La catálisis enzimática es el aumento de la velocidad de un proceso por parte de una molécula biológica , una " enzima ". La mayoría de las enzimas son proteínas y la mayoría de estos procesos son reacciones químicas. Dentro de la enzima, generalmente la catálisis ocurre en un sitio localizado, llamado sitio activo .
La mayoría de las enzimas están compuestas predominantemente de proteínas, ya sea una sola cadena proteica o muchas de estas cadenas en un complejo de múltiples subunidades . Las enzimas suelen incorporar también componentes no proteicos, como iones metálicos o moléculas orgánicas especializadas conocidas como cofactor (por ejemplo, trifosfato de adenosina ). Muchos cofactores son vitaminas y su función como vitaminas está directamente relacionada con su uso en la catálisis de procesos biológicos dentro del metabolismo. La catálisis de reacciones bioquímicas en la célula es vital ya que muchas, pero no todas, reacciones metabólicamente esenciales tienen velocidades muy bajas cuando no están catalizadas. Un impulsor de la evolución de las proteínas es la optimización de dichas actividades catalíticas, aunque sólo las enzimas más cruciales operan cerca de los límites de eficiencia catalítica, y muchas enzimas están lejos de ser óptimas. Los factores importantes en la catálisis enzimática incluyen la catálisis general ácida y básica , la dirección orbital, la restricción entrópica, los efectos de orientación (es decir, la catálisis de bloqueo y llave), así como los efectos de movimiento que involucran la dinámica de las proteínas [1] .
Los mecanismos de catálisis enzimática varían, pero todos son similares en principio a otros tipos de catálisis química en que el factor crucial es la reducción de las barreras energéticas que separan los reactivos (o sustratos ) de los productos. La reducción de la energía de activación ( E a ) aumenta la fracción de moléculas reactivas que pueden superar esta barrera y formar el producto. Un principio importante es que, dado que solo reducen las barreras energéticas entre productos y reactivos, las enzimas siempre catalizan reacciones en ambas direcciones y no pueden impulsar una reacción ni afectar la posición de equilibrio, solo la velocidad con la que se logra. Al igual que con otros catalizadores, la reacción no consume ni modifica la enzima (como ocurre con un sustrato), sino que se recicla de modo que una sola enzima realiza muchas rondas de catálisis.
Las enzimas suelen ser muy específicas y actúan sólo sobre determinados sustratos. Algunas enzimas son absolutamente específicas, lo que significa que actúan sobre un solo sustrato, mientras que otras muestran especificidad de grupo y pueden actuar sobre grupos químicos similares pero no idénticos, como el enlace peptídico en diferentes moléculas. Muchas enzimas tienen especificidad estereoquímica y actúan sobre un estereoisómero pero no sobre otro. [2]
El modelo clásico para la interacción enzima- sustrato es el modelo de ajuste inducido. [3] Este modelo propone que la interacción inicial entre la enzima y el sustrato es relativamente débil, pero que estas interacciones débiles inducen rápidamente cambios conformacionales en la enzima que fortalecen la unión.
Las ventajas del mecanismo de ajuste inducido surgen debido al efecto estabilizador de una fuerte unión enzimática. Hay dos mecanismos diferentes de unión al sustrato: unión uniforme, que tiene una fuerte unión al sustrato, y unión diferencial, que tiene una fuerte unión en estado de transición. El efecto estabilizador de la unión uniforme aumenta la afinidad de unión tanto al sustrato como al estado de transición, mientras que la unión diferencial aumenta solo la afinidad de unión del estado de transición. Ambos son utilizados por las enzimas y han sido elegidos evolutivamente para minimizar la energía de activación de la reacción. Las enzimas que están saturadas, es decir, que tienen una alta afinidad de unión al sustrato, requieren unión diferencial para reducir la energía de activación, mientras que las enzimas pequeñas que no están unidas al sustrato pueden usar unión diferencial o uniforme. [4]
Estos efectos han llevado a que la mayoría de las proteínas utilicen el mecanismo de unión diferencial para reducir la energía de activación, por lo que la mayoría de los sustratos tienen una alta afinidad por la enzima mientras se encuentran en el estado de transición. La unión diferencial se lleva a cabo mediante el mecanismo de ajuste inducido: el sustrato primero se une débilmente, luego la enzima cambia de conformación aumentando la afinidad por el estado de transición y estabilizándolo, reduciendo así la energía de activación para alcanzarlo.
