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En biología y bioquímica , el sitio activo es la región de una enzima donde las moléculas del sustrato se unen y experimentan una reacción química. El sitio activo consta de residuos de aminoácidos que forman enlaces temporales con el sustrato (el sitio de unión) y residuos que catalizan una reacción de dicho sustrato (el sitio catalítico) . Aunque el sitio activo ocupa solo entre el 10 % y el 20 % del volumen de una enzima, [ 1 ] : 19 es la parte más importante, ya que cataliza directamente la reacción química . Generalmente consta de tres o cuatro aminoácidos, mientras que otros aminoácidos dentro de la proteína son necesarios para mantener la estructura terciaria de las enzimas. [ 2 ]
Cada sitio activo está optimizado para unirse a un sustrato específico y catalizar una reacción particular, lo que resulta en una alta especificidad . Esta especificidad está determinada por la disposición de los aminoácidos dentro del sitio activo y la estructura de los sustratos. A veces, las enzimas también necesitan unirse a algunos cofactores para cumplir su función. El sitio activo suele ser un surco o cavidad de la enzima que puede estar ubicado en un túnel profundo dentro de la enzima, [ 3 ] o entre las interfaces de enzimas multiméricas . Un sitio activo puede catalizar una reacción repetidamente ya que los residuos no se alteran al final de la reacción (pueden cambiar durante la reacción, pero se regeneran al final). [ 4 ] Este proceso se logra al disminuir la energía de activación de la reacción, de modo que más sustratos tengan suficiente energía para reaccionar.
Sitio de unión
Por lo general, una molécula de enzima tiene un único sitio activo, y este sitio se une a un tipo específico de sustrato. El sitio activo contiene un sitio de unión que se une al sustrato y lo orienta para la catálisis. La orientación del sustrato y la proximidad entre este y el sitio activo son tan importantes que, en algunos casos, la enzima puede seguir funcionando correctamente incluso si todas las demás partes están mutadas y pierden su función. [ 5 ]
Inicialmente, la interacción entre el sitio activo y el sustrato es no covalente y transitoria. Hay cuatro tipos importantes de interacción que mantienen el sustrato en una orientación definida y forman un complejo enzima-sustrato (complejo ES): enlaces de hidrógeno , interacciones de van der Waals , interacciones hidrofóbicas e interacciones de fuerza electrostática . [ 6 ] : 148 La distribución de carga en el sustrato y el sitio activo debe ser complementaria, lo que significa que todas las cargas positivas y negativas deben cancelarse. De lo contrario, habrá una fuerza repulsiva que los separará. El sitio activo generalmente contiene aminoácidos no polares , aunque a veces también pueden aparecer aminoácidos polares. [ 2 ] La unión del sustrato al sitio de unión requiere al menos tres puntos de contacto para lograr estereo-, regio- y enantioselectividad. Por ejemplo, la alcohol deshidrogenasa que cataliza la transferencia de un ion hidruro del etanol al NAD + interactúa con el grupo metilo del sustrato , el grupo hidroxilo y el hidrógeno pro- (R) que se abstraerá durante la reacción. [ 6 ] : 149
Para ejercer su función, las enzimas necesitan adoptar su plegamiento proteico correcto ( plegamiento nativo ) y su estructura terciaria . Para mantener esta estructura tridimensional definida, las proteínas dependen de diversos tipos de interacciones entre sus residuos de aminoácidos. Si estas interacciones se ven afectadas, por ejemplo, por valores extremos de pH, altas temperaturas o altas concentraciones de iones, la enzima se desnaturalizará y perderá su actividad catalítica.
