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Analógico del estado de transición

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.

Análogo del estado de transición

Las reacciones catalizadas por enzimas reducen la energía de activación general de una reacción.
Las reacciones catalizadas por enzimas reducen la energía de activación general de una reacción.

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.

Diseño de un estado de transición analógico

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.

Efecto isotópico cinético

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.

Simulación computacional

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]

Ejemplos de diseño analógico de estados de transición.

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.

Inhibidor de la metiltioadenosina nucleosidasa

Ejemplo uno del análogo del estado de transición
Ejemplo uno del análogo 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]

Inhibidor de termolisina

Ejemplo analógico de estado de transición 2
Ejemplo analógico de estado de transición 2

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]

Inhibidor de arginasa

Ejemplo 3 del análogo del estado de transición
Ejemplo 3 del análogo del estado de transición

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]

Ver también

Referencias

  1. ^ Silverman RB (2004). La química orgánica del diseño y la acción de los fármacos . San Diego, CA: Elsevier Academic Press. ISBN 0-12-643732-7.
  2. ^ Davis JP, Cain GA, Pitts WJ, Magolda RL, Copeland RA (enero de 1996). "El metabolito inmunosupresor de la leflunomida es un potente inhibidor de la dihidroorotato deshidrogenasa humana". Bioquímica . 35 (4): 1270-1273. doi :10.1021/bi952168g. PMID  8573583.
  3. ^ ab Schramm VL (2011). "Estados de transición enzimática, análogos de estados de transición, dinámica, termodinámica y tiempos de vida". Revista Anual de Bioquímica . 80 (1): 703–732. doi :10.1146/annurev-biochem-061809-100742. PMC 5502542 . PMID  21675920. 
  4. ^ Kollman P, Kuhn B, Peräkylä M (2002). "Estudios computacionales de reacciones catalizadas por enzimas: ¿Dónde estamos en la predicción de mecanismos y en la comprensión de la naturaleza de la catálisis enzimática?". J. Física. Química. B . 106 (7): 1537-1542. doi :10.1021/jp012017p.
  5. ^ Hou G, Cui Q (enero de 2012). "El análisis QM/MM sugiere que la fosfatasa alcalina (AP) y la pirofosfatasa/fosfodiesterasa de nucleótidos ajustan ligeramente el estado de transición para la hidrólisis del diéster de fosfato en relación con la solución: implicación para la promiscuidad catalítica en la superfamilia AP". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 134 (1): 229–246. doi :10.1021/ja205226d. PMC 3257412 . PMID  22097879. 
  6. ^ Saen-Oon S, Quaytman-Machleder S, Schramm VL, Schwartz SD (octubre de 2008). "Detalle atómico de la transformación química en el estado de transición de una reacción enzimática". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (43): 16543–16548. Código bibliográfico : 2008PNAS..10516543S. doi : 10.1073/pnas.0808413105 . PMC 2575456 . PMID  18946041. 
  7. ^ Singh V, Lee JE, Núñez S, Howell PL, Schramm VL (septiembre de 2005). "Estructura del estado de transición de la 5'-metiltioadenosina / S-adenosilhomocisteína nucleosidasa de Escherichia coli y su similitud con los análogos del estado de transición". Bioquímica . 44 (35): 11647–11659. doi :10.1021/bi050863a. PMID  16128565.
  8. ^ Gutiérrez JA, Luo M, Singh V, Li L, Brown RL, Norris GE, et al. (noviembre de 2007). "Inhibidores picomolares como sondas de estado de transición de 5'-metiltioadenosina nucleosidasas". Biología Química ACS . 2 (11): 725–734. doi :10.1021/cb700166z. PMID  18030989.
  9. ^ Endo S (1962). "Estudios sobre proteasa producida por bacterias termófilas". J. Fermento. Tecnología . 40 : 346–353.
  10. ^ Holden HM, Tronrud DE, Monzingo AF, Weaver LH, Matthews BW (diciembre de 1987). "Los inhibidores de termolisina de unión lenta y rápida muestran diferentes modos de unión: análisis cristalográfico de análogos del estado de transición de fosfonamidato extendido". Bioquímica . 26 (26): 8542–8553. doi :10.1021/bi00400a008. PMID  3442675.
  11. ^ Maarsingh H, Zaagsma J, Meurs H (octubre de 2009). "Arginasa: una enzima clave en la fisiopatología del asma alérgica que abre nuevas perspectivas terapéuticas". Revista británica de farmacología . 158 (3): 652–664. doi :10.1111/j.1476-5381.2009.00374.x. PMC 2765587 . PMID  19703164. 
  12. ^ Cama E, Shin H, Christianson DW (octubre de 2003). "Diseño de sulfonamidas de aminoácidos como inhibidores análogos de la arginasa en estado de transición". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 125 (43): 13052–13057. doi :10.1021/ja036365b. PMID  14570477.
  13. ^ Shishova EY, Di Costanzo L, Emig FA, Ash DE, Christianson DW (enero de 2009). "Sondeo de los determinantes de la especificidad del reconocimiento de aminoácidos por la arginasa". Bioquímica . 48 (1): 121-131. doi :10.1021/bi801911v. PMC 2665027 . PMID  19093830.