Es importante aclarar, sin embargo, que el concepto de ajuste inducido no puede utilizarse para racionalizar la catálisis. Es decir, la catálisis química se define como la reducción de E a ‡ (cuando el sistema ya está en el ES ‡ ) con respecto a E a ‡ en la reacción no catalizada en agua (sin la enzima). El ajuste inducido sólo sugiere que la barrera es menor en la forma cerrada de la enzima, pero no nos dice cuál es el motivo de la reducción de la barrera.
El ajuste inducido puede ser beneficioso para la fidelidad del reconocimiento molecular en presencia de competencia y ruido a través del mecanismo de corrección conformacional . [5]
Estos cambios conformacionales también acercan los residuos catalíticos del sitio activo a los enlaces químicos del sustrato que se alterarán en la reacción. Después de que se produce la unión, uno o más mecanismos de catálisis reducen la energía del estado de transición de la reacción , proporcionando una vía química alternativa para la reacción. Hay seis mecanismos posibles de catálisis "por encima de la barrera", así como un mecanismo "a través de la barrera":
Las interacciones enzima-sustrato alinean los grupos químicos reactivos y los mantienen juntos en una geometría óptima, lo que aumenta la velocidad de la reacción. Esto reduce la entropía de los reactivos y, por lo tanto, hace que las reacciones de adición o transferencia sean menos desfavorables, ya que se produce una reducción en la entropía general cuando dos reactivos se convierten en un solo producto. Sin embargo, este es un efecto general y se observa en reacciones de no adición o transferencia donde ocurre debido a un aumento en la "concentración efectiva" de los reactivos. Esto se entiende al considerar cómo los aumentos en la concentración conducen a aumentos en la velocidad de reacción: esencialmente, cuando los reactivos están más concentrados, chocan con más frecuencia y, por lo tanto, reaccionan con más frecuencia. En la catálisis enzimática, la unión de los reactivos a la enzima restringe el espacio conformacional de los reactivos, manteniéndolos en la 'orientación adecuada' y cerca unos de otros, de modo que colisionan con mayor frecuencia, y con la geometría correcta, para facilitar la reacción deseada. La "concentración efectiva" es la concentración que tendría que tener el reactivo, libre en solución, para experimentar la misma frecuencia de colisión. A menudo, estas concentraciones teóricas efectivas no son físicas y son imposibles de realizar en la realidad, lo que es un testimonio del gran poder catalítico de muchas enzimas, con aumentos masivos de velocidad con respecto al estado no catalizado.
Sin embargo, la situación podría ser más compleja, ya que los estudios computacionales modernos han establecido que los ejemplos tradicionales de efectos de proximidad no pueden relacionarse directamente con los efectos entrópicos de las enzimas. [6] [7] [8] Además, se ha descubierto que la propuesta entrópica original [9] sobreestima en gran medida la contribución de la entropía de orientación a la catálisis. [10]
Los donantes y aceptores de protones, es decir, ácidos y bases , pueden donar y aceptar protones para estabilizar las cargas en desarrollo en el estado de transición. Esto está relacionado con el principio general de la catálisis, el de reducir las barreras energéticas, ya que en general los estados de transición son estados de alta energía, y al estabilizarlos se reduce esta alta energía, bajando la barrera. Una característica clave de la catálisis enzimática sobre muchas catálisis no biológicas es que tanto la catálisis ácida como la básica se pueden combinar en la misma reacción. En muchos sistemas abióticos, los ácidos (grandes [H+]) o las bases (sumideros de H+ de gran concentración o especies con pares de electrones) pueden aumentar la velocidad de la reacción; pero por supuesto el ambiente sólo puede tener un pH global (medida de acidez o basicidad (alcalinidad)). Sin embargo, dado que las enzimas son moléculas grandes, pueden posicionar tanto grupos ácidos como básicos en su sitio activo para interactuar con sus sustratos y emplear ambos modos independientemente del pH general.
A menudo se emplea catálisis general ácida o básica para activar grupos nucleófilos y/o electrófilos , o para estabilizar grupos salientes. En el sitio activo se emplean muchos aminoácidos con grupos ácidos o básicos, como por ejemplo ácido glutámico y aspártico, histidina, cistina, tirosina, lisina y arginina, así como serina y treonina. Además, a menudo se emplea la cadena principal peptídica, con grupos carbonilo y amida N. La cistina y la histidina participan con mucha frecuencia, ya que ambas tienen un pKa cercano al pH neutro y, por lo tanto, pueden aceptar y donar protones.