Se cree que un ajuste más preciso entre el sitio activo y la molécula del sustrato aumenta la eficiencia de una reacción. Si se incrementa el ajuste entre el sitio activo de la ADN polimerasa y su sustrato, también aumentará la fidelidad, es decir, la velocidad correcta de replicación del ADN. [ 7 ] La mayoría de las enzimas tienen sitios activos profundamente enterrados, a los que el sustrato puede acceder a través de canales de acceso. [ 3 ]
Existen tres modelos propuestos sobre cómo las enzimas se ajustan a su sustrato específico: el modelo de llave y cerradura , el modelo de ajuste inducido y el modelo de selección conformacional. Los dos últimos no son mutuamente excluyentes: la selección conformacional puede ir seguida de un cambio en la forma de la enzima. Además, una proteína puede no seguir completamente ninguno de los dos modelos. Los aminoácidos en el sitio de unión de la ubiquitina generalmente siguen el modelo de ajuste inducido, mientras que el resto de la proteína generalmente se adhiere a la selección conformacional. Factores como la temperatura probablemente influyen en la vía seguida durante la unión, y se predice que las temperaturas más altas aumentan la importancia de la selección conformacional y disminuyen la del ajuste inducido. [ 8 ]
Hipótesis de la llave y la cerradura
Este concepto fue propuesto por el químico del siglo XIX Emil Fischer . Fischer planteó que el sitio activo y el sustrato son dos estructuras estables que encajan a la perfección sin necesidad de modificaciones adicionales, como una llave en una cerradura. Si un sustrato se une perfectamente a su sitio activo, las interacciones entre ellos serán las más fuertes, lo que resultará en una alta eficiencia catalítica.
Con el paso del tiempo, comenzaron a surgir limitaciones en este modelo. Por ejemplo, el inhibidor enzimático competitivo metilglucósido puede unirse firmemente al sitio activo de la 4-alfa-glucanotransferasa y encajar perfectamente en él. Sin embargo, la 4-alfa-glucanotransferasa no es activa sobre el metilglucósido y no se produce transferencia de glicosilo. La hipótesis de la llave y la cerradura no puede explicar esto, ya que predeciría una alta eficiencia de transferencia de glicosilo del metilglucósido debido a su fuerte unión. Aparte de la inhibición competitiva, esta teoría tampoco puede explicar el mecanismo de acción de los inhibidores no competitivos , ya que no se unen al sitio activo pero, no obstante, influyen en la actividad catalítica. [ 9 ]
Hipótesis de ajuste inducido
La teoría de Daniel Koshland sobre la unión enzima-sustrato postula que el sitio activo y la porción de unión del sustrato no son exactamente complementarios. [ 10 ] El modelo de ajuste inducido es una evolución del modelo de llave y cerradura y asume que un sitio activo es flexible y cambia de forma hasta que el sustrato se une por completo. Este modelo es similar a una persona que usa un guante: el guante cambia de forma para ajustarse a la mano. Inicialmente, la enzima tiene una conformación que atrae a su sustrato. La superficie de la enzima es flexible y solo el catalizador correcto puede inducir la interacción que conduce a la catálisis. Posteriormente, pueden ocurrir cambios conformacionales a medida que el sustrato se une. Después de la reacción, los productos se alejarán de la enzima y el sitio activo volverá a su forma inicial. Esta hipótesis está respaldada por la observación de que todo el dominio proteico puede moverse varios nanómetros durante la catálisis. Este movimiento de la superficie proteica puede crear microambientes que favorecen la catálisis. [ 5 ]
Hipótesis de selección conformacional
Este modelo sugiere que las enzimas existen en diversas conformaciones, de las cuales solo algunas son capaces de unirse a un sustrato. Cuando un sustrato se une a la proteína, el equilibrio en el conjunto conformacional se desplaza hacia aquellas capaces de unirse a ligandos (ya que las enzimas con sustratos unidos se eliminan del equilibrio entre las conformaciones libres). [ 11 ]
Tipos de interacciones no covalentes
Interacción electrostática : En un entorno acuoso, los grupos con cargas opuestas en las cadenas laterales de los aminoácidos dentro del sitio activo y los sustratos se atraen entre sí, lo que se denomina interacción electrostática. Por ejemplo, cuando un ácido carboxílico (R-COOH) se disocia en iones RCOO− y H+, el COO− atraerá grupos con carga positiva como la cadena lateral de guanidina protonada de la arginina .
Enlace de hidrógeno : Un enlace de hidrógeno es un tipo específico de interacción dipolo-dipolo entre un átomo de hidrógeno parcialmente positivo y un donador de electrones parcialmente negativo que contiene un par de electrones, como el oxígeno , el flúor y el nitrógeno . La fuerza del enlace de hidrógeno depende de la naturaleza química y la disposición geométrica de cada grupo.
