En bioquímica , las glicósidos 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 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 involucradas 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. [3]
Las glicósido hidrolasas se encuentran en prácticamente todos los dominios de la vida. En los procariotas , se encuentran tanto como enzimas intracelulares como extracelulares que participan en gran medida en la adquisición de nutrientes. Una de las ocurrencias importantes de las glicósido hidrolasas en bacterias es la enzima beta-galactosidasa (LacZ), que está involucrada en la regulación de la expresión del operón lac en E. coli . En organismos superiores, las glicósido hidrolasas se encuentran dentro del retículo endoplasmático y el aparato de Golgi , donde están involucradas en el procesamiento de las glicoproteínas ligadas a N , y en el lisosoma como enzimas involucradas en la degradación de las estructuras de los carbohidratos. La deficiencia de glicósido hidrolasas lisosomales específicas puede conducir a una variedad de trastornos de almacenamiento lisosomal que resultan en problemas de desarrollo o muerte. Las glicósido hidrolasas se encuentran en el tracto intestinal y en la saliva , donde degradan carbohidratos complejos como lactosa , almidón , sacarosa y trehalosa . En el intestino se encuentran como enzimas ancladas a glicosilfosfatidilos en las células endoteliales . La enzima lactasa es necesaria para la degradación del azúcar de la leche, la lactosa, y está presente en niveles altos en los lactantes, pero en la mayoría de las poblaciones disminuirá después del destete o durante la infancia, lo que podría conducir a una intolerancia a la lactosa en la edad adulta. [4] [5] La enzima O-GlcNAcase participa en la eliminación de grupos N-acetilglucosamina de residuos de serina y treonina en el citoplasma y el núcleo de la célula. Las hidrolasas de glicósido participan en la biosíntesis y degradación del glucógeno en el cuerpo.
Las hidrolasas de glicósidos se clasifican en EC 3.2.1 como enzimas que catalizan la hidrólisis de los O- o S-glicósidos. Las hidrolasas de glicósidos también se pueden clasificar según el resultado estereoquímico de la reacción de hidrólisis: por lo tanto, se pueden clasificar como enzimas de retención o de inversión . [6] Las hidrolasas de glicósidos 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 hidrolasas de glicósidos también se pueden clasificar por métodos basados en la secuencia o la estructura. [7]
Las clasificaciones basadas en secuencias son uno de los métodos predictivos más potentes para sugerir la función de enzimas recién secuenciadas para las que no se ha demostrado bioquímicamente su función. Un sistema de clasificación para las glicosil hidrolasas, basado en la similitud de secuencias, ha llevado a la definición de más de 100 familias diferentes. [8] [9] [10] Esta clasificación está disponible en el sitio web CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes). [7] [11] La base de datos proporciona una serie de clasificaciones basadas en secuencias actualizadas regularmente que permiten una predicción confiable del mecanismo (retención/inversión), residuos del sitio activo y posibles sustratos. La base de datos en línea está respaldada por CAZypedia, una enciclopedia en línea de enzimas activas de carbohidratos. [12] 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 secuencias de glicosil hidrolasas y la comparación de estructuras 3D han permitido la propuesta de una clasificación jerárquica extendida de las glicosil hidrolasas. [13] [14]
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 retenedoras operan a través de un mecanismo de dos pasos, donde cada paso resulta en una inversión , para una retención neta de la estereoquímica. Nuevamente, están involucrados dos residuos, que generalmente son 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 resulta en la formación de un intermediario enzimático de glicosilo, con asistencia ácida proporcionada por el carboxilato ácido. En el segundo paso, el carboxilato ácido ahora desprotonado actúa como una base y ayuda a un agua nucleófila a hidrolizar el intermediario enzimático de glicosilo, dando el producto hidrolizado. El mecanismo se ilustra a continuación para la lisozima de clara de huevo de gallina . [15]
Puede darse un mecanismo alternativo de hidrólisis con retención de la estereoquímica que proceda a través de un residuo nucleofílico que esté unido al sustrato, en lugar de estar unido a la enzima. Dichos mecanismos son comunes para ciertas N-acetilhexosaminidasas, que tienen un grupo acetamido capaz de participar en grupos vecinos para formar un ion intermedio 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 un mecanismo de participación de grupos vecinos variante para las endo-α-mananasas que implica la participación del grupo 2-hidroxilo para formar un epóxido intermedio. La hidrólisis del epóxido conduce a una retención neta de la configuración. [16]
Las hidrolasas de glicósido suelen recibir su nombre según el sustrato sobre el que actúan. Así, las glucosidasas catalizan la hidrólisis de los glucósidos y las xilanasas catalizan la escisión del homopolímero basado en xilosa, el xilano. Otros ejemplos incluyen la lactasa , la amilasa , la quitinasa , la sacarasa , la maltasa , la neuraminidasa , la invertasa , la hialuronidasa y la lisozima .
