En bioquímica , las glucósido hidrolasas (también llamadas glicosidasas o glicosil hidrolasas ) son una clase de enzimas que catalizan la hidrólisis de enlaces glicosídicos en azúcares complejos . [1] [2] Son enzimas extremadamente comunes, con funciones en la naturaleza que incluyen la degradación de biomasa como la celulosa ( celulasa ), hemicelulosa y almidón ( amilasa ), en estrategias de defensa antibacterianas (p. ej., lisozima ), en mecanismos de patogénesis . (p. ej., neuraminidasas virales ) y en la función celular normal (p. ej., manosidasas de recorte implicadas en la biosíntesis de glicoproteínas ligadas a N ). Junto con las glicosiltransferasas , las glicosidasas forman la principal maquinaria catalítica para la síntesis y rotura de enlaces glicosídicos.
Las glucósido hidrolasas se encuentran esencialmente en todos los ámbitos de la vida. En los procariotas , se encuentran como enzimas tanto intracelulares como extracelulares que participan en gran medida en la adquisición de nutrientes. Una de las apariciones importantes de las glucósido hidrolasas en las bacterias es la enzima beta-galactosidasa (LacZ), que participa en la regulación de la expresión del operón lac en E. coli . En los organismos superiores, las glucósido hidrolasas se encuentran dentro del retículo endoplásmico y el aparato de Golgi , donde participan en el procesamiento de glicoproteínas ligadas a N , y en el lisosoma como enzimas implicadas en la degradación de las estructuras de los carbohidratos. La deficiencia de glucósidos hidrolasas lisosomales específicas puede provocar una variedad de trastornos de almacenamiento lisosomal que provocan problemas de desarrollo o la muerte. Las glucósido hidrolasas se encuentran en el tracto intestinal y en la saliva , donde degradan los carbohidratos complejos como la lactosa , el almidón , la sacarosa y la trehalosa . En el intestino se encuentran como enzimas ancladas a glicosilfosfatidilo en células endoteliales . La enzima lactasa es necesaria para la degradación de la lactosa, el azúcar de la leche, y está presente en niveles elevados en los bebés, pero en la mayoría de las poblaciones disminuirá después del destete o durante la infancia, lo que podría provocar intolerancia a la lactosa en la edad adulta. [3] [4] La enzima O-GlcNAcasa participa en la eliminación de grupos N-acetilglucosamina de los residuos de serina y treonina en el citoplasma y el núcleo de la célula. Las glucósidos hidrolasas participan en la biosíntesis y degradación del glucógeno en el organismo.
Las glucósido hidrolasas se clasifican en EC 3.2.1 como enzimas que catalizan la hidrólisis de O- o S-glucósidos. Las glucósido hidrolasas también se pueden clasificar según el resultado estereoquímico de la reacción de hidrólisis: por lo tanto, se pueden clasificar como enzimas retenedoras o inversoras . [5] Las glucósido hidrolasas también se pueden clasificar como de acción exo o endo, dependiendo de si actúan en el extremo (generalmente no reductor) o en el medio, respectivamente, de una cadena de oligo/polisacárido. Las glucósido hidrolasas también pueden clasificarse mediante métodos basados en secuencia o estructura. [6]
Las clasificaciones basadas en secuencias son uno de los métodos predictivos más poderosos para sugerir la función de enzimas recién secuenciadas cuya función no ha sido demostrada bioquímicamente. Un sistema de clasificación de glicosilhidrolasas, basado en la similitud de secuencia, ha llevado a la definición de más de 100 familias diferentes. [7] [8] [9] Esta clasificación está disponible en el sitio web de CAZy (CArbohidrato-Active EnZymes). [6] [10] La base de datos proporciona una serie de clasificaciones basadas en secuencias actualizadas periódicamente que permiten una predicción confiable del mecanismo (retención/inversión), residuos del sitio activo y posibles sustratos. La base de datos en línea cuenta con el respaldo de CAZypedia, una enciclopedia en línea de enzimas activas de carbohidratos. [11] Basándose en similitudes estructurales tridimensionales, las familias basadas en secuencias se han clasificado en "clanes" de estructura relacionada. Los avances recientes en el análisis de la secuencia de glicosidasas y la comparación de estructuras 3D han permitido proponer una clasificación jerárquica ampliada de las glucósido hidrolasas. [12] [13]
Las enzimas inversoras utilizan dos residuos enzimáticos, normalmente residuos de carboxilato, que actúan como ácido y base respectivamente, como se muestra a continuación para una β-glucosidasa . El producto de la reacción tiene una posición axial en C1, pero pueden aparecer algunos cambios espontáneos de conformación.