Fuerza de Van der Waals : La fuerza de Van der Waals se forma entre grupos con cargas opuestas debido a la distribución transitoria y desigual de electrones en cada grupo. Si todos los electrones se concentran en un polo del grupo, este extremo será negativo, mientras que el otro será positivo. Aunque la fuerza individual es débil, dado que el número total de interacciones entre el sitio activo y el sustrato es enorme, la suma de todas ellas será significativa.
Interacción hidrofóbica : Los grupos hidrofóbicos no polares tienden a agruparse en el medio acuoso y a alejarse del disolvente polar. Estos grupos hidrofóbicos suelen tener largas cadenas de carbono y no reaccionan con las moléculas de agua. Al disolverse en agua, una molécula de proteína se enrolla formando una esfera, dejando los grupos hidrofílicos en el exterior y los hidrofóbicos profundamente incrustados en el centro.
Sitio catalítico
Una vez que el sustrato se une y se orienta hacia el sitio activo, puede comenzar la catálisis . Los residuos del sitio catalítico suelen estar muy cerca del sitio de unión, y algunos residuos pueden desempeñar una doble función tanto en la unión como en la catálisis.
Los residuos catalíticos del sitio interactúan con el sustrato para disminuir la energía de activación de la reacción y, por lo tanto, acelerarla . Esto lo logran mediante diversos mecanismos, entre los que se incluyen la aproximación de los reactivos, la catálisis nucleofílica/electrofílica y la catálisis ácido/base. Estos mecanismos se explicarán más adelante.
Mecanismos involucrados en el proceso catalítico
Aproximación del reactivo
Durante la reacción catalítica enzimática, el sustrato y el sitio activo se aproximan considerablemente. Este enfoque tiene diversas finalidades. En primer lugar, cuando los sustratos se unen al sitio activo, su concentración efectiva aumenta significativamente en comparación con la de la solución. Esto implica que también aumenta el número de moléculas de sustrato involucradas en la reacción. Este proceso reduce, además, la energía de desolvatación necesaria para que se produzca la reacción. En solución, las moléculas de sustrato están rodeadas por moléculas de disolvente, y se requiere energía para que las moléculas de enzima las reemplacen y entren en contacto con el sustrato. Dado que las moléculas de disolvente pueden excluirse del sitio activo, este gasto energético se minimiza. Además, el sitio activo está diseñado para reorientar el sustrato y reducir así la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción. Tras la unión, la alineación del sustrato queda fijada en un estado de alta energía, lo que permite que la reacción continúe. Asimismo, esta unión se ve favorecida por la entropía , ya que el coste energético asociado a la reacción en solución se reduce en gran medida, puesto que el disolvente no puede entrar en el sitio activo. Finalmente, el sitio activo puede manipular el orbital molecular del sustrato para lograr una orientación adecuada que reduzca la energía de activación. [ 6 ] : 155–8
Los estados electrostáticos del sustrato y del sitio activo deben ser complementarios. Una cadena lateral de aminoácido polarizada y con carga negativa repelerá al sustrato sin carga. Pero si el estado de transición implica la formación de un centro iónico , entonces la cadena lateral generará una interacción favorable.
catálisis covalente
Muchas enzimas, incluidas la serina proteasa , la cisteína proteasa , la proteína quinasa y la fosfatasa, evolucionaron para formar enlaces covalentes transitorios entre ellas y sus sustratos, con el fin de disminuir la energía de activación y permitir que se produzca la reacción. Este proceso se puede dividir en dos etapas: formación y degradación. La primera etapa es la que limita la velocidad de reacción, mientras que la segunda es necesaria para regenerar la enzima intacta. [ 6 ] : 158
Catálisis nucleofílica : Este proceso implica la donación de electrones del nucleófilo de la enzima a un sustrato para formar un enlace covalente entre ellos durante el estado de transición. La fuerza de esta interacción depende de dos aspectos: la capacidad del grupo nucleofílico para donar electrones y del electrófilo para aceptarlos. El primero se ve afectado principalmente por la basicidad (la capacidad de donar pares de electrones) de la especie, mientras que el segundo está relacionado con su pKa . Ambos grupos también se ven afectados por sus propiedades químicas , como la polarizabilidad , la electronegatividad y el potencial de ionización . Los aminoácidos que pueden formar nucleófilos incluyen serina , cisteína , aspartato y glutamina .
