Estrategias Catalíticas de Las Enzimas Seminario IV

Estrategias Catalíticas de las Enzimas

ESTRATEGIAS ESTRATEGIAS CATALÍTICAS CATALÍTICAS DE LAS ENZIMAS ENZIMAS INTRODUCCIÓN Los principios de la termodinámica ayudan a predecir si una reacción puede ocurrir o no, pero no indican nada acerca de la velocidad de esa reacción. El desdoblamiento de la glucosa, por ejemplo, es una reacción exergónica, pese a lo cual una solución de dicho azúcar se conserva por tiempo indefinido en un frasco si se mantiene libre de bacterias y mohos, además de no someterla a temperaturas altas ni ácidos o bases fuertes. Las clulas no pueden esperar siglos para !ue las molculas de glucosa se desdoblen en forma espontánea, ni tampoco pueden utilizar condiciones extremas para hidrolizarlas. Las clulas regulan las reacciones !u"micas con enzimas, !ue son catalizadores prote"nicos !ue modifican la velocidad de las reacciones !u"micas sin consumirse en stas. Las clulas re!uieren la liberación constante de energ"a, y deben ser capaces de regularla para satisfacer las necesidades energticas del metabolismo. El metabolismo suele proceder en una sucesión de pasos, de modo !ue una molcula experimenta hasta #$ o %$ transformaciones !u"micas antes de alcanzar algún estado final. &ncluso entonces, la molcula al parecer definitiva puede pasar a otro mecanismo metabólico y ser transformada por completo o consumirse en la producción de energ energ"a. "a. Las necesi necesidad dades es cambia cambiante ntess de las clula clulass hacen hacen necesa necesario rio un sistem sistemaa de con contro troll metabólico flexible. Los directores clave de este sistema de control son las enzimas. La catálisis enzimática comienza con la unión del sustrato. La formación del complejo enzima' sustrato es favorecida termodinámicamente por!ue hay un cambio negativo en la energ"a libre durante la formación del complejo, debido a !ue se crea un gran número de interacciones dbiles entre la enzima y el sustrato. (e puede prever !ue sta energ"a de unión sirve para dos propósitos) Establecer la especificidad del sustrato y aumentar la eficacia catal"tica. (ólo el sustrato correcto puede participar en la mayor ma yor parte de las interacciones con la enzima, potenciando as" la energ"a de unión, lo !ue explica la alta especificidad por el sustrato exhibida por muchas enzimas. *demás, el complemento perfecto para dichas interacciones solamente se forma cuando el sustrato se encuentra en el estado de transición. +e este modo, las interacciones entre la enzima y el sustrato no sólo favorecen la unión del sustrato, sino !ue tambin estabilizan al estado de transición, disminuyendo as" la energ"a de activación. La energ"a de unión puede promover tambin cambios estructurales, tanto en la enzima enzima como en el sustrato, sustrato, los !ue favorecen la catálisis catálisis,, en un proceso proceso denominado denominado ajuste inducido. ara esto en este informe vamos a explicar las diferentes estrategias !ue las enzimas utilizan para catali catalizar zar reacci reaccione oness espec" espec"fic ficas, as, alguno algunoss ejempl ejemplos os de stas stas y descri describie biendo ndo los respec respectiv tivos os mecanismos.

LISOZIMA


La lisozima fue descubierta por -leming como agente antibacteriano del moco nasal. (e encuentra en muchos tejidos y secreciones corporales y abunda en la clara de huevo. &nterviene en la defensa natural contra las infecciones. (u nombre se debe a su acción l"tica sobre las clulas bacterianas.arece de actividad como proteasa, !uinasa, amilasa, lipasa o fosfatasa / Las lisozimas constituyen una súper familia de prote"nas, las mismas !ue están clasificadas como prote"nas alfa 0 beta. ada molcula de lisozima es una cadena polipept"dica simple. Existen varios tipos de lisozimas # La lisozima de la clara del huevo 1234 es la !ue se ha estudiado con más profundidad y en la !ue mejor se conoce su mecanismo de acción. Es una prote"na pe!ue5a con un peso molecular del alrededor /6, 7 8+a. uya cadena polipept"dica presenta /#9 residuos de aminoácidos y tiene cuatro enlaces cruzados internos de disulfuro. -ue la primera enzima analizada con alta resolución gracias al trabajo de hillips en /9:;, la cadena polipept"dica se pliega en dos dominios) unos de ellos contiene alfa' hlice y el otro una hoja beta' antiparalela formada por tres hebras.

