La especificidad química es la capacidad del sitio de unión de una macromolécula (como una proteína ) para unirse a ligandos específicos . Cuantos menos ligandos pueda unir una proteína, mayor será su especificidad.
La especificidad describe la fuerza de unión entre una proteína determinada y un ligando. Esta relación puede describirse mediante una constante de disociación , que caracteriza el equilibrio entre los estados unidos y libres del sistema proteína-ligando. [1] En el contexto de una única enzima y un par de moléculas de unión, los dos ligandos se pueden comparar como ligandos más fuertes o más débiles (para la enzima) en función de sus constantes de disociación. (Un valor más bajo corresponde a una unión más fuerte).
La especificidad por un conjunto de ligandos no está relacionada con la capacidad de una enzima para catalizar una reacción determinada, con el ligando como sustrato. [1]
Si una enzima determinada tiene una alta especificidad química, esto significa que el conjunto de ligandos a los que se une es limitado, de modo que ni los eventos de unión ni la catálisis pueden ocurrir a un ritmo apreciable con moléculas adicionales.
Un ejemplo de un par proteína-ligando cuya actividad de unión puede ser muy específica es el sistema anticuerpo - antígeno . [2] La maduración de la afinidad generalmente conduce a interacciones altamente específicas, mientras que los anticuerpos ingenuos son promiscuos y se unen a una mayor cantidad de ligandos. [3] Por el contrario, un ejemplo de un sistema proteína-ligando que puede unirse a sustratos y catalizar múltiples reacciones de manera efectiva es el sistema citocromo P450 , que puede considerarse una enzima promiscua debido a su amplia especificidad por múltiples ligandos. Las proteasas son un grupo de enzimas que muestran una amplia gama de especificidades de escisión. Las proteasas promiscuas como enzimas digestivas degradan inespecíficamente los péptidos, mientras que las proteasas altamente específicas participan en cascadas de señalización. [4]
Las interacciones entre la proteína y el ligando afectan sustancialmente la especificidad entre las dos entidades. Se sabe que las interacciones electrostáticas y las hidrofóbicas son las más influyentes en cuanto a de dónde se deriva la especificidad entre dos moléculas. [5] La fuerza de estas interacciones entre la proteína y el ligando a menudo se correlaciona positivamente con su especificidad mutua.
La especificidad de un proceso vinculante depende en gran medida de la flexibilidad de los socios vinculantes. Una proteína rígida tiene muy restringidas sus posibilidades de unión. Una proteína flexible puede adaptar su conformación a un mayor número de ligandos y por tanto es más promiscua. Como el proceso de unión suele conducir a una rigidez de ambos miembros del complejo, la unión de una proteína flexible suele conllevar una penalización entrópica. Ésta es la razón principal de la correlación positiva encontrada frecuentemente entre la afinidad de unión y la especificidad de unión. Los anticuerpos muestran una fuerte correlación entre rigidez y especificidad. [6] [3] Esta correlación se extiende mucho más allá del paratopo de los anticuerpos [7]
La especificidad enzimática se refiere a las interacciones entre cualquier enzima en particular y su sustrato correspondiente. Además de la especificidad en la unión de sus sustratos, la proximidad y orientación correctas, así como la unión en el estado de transición, proporcionan una capa adicional de especificidad enzimática.
Las enzimas varían en la especificidad de los sustratos a los que se unen para llevar a cabo funciones fisiológicas específicas. Es posible que algunas enzimas necesiten ser menos específicas y, por lo tanto, pueden unirse a numerosos sustratos para catalizar una reacción. Por otro lado, ciertas funciones fisiológicas requieren una especificidad extrema de la enzima por un único sustrato específico para que se produzca una reacción y un fenotipo fisiológico adecuados. Los diferentes tipos de categorizaciones difieren según su especificidad para los sustratos. En general, se dividen en cuatro grupos: especificidad absoluta, de grupo, de enlace y estereoquímica.
Se puede considerar que la especificidad absoluta es exclusiva, en la que una enzima actúa sobre un sustrato específico. [8] Las enzimas específicas absolutas solo catalizarán una reacción con su sustrato específico. Por ejemplo, la lactasa es una enzima específica para la degradación de la lactosa en dos monosacáridos de azúcar, glucosa y galactosa. Otro ejemplo es la glucoquinasa , que es una enzima implicada en la fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato. Es principalmente activo en el hígado y es la principal isoenzima de la hexoquinasa . [9] Su especificidad absoluta se refiere a que la glucosa es la única hexosa que puede ser su sustrato, a diferencia de la hexoquinasa, que acomoda muchas hexosas como sustrato.