Catálisis electrofílica : El mecanismo de este proceso es idéntico al de la catálisis nucleofílica, con la diferencia de que ahora los aminoácidos en el sitio activo actúan como electrófilos , mientras que los sustratos son nucleófilos . Esta reacción generalmente requiere cofactores, ya que las cadenas laterales de los aminoácidos no son lo suficientemente fuertes para atraer electrones.
Iones metálicos
Los iones metálicos desempeñan múltiples funciones durante la reacción. En primer lugar, pueden unirse a grupos del sustrato con carga negativa para evitar que repelan los pares de electrones de los grupos nucleofílicos del sitio activo. Pueden atraer electrones con carga negativa para aumentar la electrofilicidad . También pueden formar puentes entre el sitio activo y el sustrato. Por último, pueden modificar la estructura conformacional del sustrato para favorecer la reacción. [ 6 ] : 158
catálisis ácido/base
En algunas reacciones, los protones y el hidróxido pueden actuar directamente como ácido y base en términos de catálisis ácida y básica específica. Sin embargo, con mayor frecuencia, los grupos en el sustrato y el sitio activo actúan como ácido y base de Brønsted-Lowry. Esto se conoce como teoría general de ácidos y bases. La forma más sencilla de distinguirlas es comprobar si la velocidad de reacción está determinada por las concentraciones del ácido y la base generales. Si la respuesta es afirmativa, entonces la reacción es de tipo general. Dado que la mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo de 6 a 7, los aminoácidos en la cadena lateral suelen tener un pKa de 4 a 10. Entre los candidatos se incluyen el aspartato , el glutamato , la histidina y la cisteína . Estos ácidos y bases pueden estabilizar el nucleófilo o electrófilo formado durante la catálisis al proporcionar cargas positivas y negativas. [ 6 ] : 164–70
Distorsión conformacional
Los estudios cuantitativos de reacciones enzimáticas a menudo revelan que la aceleración de la velocidad de reacción química no puede explicarse completamente mediante las teorías existentes, como la aproximación, la catálisis ácido-base y la catálisis electrófila-nucleófila. Existe una paradoja evidente: en una reacción enzimática reversible, si el sitio activo se ajusta perfectamente a los sustratos, la reacción inversa se ralentizará, ya que los productos no pueden encajar perfectamente en el sitio activo. Por ello, se introdujo el concepto de distorsión conformacional, que postula que tanto el sitio activo como el sustrato pueden experimentar cambios conformacionales para ajustarse mutuamente de forma continua. [ 6 ] : 170–5
Complementariedad del sitio activo preorganizado con el estado de transición
Esta teoría es algo similar a la Teoría de la Llave y la Cerradura, pero en este caso el sitio activo está preprogramado para unirse perfectamente al sustrato en el estado de transición en lugar de en el estado fundamental. La formación del estado de transición en la solución requiere una gran cantidad de energía para reubicar las moléculas de disolvente y la reacción se ralentiza. Por lo tanto, el sitio activo puede sustituir a las moléculas de disolvente y rodear los sustratos para minimizar el efecto contraproducente impuesto por la solución. La presencia de grupos cargados en el sitio activo atraerá a los sustratos y asegurará la complementariedad electrostática. [ 6 ] : 176–8
Ejemplos de mecanismos de catálisis enzimática
En realidad, la mayoría de los mecanismos enzimáticos implican una combinación de varios tipos diferentes de catálisis.
La función del glutatión (GSH) es eliminar las especies reactivas de oxígeno acumuladas que pueden dañar las células. Durante este proceso, su cadena lateral tiol se oxida y dos moléculas de glutatión se unen mediante un enlace disulfuro para formar un dímero (GSSG). Para regenerar el glutatión, es necesario romper el enlace disulfuro. En las células humanas, esta función la desempeña la glutatión reductasa (GR).
La glutatión reductasa es un dímero compuesto por dos subunidades idénticas. Requiere NADP y FAD como cofactores . El sitio activo se localiza en la unión entre las dos subunidades. El NADPH interviene en la generación de FADH⁻. En el sitio activo, además del cofactor FAD, se encuentran dos residuos de cisteína que se utilizan para romper el enlace disulfuro durante la reacción catalítica. El NADPH se une a tres residuos con carga positiva: Arg-218, His-219 y Arg-224.