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La lisozima rompe polisacáridos de la pared celular de ciertas bacterias, las !ue estallan por falta de soporte mecánico o por la presión osmótica intracelular. El polisacárido de la pared celular bacteriana

está formada por dos clases de azucares) La <' acetilglucosamina 1<*24 y <'

acetilmuramato 1<*=4, ambos derivados de la glucosamina. >stos están unidos por enlaces ?' 2lucos"dicos entre el '/ de un azúcar y el '6 del otro. La lisozima hidroliza el enlace entre ./ de <*= y '6 de <*2. Los otros enlaces glucos"dicos entre '/ de <*2 y '6 de <*= no son rotos./

PROCESO CATALÍTICO:


La reacción catalizada por la lisozima, la hidrolisis de un glucósido, es la conversión de un acetal en hemiacetal. La hidrolisis no enzimática del acetal es una reacción catalizada por acido !ue involucra la protonación de un átomo de oxigeno reactante seguido por el corte de su enlace '@. Esto produce la formación de un carbocatión estabilizado por resonancia !ue se denomina ion oxonio. Luego el ion oxonio agrega agua para formar el hemiacetal y regenerar el catalizador acido. # Los únicos grupos funcionales en la vecindad inmediata del centro de reacción de la lisozima !ue tiene propiedades catal"ticas re!ueridas son las cadenas laterales 2lu %; y *sp ;#, residuos invariables en la familia de las lizosimas de las !ue el prototipo es la lisozima 1324. #

Mecanismo de Phillips 1. La lisozima se adhiere a la pared celular de la bacteria fijando en el centro activo un hexasácarido con la alternancia <*2'<*='<*2'<*='<*2'<*=. En el cuarto residuo + 1<*=4 se distorsiona hacia una conformación de media silla, en respuesta a !ue de otro modo se producirán contactos desfavorables entre el grupo 3#@3 1del :4 y la prote"na.

2. El glutamato %; transfiere su protón al @'/ de su anillo + polar 1catálisis acida4, en consecuencia, el enlace &'@/ se corta, lo !ue genera un ion oxonio estabilizado por resonancia al /.

3. El grupo carboxilo ionizado de *spartato ;# actúa para estabilizar el ion oxonio mediante interacciones entre las cargas1 catálisis electrostática4. *l parecer este carboxilato no puede formar un enlace covalente con el sustrato, por!ue la distancia de % A entre el / y átomo de @ del carboxilo del *sp ;# es mucho mayor !ue los /,6 A de longitud de un enlace covalente '@. es decir la reacción paree producirse por medio de un mecanismo de sustitución nucleof"lica unimolecular para generar un ion oxonio, no por medio de un mecanismo !ue implica la formación transitoria de un enlace covalente '@ a la enzima. La reacción de corte del enlace se facilita por la tensión en el anillo + !ue lo distorsiona hacia la conformación planar de media silla.


4. La enzima libera el anillo E hidrolizado con su correspondiente polisacárido unido, !ue rinde un intermediario g!"o#i$en%ima , catiónico, no covalente. osteriormente el carbanión adiciona unión hidróxilo procedente del agua de la solución, y se puede de esta manera protonar al mismo tiempo el 2lu %;. Entonces la enzima libera en producto anillo + !ue esta adherido al sacárido, mientras se completa el ciclo catal"tico. El p3 tiene influencia en este mecanismo de catálisis por!ue cuando este aumenta el 2lu se ioniza, mientras !ue si el p3 disminuye es el *sp el !ue se protona 1#4