Muchos mecanismos de reacción que implican catálisis ácido/base suponen un pKa sustancialmente alterado. Esta alteración de pKa es posible a través del entorno local del residuo [ cita necesaria ] .
El pKa también puede verse influenciado significativamente por el entorno circundante, hasta el punto de que residuos básicos en solución pueden actuar como donantes de protones y viceversa.
Es importante aclarar que la modificación de los pKa's es parte pura del mecanismo electrostático. [11] Además, el efecto catalítico del ejemplo anterior está asociado principalmente con la reducción del pKa del oxianión y el aumento del pKa de la histidina, mientras que la transferencia de protones de la serina a la histidina no se cataliza significativamente, ya que no es la barrera que determina la tasa. [12] Tenga en cuenta que en el ejemplo mostrado, el ácido conjugado de histidina actúa como un catalizador ácido general para la pérdida posterior de la amina de un intermedio tetraédrico. Sin embargo , la evidencia que respalda este mecanismo propuesto (Figura 4 en la Ref. 13) [13] ha sido controvertida. [14]
La estabilización de los estados de transición cargados también puede realizarse mediante residuos en el sitio activo que forman enlaces iónicos (o interacciones de carga iónica parcial) con el intermedio. Estos enlaces pueden provenir de cadenas laterales ácidas o básicas que se encuentran en aminoácidos como la lisina , arginina , ácido aspártico o ácido glutámico o provenir de cofactores metálicos como el zinc . Los iones metálicos son particularmente eficaces y pueden reducir el pKa del agua lo suficiente como para convertirla en un nucleófilo eficaz.
Los estudios sistemáticos de simulación por computadora establecieron que los efectos electrostáticos aportan, con diferencia, la mayor contribución a la catálisis. [11] Puede aumentar la velocidad de reacción en un factor de hasta 10 7 . [15] En particular, se ha descubierto que la enzima proporciona un entorno más polar que el agua y que los estados de transición iónicos se estabilizan mediante dipolos fijos. Esto es muy diferente de la estabilización del estado de transición en el agua, donde las moléculas de agua deben pagar con "energía de reorganización". [16] Para estabilizar los estados iónicos y cargados. Por tanto, la catálisis está asociada al hecho de que los grupos polares de la enzima están preorganizados [17]
Se ha demostrado que la magnitud del campo electrostático ejercido por el sitio activo de una enzima está altamente correlacionada con la mejora de la velocidad catalítica de la enzima. [18]
La unión del sustrato generalmente excluye el agua del sitio activo, lo que reduce la constante dieléctrica local a la de un solvente orgánico. Esto fortalece las interacciones electrostáticas entre los sustratos cargados/polares y los sitios activos. Además, los estudios han demostrado que las distribuciones de carga alrededor de los sitios activos están dispuestas de manera que estabilicen los estados de transición de las reacciones catalizadas. En varias enzimas, estas distribuciones de carga aparentemente sirven para guiar los sustratos polares hacia sus sitios de unión, de modo que las velocidades de estas reacciones enzimáticas son mayores que sus límites aparentes controlados por difusión [ cita requerida ] .
La catálisis covalente implica que el sustrato forme un enlace covalente transitorio con residuos en el sitio activo de la enzima o con un cofactor. Esto agrega un intermedio covalente adicional a la reacción y ayuda a reducir la energía de los estados de transición posteriores de la reacción. El enlace covalente debe romperse, en una etapa posterior de la reacción, para regenerar la enzima. Este mecanismo es utilizado por la tríada catalítica de enzimas como proteasas como quimotripsina y tripsina , donde se forma un intermedio acil-enzima. Un mecanismo alternativo es la formación de bases de Schiff utilizando la amina libre de un residuo de lisina , como se observa en la enzima aldolasa durante la glucólisis .