El proceso catalítico comienza cuando el FAD se reduce mediante NADPH para aceptar un electrón y del FADH⁻ . Luego ataca el enlace disulfuro formado entre dos residuos de cisteína, formando un enlace SH y un grupo S⁻ . Este grupo S⁻ actuará como nucleófilo para atacar el enlace disulfuro en el glutatión oxidado (GSSG), rompiéndolo y formando un complejo cisteína-SG. El primer anión SG⁻ se libera y luego recibe un protón del grupo SH adyacente y del primer monómero de glutatión. A continuación, el grupo S⁻ adyacente ataca el enlace disulfuro en el complejo cisteína-SG y libera el segundo anión SG⁻ . Este recibe un protón en solución y forma el segundo monómero de glutatión.
[ 1 ] : 137–9
quimotripsina
La quimotripsina es una endopeptidasa de serina presente en el jugo pancreático que ayuda a la hidrólisis de proteínas y péptidos . [ 1 ] : 84–6 Cataliza la hidrólisis de los enlaces peptídicos en los isómeros L de tirosina , fenilalanina y triptófano . En el sitio activo de esta enzima, tres residuos de aminoácidos trabajan juntos para formar una tríada catalítica que constituye el sitio catalítico. En la quimotripsina, estos residuos son Ser-195, His-57 y Asp-102.
El mecanismo de la quimotripsina se divide en dos fases. Primero, la Ser-195 ataca nucleofílicamente el carbono del enlace peptídico del sustrato para formar un intermedio tetraédrico. La nucleofilicidad de la Ser-195 se ve potenciada por la His-57, que abstrae un protón de la Ser-195 y, a su vez, se estabiliza por el grupo carboxilato con carga negativa ( RCOO⁻ ) del Asp-102. Además, el intermedio oxianión tetraédrico generado en este paso se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno entre la Ser-195 y la Gly-193.
En la segunda etapa, el grupo R'NH es protonado por His-57 para formar R'NH₂ y abandona el intermedio, dejando atrás la Ser-195 acilada . His-57 actúa entonces nuevamente como base para abstraer un protón de una molécula de agua. El anión hidróxido resultante ataca nucleofílicamente el complejo acil-enzima para formar un segundo intermedio oxianión tetraédrico, que se estabiliza nuevamente mediante enlaces de hidrógeno. Finalmente, Ser-195 abandona el intermedio tetraédrico, rompiendo el enlace C-O que unía la enzima al sustrato peptídico. Un protón se transfiere a Ser-195 a través de His-57, de modo que los tres aminoácidos regresan a su estado inicial.
Desvinculante
La disociación del sustrato está influenciada por diversos factores. Los ligandos más grandes generalmente permanecen más tiempo en el sitio activo, [ 12 ] al igual que aquellos con enlaces más rotables (aunque esto puede ser un efecto secundario del tamaño). [ 13 ] Cuando el disolvente se excluye del sitio activo, las proteínas menos flexibles dan como resultado tiempos de residencia más prolongados . Un mayor número de enlaces de hidrógeno protegidos del disolvente también disminuye la disociación. [ 12 ]
Cofactores
Las enzimas pueden usar cofactores como "moléculas auxiliares". Las coenzimas son moléculas no proteicas que se unen a las enzimas para ayudarlas a realizar sus funciones. Generalmente, se unen al sitio activo mediante enlaces no covalentes, como enlaces de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas . Sin embargo, a veces también se puede formar un enlace covalente entre ellas. Por ejemplo, el grupo hemo en el citocromo C se une a la proteína mediante un enlace tioéster . En algunos casos, las coenzimas pueden separarse de las enzimas una vez finalizada la reacción. De lo contrario, se unen permanentemente a la enzima. [ 6 ] : 69 El concepto de coenzima es amplio e incluye iones metálicos, diversas vitaminas y ATP . Si una enzima necesita una coenzima para funcionar, se denomina apoenzima. De hecho, por sí sola no puede catalizar reacciones correctamente. Solo cuando su cofactor se une al sitio activo para formar la holoenzima funciona correctamente.