Se prevé que las hidrolasas de glicósido adquieran papeles cada vez mayores como catalizadores en aplicaciones de biorrefinación en la bioeconomía del futuro. [17] Estas enzimas tienen una variedad de usos que incluyen la degradación de materiales vegetales (por ejemplo, celulasas para degradar celulosa a glucosa, que se puede utilizar 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 agregan a los detergentes para el lavado de telas de algodón y ayudan en el mantenimiento de los colores al eliminar las microfibras que se levantan de la superficie de los hilos durante el uso.
En química orgánica , las hidrolasas de glicósido se pueden utilizar como catalizadores sintéticos para formar enlaces glicosídicos a través de hidrólisis inversa (enfoque cinético) donde se invierte la posición de equilibrio; o por transglicosilación (enfoque cinético) mediante el cual las hidrolasas de glicósido de retención pueden catalizar la transferencia de una fracción de glicosilo de un glicósido activado a un alcohol aceptor para producir un nuevo glicósido.
Se han desarrollado hidrolasas de glicósidos mutantes denominadas glicosintasas que pueden lograr la síntesis de glicósidos con un alto rendimiento a partir de donantes de glicosilo activados, como los fluoruros de glicosilo. Las glicosintasas se forman típicamente a partir de hidrolasas de glicósido retenedoras mediante mutagénesis dirigida al sitio del nucleófilo enzimático a algún otro grupo menos nucleófilo, como la alanina o la glicina. Otro grupo de hidrolasas de glicósido mutantes denominadas tioglicoligasas se puede formar mediante mutagénesis dirigida al sitio del residuo ácido-base de una hidrolasa de glicósido retenedora. Las tioglicoligasas catalizan la condensación de glicósidos activados y varios aceptores que contienen tiol.
Varias hidrolasas de glicósido han demostrado eficacia en la degradación de polisacáridos de la matriz dentro de la sustancia polimérica extracelular (EPS) de biopelículas microbianas . [18] Médicamente, las biopelículas ofrecen a los microorganismos infecciosos una variedad de ventajas sobre sus contrapartes planctónicas que flotan libremente, incluyendo tolerancias mucho mayores 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 inmunológica del huésped y la capacidad de curación. Por ejemplo, se demostró que una combinación de alfa-amilasa y celulasa degrada biopelículas bacterianas polimicrobianas de fuentes tanto in vitro como in vivo , y aumenta la efectividad de los antibióticos contra ellas. [19]
Se conocen muchos compuestos que pueden actuar para inhibir la acción de una glicósido hidrolasa. Se han encontrado heterociclos que contienen nitrógeno, "en forma de azúcar", en la naturaleza , incluyendo desoxinojirimicina , swainsonina , australina y castanospermina . A partir de estas plantillas naturales se han desarrollado muchos otros inhibidores, incluyendo isofagomina y desoxigalactonojirimicina , y varios compuestos insaturados como PUGNAc. Los inhibidores que se encuentran en uso clínico incluyen los fármacos antidiabéticos acarbosa y miglitol , y los fármacos antivirales oseltamivir y zanamivir . Se ha descubierto que algunas proteínas actúan como inhibidores de la glicósido hidrolasa.