La especificidad de grupo ocurre cuando una enzima solo reacciona con moléculas que tienen grupos funcionales específicos, como estructuras aromáticas, grupos fosfato y metilos. [10] Un ejemplo es la pepsina, una enzima que es crucial en la digestión de los alimentos ingeridos en nuestra dieta, que hidroliza los enlaces peptídicos entre aminoácidos hidrófobos, con reconocimiento de las cadenas laterales aromáticas como la fenilalanina, el triptófano y la tirosina. Otro ejemplo es la hexoquinasa, una enzima implicada en la glucólisis que fosforila la glucosa para producir glucosa-6-fosfato. Esta enzima exhibe especificidad de grupo al permitir múltiples hexosas (azúcares de 6 carbonos) como sustrato. [11] La glucosa es uno de los sustratos más importantes en las vías metabólicas que involucran a la hexoquinasa debido a su papel en la glucólisis, pero no es el único sustrato con el que la hexoquinasa puede catalizar una reacción.
La especificidad de enlace, a diferencia de la especificidad de grupo, reconoce tipos de enlaces químicos particulares. Esto difiere de la especificidad de grupo, ya que no depende de la presencia de grupos funcionales particulares para catalizar una reacción particular, sino de un cierto tipo de enlace (por ejemplo, un enlace peptídico).
Este tipo de especificidad es sensible a la actividad óptica de orientación del sustrato. Las moléculas estereoquímicas difieren en la forma en que hacen girar la luz polarizada plana o en las orientaciones de los enlaces (ver enlaces alfa, beta glicosídicos). Las enzimas que son estereoquímicamente específicas se unirán a sustratos con estas propiedades particulares. Por ejemplo, la beta-glucosidasa sólo reaccionará con enlaces beta-glucosídicos que están presentes en la celulosa, pero no en el almidón y el glucógeno, que contienen enlaces alfa-glucosídicos. Esto es relevante en la forma en que los mamíferos pueden digerir los alimentos. Por ejemplo, la enzima amilasa está presente en la saliva de los mamíferos, que es estéreoespecífica para los enlaces alfa, es por eso que los mamíferos pueden usar eficientemente el almidón y el glucógeno como formas de energía, pero no la celulosa (porque es un enlace beta). ).
La constante de disociación de equilibrio específica para la formación del complejo enzima-sustrato se conoce como . Se utiliza como medida de afinidad, donde valores más altos indican una afinidad más baja.
Para la ecuación dada (E = enzima, S = sustrato, P = producto),
sería equivalente a , donde y son las velocidades de la reacción directa e inversa, respectivamente, en la conversión de E y S individuales al complejo de sustrato enzimático.
La teoría de la información permite una definición más cuantitativa de especificidad calculando la entropía en el espectro de unión. [4]
La especificidad química de una enzima por un sustrato particular se puede encontrar utilizando dos variables que se derivan de la ecuación de Michaelis-Menten . se aproxima a la constante de disociación de los complejos enzima-sustrato. representa la tasa de recambio, o el número de reacciones catalizadas por una enzima sobre la cantidad de enzima. El exceso se conoce como constante de especificidad , que da una medida de la afinidad de un sustrato por alguna enzima en particular. También conocida como eficiencia de una enzima, esta relación revela la preferencia de una enzima por un sustrato particular. Cuanto mayor sea la constante de especificidad de una enzima, mayor será la preferencia por ese sustrato.
La especificidad enzimática proporciona información útil sobre la estructura de la enzima , que en última instancia determina y desempeña un papel en las funciones fisiológicas. [12] Los estudios de especificidad también pueden proporcionar información sobre el mecanismo catalítico.
La especificidad es importante para el descubrimiento de nuevos fármacos y el campo de la investigación clínica, y los nuevos fármacos se prueban para determinar su especificidad con la molécula objetivo en varias rondas de ensayos clínicos. Los fármacos deben contener estructuras lo más específicas posible para minimizar la posibilidad de efectos no deseados que producirían síntomas desfavorables en el paciente. Los fármacos dependen de la especificidad de las moléculas y formulaciones diseñadas para inhibir objetivos moleculares particulares. [1] El descubrimiento de nuevos fármacos avanza con experimentos que involucran compuestos altamente específicos. Por ejemplo, la base que se debe demostrar que los fármacos logran con éxito es tanto la capacidad de unirse al receptor objetivo en el entorno fisiológico con alta especificidad como también su capacidad de transducir una señal para producir un efecto biológico favorable contra la enfermedad o dolencia que el fármaco produce. la droga pretende negar. [13]
Las técnicas científicas, como la inmunotinción, dependen de la especificidad química. La inmunotinción utiliza la especificidad química de los anticuerpos para detectar una proteína de interés a nivel celular. [14] Otra técnica que se basa en la especificidad química es la transferencia Western, que se utiliza para detectar una determinada proteína de interés en un tejido. Esta técnica implica electroforesis en gel seguida de la transferencia de la muestra a una membrana teñida con anticuerpos. Los anticuerpos son específicos de la proteína objetivo de interés y contendrán una etiqueta fluorescente que indica la presencia de la proteína de interés del investigador. [15]