Las glicosidasas de retención operan a través de un mecanismo de dos pasos, y cada paso produce una inversión , para una retención neta de la estereoquímica. Nuevamente intervienen dos residuos, que suelen ser carboxilatos transmitidos por enzimas . Uno actúa como nucleófilo y el otro como ácido/base. En el primer paso, el nucleófilo ataca el centro anomérico , lo que da como resultado la formación de una enzima glicosil intermedia, con la ayuda ácida proporcionada por el carboxilato ácido. En el segundo paso, el carboxilato ácido ahora desprotonado actúa como base y ayuda a un agua nucleofílica a hidrolizar el intermedio de la enzima glicosil, dando el producto hidrolizado. El mecanismo se ilustra a continuación para la lisozima de clara de huevo de gallina . [14]
Puede ocurrir un mecanismo alternativo para la hidrólisis con retención de estereoquímica que procede a través de un residuo nucleofílico que está unido al sustrato, en lugar de estar unido a la enzima. Tales mecanismos son comunes para ciertas N-acetilhexosaminidasas, que tienen un grupo acetamido capaz de participar en grupos vecinos para formar un ion intermedio de oxazolina u oxazolinio. Este mecanismo procede en dos pasos a través de inversiones individuales para conducir a una retención neta de la configuración.
Se ha descrito una variante del mecanismo de participación de grupos vecinos para las endo-α-mananasas que implica la participación de grupos 2-hidroxilo para formar un epóxido intermedio. La hidrólisis del epóxido conduce a una retención neta de la configuración. [15]
Las glucósido hidrolasas suelen recibir el nombre del sustrato sobre el que actúan. Así, las glucosidasas catalizan la hidrólisis de glucósidos y las xilanasas catalizan la escisión del homopolímero xilano basado en xilosa. Otros ejemplos incluyen lactasa , amilasa , quitinasa , sacarasa , maltasa , neuraminidasa , invertasa , hialuronidasa y lisozima .
Se prevé que las glucósido hidrolasas adquieran cada vez más funciones como catalizadores en aplicaciones de biorrefinación en la futura bioeconomía. [16] Estas enzimas tienen una variedad de usos que incluyen la degradación de materiales vegetales (por ejemplo, celulasas para degradar la celulosa a glucosa, que puede usarse para la producción de etanol ), en la industria alimentaria ( invertasa para la fabricación de azúcar invertido, amilasa para la producción de maltodextrinas), y en la industria del papel y la pulpa ( xilanasas para eliminar hemicelulosas de la pulpa de papel). Las celulasas se añaden a los detergentes para el lavado de tejidos de algodón y ayudan a mantener los colores eliminando las microfibras que se levantan de la superficie de los hilos durante el uso.
En química orgánica , las glucósido hidrolasas se pueden utilizar como catalizadores sintéticos para formar enlaces glicosídicos mediante hidrólisis inversa (enfoque cinético) donde se invierte la posición de equilibrio; o mediante transglicosilación (enfoque cinético), mediante la cual la retención de glucósido hidrolasas puede catalizar la transferencia de un resto glucosilo de un glucósido activado a un alcohol aceptor para producir un nuevo glucósido.
Se han desarrollado glucósidos hidrolasas mutantes denominadas glicosintasas que pueden lograr la síntesis de glucósidos con alto rendimiento a partir de donantes de glicosilo activados, como los fluoruros de glicosilo. Las glicosintasas se forman típicamente a partir de la retención de glucósido hidrolasas mediante mutagénesis dirigida del nucleófilo enzimático a algún otro grupo menos nucleófilo, como la alanina o la glicina. Otro grupo de glucósido hidrolasas mutantes denominadas tioglicoligasas puede formarse mediante mutagénesis dirigida del residuo ácido-base de una glucósido hidrolasa retenedora. Las tioglicoligasas catalizan la condensación de glucósidos activados y varios aceptores que contienen tioles.
Varias glucósidos hidrolasas han demostrado eficacia en la degradación de polisacáridos de matriz dentro de la sustancia polimérica extracelular (EPS) de biopelículas microbianas . [17] Desde el punto de vista médico, las biopelículas brindan a los microorganismos infecciosos una variedad de ventajas sobre sus contrapartes planctónicas que flotan libremente, incluida una tolerancia mucho mayor a los agentes antimicrobianos y al sistema inmunológico del huésped. Por lo tanto, la degradación de la biopelícula puede aumentar la eficacia de los antibióticos y potenciar la función inmune del huésped y su capacidad de curación. Por ejemplo, se demostró que una combinación de alfa-amilasa y celulasa degrada las biopelículas bacterianas polimicrobianas de fuentes tanto in vitro como in vivo y aumenta la eficacia de los antibióticos contra ellas. [18]
Se conocen muchos compuestos que pueden actuar para inhibir la acción de una glucósido hidrolasa. Se han encontrado en la naturaleza heterociclos "en forma de azúcar" que contienen nitrógeno , incluidos la desoxinojirimicina , la swainsonina , la australina y la castanospermina . A partir de estos moldes naturales se han desarrollado muchos otros inhibidores, incluidos la isofagomina y la desoxigalactonojirimicina , y varios compuestos insaturados como PUGNAc. Los inhibidores que se utilizan clínicamente incluyen los medicamentos antidiabéticos acarbosa y miglitol , y los medicamentos antivirales oseltamivir y zanamivir . Se ha descubierto que algunas proteínas actúan como inhibidores de la glucósido hidrolasa.