Algunas enzimas utilizan cofactores que no son aminoácidos, como el fosfato de piridoxal (PLP) o el pirofosfato de tiamina (TPP) para formar intermediarios covalentes con las moléculas reactivas. [19] [20] Dichos intermedios covalentes funcionan para reducir la energía de estados de transición posteriores, de manera similar a cómo los intermedios covalentes formados con residuos de aminoácidos del sitio activo permiten la estabilización, pero las capacidades de los cofactores permiten que las enzimas lleven a cabo reacciones que los residuos laterales de los aminoácidos solos. no pudo. Las enzimas que utilizan tales cofactores incluyen la enzima aspartato transaminasa dependiente de PLP y la enzima piruvato deshidrogenasa dependiente de TPP . [21] [22]
En lugar de reducir la energía de activación de una vía de reacción, la catálisis covalente proporciona una vía alternativa para la reacción (vía al intermediario covalente) y, por lo tanto, es distinta de la verdadera catálisis. [11] Por ejemplo, la energía del enlace covalente con la molécula de serina en la quimotripsina debe compararse con el bien entendido enlace covalente con el nucleófilo en la reacción de solución no catalizada. Una propuesta verdadera de una catálisis covalente (donde la barrera es más baja que la barrera correspondiente en solución) requeriría, por ejemplo, un enlace covalente parcial al estado de transición por un grupo enzimático (por ejemplo, un enlace de hidrógeno muy fuerte), y tal Los efectos no contribuyen significativamente a la catálisis.
Un ion metálico en el sitio activo participa en la catálisis coordinando la estabilización de carga y el blindaje. Debido a la carga positiva de un metal, sólo las cargas negativas pueden estabilizarse a través de iones metálicos. [23] Sin embargo, los iones metálicos son ventajosos en la catálisis biológica porque no se ven afectados por los cambios de pH. [24] Los iones metálicos también pueden actuar para ionizar el agua actuando como un ácido de Lewis . [25] Los iones metálicos también pueden ser agentes de oxidación y reducción. [26]
Este es el efecto principal de la unión por ajuste inducido, donde la afinidad de la enzima por el estado de transición es mayor que por el sustrato mismo. Esto induce reordenamientos estructurales que tensan los enlaces del sustrato a una posición más cercana a la conformación del estado de transición, reduciendo así la diferencia de energía entre el sustrato y el estado de transición y ayudando a catalizar la reacción.
Sin embargo, el efecto de tensión es, de hecho, un efecto de desestabilización del estado fundamental, más que un efecto de estabilización del estado de transición. [11] [27] [ página necesaria ] Además, las enzimas son muy flexibles y no pueden aplicar un gran efecto de tensión. [28]
Además de la tensión de enlace en el sustrato, también se puede inducir la tensión de enlace dentro de la propia enzima para activar residuos en el sitio activo.
Estos mecanismos tradicionales "sobre la barrera" han sido cuestionados en algunos casos por modelos y observaciones de mecanismos "a través de la barrera" ( túnel cuántico ). Algunas enzimas operan con una cinética que es más rápida que la que predice el ΔG ‡ clásico . En los modelos "a través de la barrera", un protón o un electrón pueden atravesar barreras de activación. [30] [31] Se ha observado un túnel cuántico para protones en la oxidación de triptamina por la amina deshidrogenasa aromática . [32]
La tunelización cuántica no parece proporcionar una ventaja catalítica importante, ya que las contribuciones de la tunelización son similares en las reacciones catalizadas y no catalizadas en solución. [31] [33] [34] [35] Sin embargo, la contribución del túnel (que normalmente mejora las constantes de velocidad en un factor de ~1000 [32] en comparación con la velocidad de reacción para la ruta clásica 'sobre la barrera') es probablemente crucial. a la viabilidad de los organismos biológicos. Esto enfatiza la importancia general de las reacciones de túnel en biología.
En 1971-1972 se formuló el primer modelo mecánico-cuántico de catálisis enzimática. [36] [37] [ se necesita fuente de terceros ]
La energía de unión del complejo enzima-sustrato no puede considerarse como energía externa necesaria para la activación del sustrato. La enzima de alto contenido energético puede primero transferir algún grupo energético específico X 1 desde el sitio catalítico de la enzima al lugar final del primer reactivo unido, luego otro grupo X 2 del segundo reactivo unido (o del segundo grupo del único reactivo) debe transferirse al sitio activo para finalizar la conversión del sustrato en producto y la regeneración enzimática. [38]
Podemos presentar toda la reacción enzimática como dos reacciones de acoplamiento:
Puede verse en la reacción ( 1 ) que el grupo X1 de la enzima activa aparece en el producto debido a la posibilidad de la reacción de intercambio dentro de la enzima para evitar tanto la inhibición electrostática como la repulsión de átomos. Entonces representamos la enzima activa como un poderoso reactivo de la reacción enzimática. La reacción ( 2 ) muestra una conversión incompleta del sustrato porque su grupo X 2 permanece dentro de la enzima. Esta idea se había propuesto anteriormente basándose en hipotéticas conversiones enzimáticas extremadamente altas (enzima catalíticamente perfecta). [39]
El punto crucial para la verificación del presente enfoque es que el catalizador debe ser un complejo de la enzima con el grupo de transferencia de la reacción. Este aspecto químico está respaldado por los mecanismos bien estudiados de las diversas reacciones enzimáticas. Considere la reacción de hidrólisis del enlace peptídico catalizada por una proteína pura α-quimotripsina (una enzima que actúa sin cofactor), que es un miembro bien estudiado de la familia de las serina proteasas, ver. [40]
Presentamos los resultados experimentales de esta reacción como dos pasos químicos:
donde S 1 es un polipéptido, P 1 y P 2 son productos. El primer paso químico ( 3 ) incluye la formación de un intermedio acil-enzima covalente. El segundo paso ( 4 ) es el paso de desacilación. Es importante señalar que el grupo H+, que inicialmente se encuentra en la enzima, pero no en el agua, aparece en el producto antes del paso de hidrólisis, por lo que puede considerarse como un grupo adicional de la reacción enzimática.
