Tríada catalítica

El término tríada catalítica se refiere a los tres residuos de aminoácidos que funcionan en conjunto en el centro del sitio activo de algunas enzimas hidrolasas y transferasas (por ejemplo, proteasas, amidasas, esterasas, acilasas, lipasas y β-lactamasas).[1]​[2]​ Los residuos aminoacídicos forman una red de relevamiento de cargas que polarizan y activan al nucleófilo, el cual ataca al sustrato, formando un intermediario covalente el cual es luego hidrolizado para regenerar la enzima libre.En forma simultánea se encontró que las estructuras de la papaína y subtilisina, unas enzimas sin ninguna relación evolutiva con las anteriores, contenían tríadas análogas.[3]​[4]​ La cadena lateral del residuo nucleofílico lleva a cabo un proceso de catálisis covalente sobre el sustrato.Los 20 aminoácidos canónicos no contienen grupos funcionales lo suficientemente nucleofílicos para llevar a cabo muchas reacciones catalíticas particularmente dificultosas.Adicionalmente, protona al primer producto y ayuda a la liberación del grupo saliente.Debido a que el pKa de la lisina es tan alto (pKa=11), un glutamato y varios otros residuos actúan como ácidos para estabilizar su estado desprotonado durante el ciclo catalítico.Algunas enzimas aún son activas poseyendo tan solo una díada, ya que el miembro ácido puede ser el menos necesario en las cisteína proteasas.[1]​ La segunda histidina no es tan efectiva como ácido como lo son el glutamato o el aspartato, por lo que tiene una menor eficiencia catalítica.La quimotripsina (superfamilia PA, Familia S1) se considera una de las enzimas que contiene una tríada clásica.La quimotripsina se une a su sustrato, un bucle expuesto que contiene un residuo hidrofóbico de gran tamaño.Luego una molécula de agua dona un protón a la histidina y el grupo OH− remanente atacan al carbono carbonílico, formando otro intermediario tetraédrico.La misma tríada ha evolucionado también en las α/β hidrolasas tales como algunas lipasas y esterasas, sin embargo la quiralidad se encuentra invertida.Se ha hipotetizado que esta tríada es una adaptación a ambientes muy específicos tales como manantiales calientes (p. ej.La serina del medio se mantiene en una orientación cis muy inusual para facilitar el preciso contacto con los otros dos residuos de la tríada.Esta tríada es además inusual en el hecho de que la lisina y la serina cis actúan ambas como base para activar a la serina catalítica, pero es la misma lisina la que también actúa como el miembro acídico y formando los contactos estructurales clave.Esto puede ser inferido porque varias superfamilias (con plegamientos similares) contienen familias que hacen uso de diferentes nucleófilos, indicando que el cambio de nucleófilos ha ocurrido varias vecs durante la historia evolutiva, aunque el mecanismo evolutivo por el cual esto ocurre, todavía permanece poco claro.Para activar a ese nucleófilo, estas enzimas orientan un residuo básico y uno ácido formando una tríada catalítica.Debido a las similitudes mecanísticas entre las serina y cisteína proteasas, todas estas tríadas han convergido hacia casi el mismo arreglo.A diferencia de la cisteína y serina, la treonina es un alcohol secundario (posee un grupo metilo).Varias superfamilias de enzimas evolutivamente independientes con diferentes plegamientos proteicos, hacen uso del residuo treonina N-terminal como nucleófilo.
Una enzima ( Proteasa TEV 1lvm) unida a un sustrato (en negro) conteniendo una tríada catalítica de residuos (en rojo). La tríada consiste en un residuo ácido (Acid), una histidina (Base) y un nucleófilo (Nuc). En el caso de la proteasa TEV, el residuo ácido es un aspartato , y el nucleófilo es una cisteína .
Un sistema de relevamiento de cargas formado por una tríada catalítica encontrada con frecuencia en diferentes proteasas . El residuo ácido, comúnmente un glutamato o aspartato , alinea y polariza a la base (por lo general una histidina ) la cual a su vez activa al nucleófilo, por lo general una serina o cisteína , aunque ocasionalmente puede ser una treonina . La configuración de la tríada reduce el pKa del residuo nucleófílico, el cual posteriormente ataca al sustrato. Un hueco de oxoanion cargado positivamente por lo general en el esqueleto amida, estbiliza el aumento de carga en el estado de transición del sustrato.
El rango de aminoácidos utilizados en diferentes combinaciones de diferentes enzimas para formar una tríada catalítica para llevar a cabo hidrólisis.. A la izquierda se encuentra los miembros nucleófilo, base y ácido de la tríada. A la derecha se encuentran los diferentes sustratos con el enlace escindidio indicado con un par de tijeras. En la Penicilina G (un antibiótico betalactámico ) existen dos enlaces diferentes que pueden ser escindidos por una penicilasa (1) o por una beta lactamasa (2)
Diferencias entre los mecanismos de proteólisis en las cisteína y serina proteasas. La proteasa (negro) lleva a cabo un ataque nucleofílico sobre el sustrato peptídico (en rojo) para formar un intermediario tetraédrico. Este intermediario se rompe con la ejección del primer producto, el extremo C-terminal del sustrato, para formar el intermediario acil-enzima. El agua reemplaza al primer producto y la hidrólisis ocurre por medio de un intermediario tetraédrico para regenerar la enzima libre. Las diferencias señaladas son: (a) la cisteína desprotonada, (b) aspartato (gris) que no se encuentra presente en todas las cisteína proteasas, (c) desprotonación concertada de la serina, (d) enlace hidrógeno del aspartato, (e) protonación por la amida del primer grupo saliente, (f) protonación por el alcohol del grupo saliente de la serina.
Evolución divergente del clan de proteasas PA para hacer uso de diferentes nucleófilos en su tríada catalítica. Se muestran la tríada de serina de la quimotripsina ( Clan PA , Familia S1) y la tríada de cisteína de la proteasa TEV ( Clan PA , Familia C3).
Convergencia evolutiva de las tríadas catalíticas hacia la misma organización de ácido-base-nucleófilo. Se muestran las tríadas de la subtilisina (Clan SB, Familia S8), prolil oligopeptidasa (Clan SC, Familia S9), proteasa TEV ( Clan PA , Familia C3) y papaína (Clan CA, Familia C1).
Convergencia evolutiva de las treonina proteasas hacia la misma organización de sitio activo N-terminal. Se muestra la treonina catalítica de proteasoma (Clan PB, Familia T1) y ornihina acetiltransferasa (Clan PE, Familia T5).