RI&O'(CLEASA A. Bna enzima muy bien conocida en sus relaciones estructura' función llamada Cibonucleasa pancreática 1C<*asa *4. Es una prote"na muy pe!ue5a, tiene un peso molecular de /%7$$ daltons, es estable en un amplio margen de p3 y

posee remarcada

resistencia al calor en disoluciones ligeramente acidas, aun!ue es fácilmente inactiva con álcali.
MECA'ISMO CATALÍTICO La acción catal"tica de la ribonucleasa pancreática se debe a tres aminoácidos absolutamente conservados) 3is /#, 3is //9 y Lys 6/.

* esta configuración se une el substrato !ue ser"a un polirribonucleótidoG en este caso se representa únicamente el dinucleótido B*. La C<*asa pancreática hidroliza enlaces en los !ue del lado %F hay un nucleótido pirimid"nico 1B o 4 dando lugar a una rotura tipo b, es decir, dejando el fosfato unido al %F del enlace escindido 6. uando se forma el Com*e+o En%ima$S!,#trato el polinucleótido se aloja en un surco de la molcula, según vimos anteriormente, el cual está flan!ueado por los tres aminoácidos del centro activo, según se indica en el modelo6.

* continuación la 3is /# captura un protón del grupo #F@3 del nucleótido pirimid"nico, el cual lleva a cabo un ata!ue nucleof"lico sobre el substrato de manera !ue se forma el E#tado de tran#i"i-n inestable 1con  pentacovalente4, al tiempo !ue la 3is //9 cede su protón al ox"geno en ;F del enlace atacadoG el estado de ionización de las histidinas es justo el contrario !ue el visto en el estado basal de la enzima6.


Este estado de transición se resuelve con la Li,era"i-n de *rimer *rod!"to 3/$AMP0 !uedando unido a la enzima el nucleótido c"clico %F,;F B=. Entra entonces al centro activo una mo"!a de ag!a, !ue es el segundo substrato de la reacción6.

La histidina //9 sustrae uno de los dos protones del agua, !ue !ueda convertida en un ion idroxio, !ue a su vez ataca al fosfato c"clico, dando lugar al E#tado de tran#i"i-n 2.

>ste se resuelve rompindose el enlace entre el fosfato y el ox"geno !ue sustituye al carbono #F de la ribosa, el cual recibe a su vez el


protón de la histidina /#, para dar lugar a la liberación del #eg!ndo *rod!"to, !ue es el nucleótido %F,;F uridinbisfosfato6.

CAR&OIPEPTIASA A. I.

5eneraidade#

Es una enzima digestiva secretada en el jugo pancreático !ue hidroliza el enlace pept"dico carboxiterminal en las cadenas polipept"dicas /. La hidrólisis se produce más fácilmente en el residuo carboxiterminal !ue tiene una cadena lateral aromática o una cadena alifática. Esta enzima contiene regiones H y la hoja plegada ? /. La carboxipeptidasa * cataliza la hidrolisis del enlace pept"dico carboxiloterminal de la cadena polipept"dica. La hidrólisis es más fácil si el residuo carbox"lico terminal tiene una cadena lateral aromática o una cadena lateral alifática voluminosa /. La arboxipeptidasa * es una enzima proteol"tica !ue cataliza la ruptura del enlace pept"dico, denominada, proteinasa. (egún el grupo funcional en el sitio activo, es posible clasificarla como una metaloenzima, llamada as" ya !ue los iones unidos actúan de una forma muy parecida a las coenzimas, confirindole una propiedad !ue no poseer"a en su ausencia /. Es as" !ue la arboxipeptidasa * lleva a cabo la hidrólisis del enlace pept"dico con la ayuda de metales, generalmente In 0#, unidos a su sitio activo, este ion actúa como una catalizador metálico para las reacciones hidrol"ticas, además participa en la estabilización como intermediario de la hidrólisis de una forma muy similar a la acción de la serina en la !uimiotripsina /.