Por tanto, la reacción ( 3 ) muestra que la enzima actúa como un potente reactivo de la reacción. Según el concepto propuesto, el transporte de H desde la enzima promueve la conversión del primer reactivo, la ruptura del primer enlace químico inicial (entre los grupos P 1 y P 2 ). El paso de hidrólisis conduce a la ruptura del segundo enlace químico y a la regeneración de la enzima.
El mecanismo químico propuesto no depende de la concentración de los sustratos o productos en el medio. Sin embargo, un cambio en su concentración provoca principalmente cambios de energía libre en el primer y último paso de las reacciones ( 1 ) y ( 2 ) debido a los cambios en el contenido de energía libre de cada molécula, ya sea S o P, en solución acuosa. Este enfoque está de acuerdo con el siguiente mecanismo de contracción muscular. El paso final de la hidrólisis del ATP en el músculo esquelético es la liberación del producto provocada por la asociación de las cabezas de miosina con actina. [41] El cierre de la hendidura de unión de actina durante la reacción de asociación está estructuralmente acoplado con la apertura de la bolsa de unión de nucleótidos en el sitio activo de la miosina. [42]
En particular, los pasos finales de la hidrólisis del ATP incluyen la liberación rápida de fosfato y la liberación lenta de ADP. [43] [44] La liberación de un anión fosfato del anión ADP unido a una solución acuosa puede considerarse una reacción exergónica porque el anión fosfato tiene una masa molecular baja.
Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la liberación primaria del fosfato inorgánico H 2 PO 4 − conduce a la transformación de una parte importante de la energía libre de la hidrólisis del ATP en energía cinética del fosfato solvatado, generando una corriente activa. Esta suposición de una transducción mecanoquímica local está de acuerdo con el mecanismo de contracción muscular de Tirosh, donde la fuerza muscular se deriva de una acción integrada de flujo activo creado por la hidrólisis de ATP. [45] [46]
En realidad, la mayoría de los mecanismos enzimáticos implican una combinación de varios tipos diferentes de catálisis.
La triosa fosfato isomerasa ( EC 5.3.1.1) cataliza la interconversión reversible de los dos isómeros de triosa fosfato , dihidroxiacetona fosfato y D- gliceraldehído 3-fosfato .
La tripsina ( EC 3.4.21.4) es una serina proteasa que escinde sustratos proteicos después de residuos de lisina o arginina utilizando una tríada catalítica para realizar catálisis covalente y un agujero de oxianión para estabilizar la acumulación de carga en los estados de transición .
La aldolasa ( EC 4.1.2.13) cataliza la descomposición de la fructosa 1,6-bisfosfato (F-1,6-BP) en gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato ( DHAP ).
La llegada de los estudios de una sola molécula en la década de 2010 llevó a la observación de que el movimiento de enzimas no ligadas aumenta al aumentar la concentración de sustrato y la entalpía de reacción . [47] Observaciones posteriores sugieren que este aumento en la difusividad es impulsado por un desplazamiento transitorio del centro de masa de la enzima , lo que resulta en un "efecto de retroceso que impulsa la enzima". [48]
La similitud entre reacciones enzimáticas (CE) se puede calcular utilizando cambios de enlace, centros de reacción o métricas de subestructura (EC-BLAST Archivado el 30 de mayo de 2019 en Wayback Machine ). [49]
Medios relacionados con la catálisis enzimática en Wikimedia Commons