La especificidad química es la capacidad del sitio de unión de una macromolécula (como una proteína ) de 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 y un ligando determinados. Esta relación se puede describir mediante una constante de disociación , que caracteriza el equilibrio entre los estados unidos y no unidos para el sistema proteína-ligando. [1] En el contexto de una sola enzima y un par de moléculas de unión, los dos ligandos se pueden comparar como ligandos más fuertes o más débiles (para la enzima) sobre la base de sus constantes de disociación. (Un valor más bajo corresponde a una unión más fuerte).
La especificidad de 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 dada tiene una alta especificidad química, esto significa que el conjunto de ligandos al que se une es limitado, de modo que ni los eventos de unión ni la catálisis pueden ocurrir a una tasa apreciable con moléculas adicionales.
Un ejemplo de un par proteína-ligando cuya actividad de unión puede ser altamente 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 un mayor número 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 del citocromo P450 , que puede considerarse una enzima promiscua debido a su amplia especificidad para múltiples ligandos. Las proteasas son un grupo de enzimas que muestran una amplia gama de especificidades de escisión. Las proteasas promiscuas, como las enzimas digestivas, degradan péptidos de manera inespecífica, mientras que las proteasas altamente específicas están involucradas 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 e hidrofóbicas son las más influyentes en lo que respecta a la procedencia de 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 entre sí.
La especificidad de un proceso de unión depende en gran medida de la flexibilidad de los socios de unión. 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 lo tanto, es más promiscua. Como el proceso de unión suele conducir a una rigidización de ambos socios de unión en el complejo, la unión de una proteína flexible suele conllevar una penalización entrópica. Esta es la razón principal de la correlación positiva que se encuentra con frecuencia entre la afinidad de unión y la especificidad de unión. Los anticuerpos muestran una fuerte correlación entre la rigidez y la especificidad. [6] [3] Esta correlación se extiende mucho más allá del paratopo de los anticuerpos [7]
La especificidad de una enzima se refiere a las interacciones entre una enzima en particular y su sustrato correspondiente. Además de la especificidad en la unión de sus sustratos, la proximidad y la orientación correctas, así como la unión del 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. Algunas enzimas pueden necesitar 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 para un solo sustrato específico para que se produzca una reacción adecuada y un fenotipo fisiológico. Los diferentes tipos de categorizaciones difieren en función de su especificidad para los sustratos. En general, se dividen en cuatro grupos: absoluta, de grupo, de enlace y estereoquímica.
La especificidad absoluta puede considerarse 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 involucrada en la fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato. Es principalmente activa 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 su 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 los aminoácidos hidrofóbicos, con reconocimiento de cadenas laterales aromáticas como fenilalanina, triptófano y tirosina. Otro ejemplo es la hexoquinasa, una enzima involucrada 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 su 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 particulares de enlaces químicos. Esto difiere de la especificidad de grupo en 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 rotan la luz polarizada plana o en las orientaciones de los enlaces (ver enlaces alfa, beta glucosídicos). Las enzimas que son estereoquímicamente específicas se unirán a sustratos con estas propiedades particulares. Por ejemplo, la beta-glucosidasa solo 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 estereoespecífica para los enlaces alfa, por eso 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; los valores más altos indican una afinidad menor.
Para la ecuación dada (E = enzima, S = sustrato, P = producto),
sería equivalente a , donde y son las velocidades de la reacción hacia adelante y hacia atrás, respectivamente, en la conversión de E y S individuales en el complejo enzima-sustrato.
La teoría de la información permite una definición más cuantitativa de la especificidad mediante el cálculo de la entropía en el espectro de unión. [4]
La especificidad química de una enzima para un sustrato en particular se puede encontrar utilizando dos variables que se derivan de la ecuación de Michaelis-Menten . aproxima 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. sobre se conoce como la constante de especificidad , que da una medida de la afinidad de un sustrato a alguna enzima en particular. También conocida como la eficiencia de una enzima, esta relación revela la preferencia de una enzima por un sustrato en particular. Cuanto mayor sea la constante de especificidad de una enzima corresponde a una alta 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, ya que los nuevos fármacos se prueban para determinar su especificidad con respecto a la molécula diana en varias rondas de ensayos clínicos. Los fármacos deben contener estructuras lo más específicas posibles 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 dianas moleculares particulares. [1] El descubrimiento de nuevos fármacos avanza con experimentos que involucran compuestos altamente específicos. Por ejemplo, la base que se debe demostrar con éxito que los fármacos cumplen es tanto la capacidad de unirse al receptor diana 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 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 el Western blotting, que se utiliza para detectar una determinada proteína de interés en un tejido. Esta técnica implica una electroforesis en gel seguida de la transferencia de la muestra a una membrana que se tiñe con anticuerpos. Los anticuerpos son específicos de la proteína de interés y contendrán una etiqueta fluorescente que indica la presencia de la proteína de interés del investigador. [15]