La arboxipeptidasa* debido a su función tambin constituye una exopeptidasa ya !ue cataliza la remoción del aminoácido situado en el extremo carbonilo del sustrato, siendo espec"fica para aminoácidos voluminosos /.

II.

E#tr!"t!ra de #itio a"ti)o de a Car,oxi*e*tida#a A

El sitio activo consta de un surco poco profundo en la superficie de la enzima !ue conduce a una bolsa profunda, forrada con cadenas laterales alifáticas y polares y partes de la cadena polipept"dica para fijar el aminoácido 'terminal /. La cadena lateral de este residuo es conformacionalmente muy móvil. La cadena lateral fenólica puede rotar alrededor del enlace  H'? y un J$K de su densidad electrónica en el mapa de la estructura cristalina se encuentra en una orientación en la superficie de la molcula apuntando hacia la solución /. * partir de la estructura del complejo de la enzima con glicil'L'tirosina, se ha extrapolado un modelo para la fijación de los sustratos. Las restantes caracter"sticas del complejo se han utilizado en la construcción del modelo para la fijación productiva) La cadena lateral aromática se fija en la bolsa de fijaciónG el ion carboxilato del 'terminal forma un enlace salino con la *rg'/6;G el ox"geno carbon"lico del enlace escindible se constituye en el cuarto ligando del ion zincG y el ox"genofenolito de la yr'#6J se encuentra a % * del enlace escindible despus de !ue la cadena lateral haya girado /#$ desde su orientación predominante en la enzima libre /.

III.

Me"ani#mo de a""i-n "ata6ti"a:

3ay una adaptación inducida del centro activo cuando se une al substrato. La enzima es una cadena polipept"dica de %$7 residuos de aminoácidos. iene un ion In #0 fuertemente unido, !ue esencial para la actividad enzimática y !ue está localizado en un surco de la superficie de la molcula donde coordina a dos cadenas laterales de histidina, a una cadena lateral de glutamato y a una molcula de agua. La cadena lateral del residuo terminal del substrato se acomoda en un gran bolsillo cerca del ion In #0. +e los estudios de rayos D y !u"micos realizados por varios investigadores, se puede inferir un posible mecanismo catal"tico de la carboxipeptidasa *. 3ay tres grupos fundamentales en la catálisis) el ión In, el grupo guanidina de la arginina /#7 y el grupo carboxilo del glutamato #7$. El átomo de carbono carbonilo es atacado por el carboxilato del glutamato #7$. (e forma un anh"drido carbox"lico intermediario !ue facilita el ata!ue del enlace por una molcula de agua unida al In #0.


La molcula de agua altamente polarizada transfiere un protón al grupo <3 escindiendo el enlace. *lternativamente, la molcula de agua puede atacar directamente el carbono carbon"lico del enlace/. La polarización del grupo carbon"lico por el In #0 facilita el ata!ue, sea por el glutamato #7$ o la molcula activada de agua. La inducción de un dipolo es impulsada por el ambiente no polar del ion In, el !ue incrementa su carga. +e este modo, carboxipeptidasa * acelera la catálisis induciendo una tensión electrónica en el substrato. *ún más, la carga negativa del ox"geno en el intermediario tetradrico es estabilizada por la arginina /#7 positivamente cargada. /

SERI'PROTEASAS Enzimas !ue tienen serina en su sitio activo. Las enzimas proteol"ticas o proteasas catalizan la hidrólisis de los enlaces pept"dicos de las prote"nas. Bna de las caracter"sticas más importantes de las proteasas es su alta especificidad. El hecho de !ue un enlace pept"dico sea hidrolizado o no por una proteasa depende de varios factores, entre ellos, la secuencia de aminoácidos alrededor del enlace, ya !ue la mayor"a reconocen aminoácidos o secuencias especificas;. @tro re!uisito para tenga lugar la hidrólisis es la accesibilidad estrica del enlace, de manera !ue si ste se encuentra en el interior hidrofobia4 de las prote"nas globulares o en zonas hidrofóbicas poco accesibles, no podrá ser atacado por la proteasa a menos !ue se produzca una desestructuración de la prote"na !ue aumente la accesibilidad. or último, se han de considerar las condiciones f"sico'!u"micas del medio, dado !ue las proteasas


presentan un rendimiento óptimo a unas determinadas condiciones de p3, fuerza iónica, temperatura y presencia de factores orgánicos yo metálico;.

