Los análogos de estados de transición ( transion state analoges ), son compuestos químicos con una estructura química que se asemeja al estado de transición de una molécula de sustrato en una reacción química catalizada por una enzima . Las enzimas interactúan con un sustrato mediante tensión o distorsiones, moviendo el sustrato hacia el estado de transición. [1] Los análogos del estado de transición se pueden utilizar como inhibidores en reacciones catalizadas por enzimas bloqueando el sitio activo de la enzima. La teoría sugiere que los inhibidores de enzimas que se asemejaban a la estructura del estado de transición se unirían más estrechamente a la enzima que al sustrato real. [2] Ejemplos de medicamentos que son inhibidores análogos del estado de transición incluyen medicamentos contra la gripe como el inhibidor de la neuraminidasa oseltamivir y los inhibidores de la proteasa del VIH saquinavir en el tratamiento del SIDA.
El estado de transición de una estructura se puede describir mejor en términos de mecánica estadística, donde las energías de los enlaces que se rompen y se forman tienen la misma probabilidad de pasar del estado de transición hacia atrás a los reactivos o hacia los productos. En las reacciones catalizadas por enzimas, la energía de activación general de la reacción disminuye cuando una enzima estabiliza un estado de transición de alta energía intermedio. Los análogos del estado de transición imitan este intermediario de alta energía, pero no sufren una reacción química catalizada y, por lo tanto, pueden unirse mucho más fuerte a una enzima que un sustrato simple o productos análogos.
Para diseñar un análogo del estado de transición, el paso fundamental es la determinación de la estructura del estado de transición del sustrato en la enzima específica de interés con un método experimental, por ejemplo, el efecto isotópico cinético . Además, la estructura del estado de transición también se puede predecir con enfoques computacionales como complemento a KIE. Explicaremos estos dos métodos brevemente.
El efecto isotópico cinético (KIE) es una medida de la velocidad de reacción de reactivos marcados con isótopos contra el sustrato natural más común. Los valores del efecto isotópico cinético son una relación del número de recambio e incluyen todos los pasos de la reacción. [3] Los valores de isótopos cinéticos intrínsecos surgen de la diferencia en el entorno vibratorio del enlace de un átomo en los reactivos en el estado fundamental con el entorno del estado de transición del átomo. [3] A través del efecto isotópico cinético se puede obtener mucha información sobre cómo se ve el estado de transición de una reacción catalizada por enzima y guiar el desarrollo de análogos del estado de transición.
Los enfoques computacionales se han considerado una herramienta útil para dilucidar el mecanismo de acción de las enzimas. [4] La mecánica molecular en sí misma no puede predecir la transferencia de electrones , que es fundamental en la reacción orgánica , pero la simulación de la dinámica molecular proporciona suficiente información considerando la flexibilidad de la proteína durante la reacción catalítica. El método complementario sería una combinación de métodos de simulación de mecánica molecular y mecánica cuántica ( QM/MM ). [5] Con este enfoque, solo los átomos responsables de la reacción enzimática en la región catalítica serán criados con mecánica cuántica y el resto de los átomos serán tratados con mecánica molecular . [6]
Después de determinar las estructuras de estado de transición utilizando KIE o simulaciones informáticas, el inhibidor se puede diseñar de acuerdo con las estructuras de estado de transición o intermedios determinados. Los siguientes tres ejemplos ilustran cómo los inhibidores imitan la estructura del estado de transición cambiando los grupos funcionales que corresponden a la geometría y la distribución electrostática de las estructuras del estado de transición.
La metiltioadenosina nucleosidasa son enzimas que catalizan la reacción de desadenilación hidrolítica de 5'-metiltioadenosina y S-adenosilhomocisteína. También se considera un objetivo importante para el descubrimiento de fármacos antibacterianos porque es importante en el sistema metabólico de las bacterias y solo lo producen las bacterias. [7] Dada la diferente distancia entre el átomo de nitrógeno de la adenina y el carbono anomérico de la ribosa (ver en el diagrama de esta sección), la estructura del estado de transición se puede definir por la etapa de disociación temprana o tardía. Basándose en el hallazgo de diferentes estructuras de estados de transición, Schramm y sus compañeros diseñaron dos análogos de estados de transición que imitaban el estado de transición disociativo temprano y tardío. El análogo del estado de transición temprano y tardío mostró una afinidad de unión (Kd) de 360 y 140 pM, respectivamente. [8]
La termolisina es una enzima producida por Bacillus thermoproteolyticus que cataliza la hidrólisis de péptidos que contienen aminoácidos hidrófobos. [9] Por lo tanto, también es un objetivo para los agentes antibacterianos. El mecanismo de reacción enzimática comienza a partir de la pequeña molécula peptídica y reemplaza la molécula de agua que une el zinc hacia Glu143 de la termolisina. Luego, la molécula de agua es activada tanto por el ion zinc como por el residuo Glu143 y ataca el carbono carbonilo para formar un estado de transición tetraédrico (ver figura). Holden y sus compañeros luego imitaron ese estado de transición tetraédrico para diseñar una serie de análogos de péptidos fosfonamidato. Entre los análogos sintetizados, R = L -Leu posee la actividad inhibidora más potente ( K i = 9,1 nM). [10]
La arginasa es una metaloproteína binuclear de manganeso que cataliza la hidrólisis de L- arginina a L- ornitina y urea . También se considera un fármaco diana para el tratamiento del asma . [11] El mecanismo de hidrólisis de la L-arginina se lleva a cabo mediante un ataque nucleofílico al grupo guanidino por agua, formando un intermedio tetraédrico. Los estudios han demostrado que una fracción de ácido borónico adopta una configuración tetraédrica y sirve como inhibidor. Además, el grupo funcional sulfonamida también puede imitar la estructura del estado de transición. [12] La evidencia de imitaciones del ácido borónico como inhibidores análogos del estado de transición de la arginasa I humana se aclaró mediante estructuras cristalinas de rayos X. [13]