidoglicano se rompe, por lo que se puede integrar un nuevo monómero de pared celular en la pared celular. La penicilina actúa inhibiendo la transpeptidasa, que es esencial para la formación de enlaces cruzados, por lo que la pared celular se debilita y se abrirá debido a la presión de turgencia .
Agente antihongos Azol El ergosterol es un esterol que forma la membrana de la superficie celular de los hongos . El azol puede inhibir su biosíntesis al inhibir la lanosterol 14 alfa-desmetilasa , por lo que no se produce un nuevo ergosterol y se acumula 14α-lanosterol dañino dentro de la célula. Además, el azol puede generar especies reactivas de oxígeno .
Agente anti-viral Saquinavir La proteasa del VIH es necesaria para dividir la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas individuales para que puedan funcionar correctamente y comenzar el proceso de empaquetado viral. Los inhibidores de la proteasa del VIH como el saquinavir lo inhiben, por lo que no se pueden producir nuevas partículas virales maduras.
Insecticidas Fisostigmina En el sistema nervioso animal , se requiere acetilcolinesterasa para descomponer el neurotransmisor acetilcolina en acetato y colina . La fisostigmina se une a su sitio activo y lo inhibe, por lo que la señal de impulso no se puede transmitir a través de los nervios. Esto resulta en la muerte de los insectos, ya que pierden el control de la función muscular y cardíaca.
Herbicidas Ciclohexanodiona La ciclohexanodiona se dirige a la acetil-CoA carboxilasa que participa en el primer paso de la síntesis de grasas: la carboxilación dependiente de ATP de acetil-CoA a malonil-CoA . Los lípidos son importantes para formar la membrana celular.

Sitios alostéricos

A - Sitio activo B - Sitio alostérico C - Sustrato D - Inhibidor E - Enzima. Este es un diagrama de la regulación alostérica de una enzima. Cuando el inhibidor se une al sitio alostérico, la forma del sitio activo se altera, por lo que el sustrato no puede encajar en él.

Un sitio alostérico es un sitio en una enzima, no relacionado con su sitio activo, que puede unirse a una molécula efectora. Esta interacción es otro mecanismo de regulación enzimática. La modificación alostérica suele ocurrir en proteínas con más de una subunidad. Las interacciones alostéricas a menudo están presentes en las vías metabólicas y son beneficiosas porque permiten que un paso de una reacción regule otro paso. Permiten que una enzima tenga una variedad de interacciones moleculares, además del sitio activo altamente específico.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Alan Fersht, Estructura y mecanismo en la ciencia de las proteínas: una guía para la catálisis enzimática y el plegamiento de proteínas. WH Freeman, 1998. ISBN  0-7167-3268-8
  • Bugg, T. Introducción a la química de enzimas y coenzimas. (2ª edición), Blackwell Publishing Limited, 2004. ISBN  1-4051-1452-5 .