MECA'ISMO CATALÍTICO E LAS SERI' PROTEI'ASAS Las serinproteinasas presentan un mecanismo catal"tico bien conocido, compartido por otras enzimas no necesariamente proteol"ticas. Este mecanismo consiste en una fase de acilación en la !ue se forma un intermediario covalente acil'enzima, con liberación del primer producto, y una fase de desacilación en la !ue una molcula de agua rompe el intermediario con liberación del segundo producto;. odas estas enzimas tienen un centro activo formado por tres aminoácidos absolutamente conservados, (erina, 3istidina y *spartato, conjunto !ue recibe el nombre de tr"ada catal"tica. *l centro activo de la enzima se une el substrato. En este caso, se representa como substrato un cromógeno muy utilizado en los ensayos de !uimotripsina, la <'succinil'L'fenilalanina 6'nitroanilida. La unión da lugar al complejo enzima'substrato. La especificidad se logra dado !ue el anillo aromático de la fenilalanina va a ocupar un sitio espec"fico sobre la superficie de la enzima 1no representado4. La acción catal"tica comienza cuando 3is ;7 retira un protón del grupo alcohólico de la serina, !uedando la histidina en forma de imidazolio, con carga positiva 1en azul en el modelo4 y la serina como enolato, con carga negativa 1en rojo en el modelo4, tal como puede apreciarse en la imagen del complejo (ubstrato, serin'enolato e imidazolio5.

El enolato es un nucleófilo potente !ue va a atacar al grupo carbonilo 1M@4 del enlace escindible, dando lugar al Estado de transición / 1fase de acilación4 en el !ue se observa un intermediario tetradrico 1as" llamado por!ue el carbono sp# del grupo carbonilo del enlace escindible se convierte transitoriamente en un carbono sp%, tetradrico4;.


*

continuación, la histidina ;7 cede su protón a este complejo, con lo !ue se separa el primer producto 16'nitroanilina4 y el complejo !ueda como *cilenzima y primer producto5.

ras la retirada del primer producto, el complejo *cilenzima !ueda listo para comenzar la segunda fase de la reacción. >sta tiene lugar por la entrada de una molcula de agua 1el segundo substrato4 al centro activo, dando lugar al omplejo *cilenzima ' 3#@


La histidina ;7 retira entonces un protón de la molcula de agua, !ue !ueda convertida en un ion hidroxilo 1@3'4G el conjunto *cilenzima, imidazolio e hidroxilo !ue se forma es análogo al conjunto substrato, imidazolio y enolato !ue ve"amos en la fase de acilación;.

El &on hidroxilo es un nucleófilo !ue ataca al acilenzima dando lugar al Estado de transición # 1fase de desacilación4 en el !ue nuevamente vemos !ue el grupo carbonilo del enlace escindible pasa transitoriamente a ser sp%, de geometr"a tetradrica;.

Este segundo estado de transición se resuelve con la (alida del producto # 1<'succinil'L'fenilalanina4;.

or último, el grupo imidazolio de la histidina cede su protón al enolato de la serina, con lo cual tiene lugar la vuelta al estado inicial5. El papel del aspartato, según se cree, es la estabilización del imidazolio de la histidina ;.


REERENCIAS !I!LIOGRAICAS /.' N&LL*N&E<&@, =arino 1/99:4. Oio!u"mica omo & 1# ed4.Lima' erú. Ed. @<PE. p) /%$'/%%, /%; #.' N@E, +onald 1#$$:4. Oio!u"mica. 1% ed4. Ouenos *ires' *rgentina.Ed. =edica anamericana.p) ;#6';#;,;#9


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Estrategias Catalíticas de Las Enzimas Seminario IV

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