Un ejemplo de coenzima es la flavina . Contiene un sistema de anillo de isoaloxazina conjugado distintivo. La flavina presenta múltiples estados redox y puede utilizarse en procesos que implican la transferencia de uno o dos electrones. Puede actuar como aceptor de electrones en reacciones como la oxidación de NAD a NADH, aceptando dos electrones y formando 1,5-dihidroflavina. Por otro lado, puede formar una semiquinona ( radical libre ) al aceptar un electrón, y luego convertirse a su forma totalmente reducida mediante la adición de un electrón adicional. Esta propiedad permite su uso en procesos de oxidación de un electrón.
inhibidores
Los inhibidores interrumpen la interacción entre la enzima y el sustrato, lo que ralentiza la velocidad de la reacción. Existen diferentes tipos de inhibidores, tanto reversibles como irreversibles.
Los inhibidores competitivos son aquellos que actúan únicamente sobre las moléculas de enzima libres. Compiten con los sustratos por el sitio activo y pueden ser neutralizados aumentando la concentración de sustrato. Su mecanismo de acción consiste en dos mecanismos. Generalmente, los inhibidores competitivos presentan similitudes estructurales con los sustratos o el complejo enzima-esfingomielina (ES). Como resultado, pueden encajar en el sitio activo y desencadenar interacciones favorables que ocupan el espacio y bloquean la entrada de los sustratos. También pueden inducir cambios conformacionales transitorios en el sitio activo, impidiendo que los sustratos encajen perfectamente. Tras un breve periodo de tiempo, los inhibidores competitivos se disocian, dejando la enzima intacta.
Los inhibidores se clasifican como inhibidores no competitivos cuando se unen tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato. Dado que no compiten con los sustratos por el sitio activo, no se pueden neutralizar simplemente aumentando la concentración de sustrato. Generalmente se unen a un sitio diferente de la enzima y alteran la estructura tridimensional del sitio activo para impedir la entrada o salida de los sustratos.
Los inhibidores irreversibles son similares a los inhibidores competitivos, ya que ambos se unen al sitio activo. Sin embargo, los inhibidores irreversibles forman enlaces covalentes irreversibles con los residuos de aminoácidos en el sitio activo y permanecen unidos. Por lo tanto, el sitio activo queda ocupado y el sustrato no puede entrar. Ocasionalmente, el inhibidor se desprende, pero el sitio catalítico queda permanentemente alterado. Estos inhibidores suelen contener grupos electrófilos, como sustituyentes de halógeno y epóxidos . Con el tiempo, cada vez más enzimas se ven afectadas por inhibidores irreversibles y dejan de funcionar.
Ejemplos de inhibidores enzimáticos competitivos e irreversibles
Inhibidor competitivo: inhibidor de la proteasa del VIH
Los inhibidores de la proteasa del VIH se utilizan para tratar a pacientes con el virus del SIDA al impedir la replicación de su ADN . El virus utiliza la proteasa del VIH para escindir la poliproteína Gag-Pol en tres proteínas más pequeñas responsables del ensamblaje, empaquetamiento y maduración del virión. Esta enzima actúa sobre el sitio de escisión específico de fenilalanina - prolina dentro de la proteína diana. [ 14 ] Si se desactiva la proteasa del VIH, la partícula viral pierde su función y no puede infectar a los pacientes. Dado que es esencial para la replicación viral y está ausente en humanos sanos, es una diana ideal para el desarrollo de fármacos .
La proteasa del VIH pertenece a la familia de las proteasas aspárticas y tiene un mecanismo similar. En primer lugar, el residuo de aspartato activa una molécula de agua y la convierte en un nucleófilo . Luego ataca el grupo carbonilo dentro del enlace peptídico (NH-CO) para formar un intermedio tetraédrico. El átomo de nitrógeno dentro del intermedio recibe un protón, formando un grupo amida , y el posterior reordenamiento conduce a la ruptura del enlace entre este y el intermedio, formando dos productos. [ 15 ]
Los inhibidores suelen contener grupos hidroxietileno o hidroxietilamina no hidrolizables que imitan el intermedio tetraédrico. Dado que comparten una estructura y una disposición electrostática similares al estado de transición de los sustratos, pueden encajar en el sitio activo, pero no pueden degradarse, por lo que no se produce la hidrólisis.
Inhibidor no competitivo: estricnina
La estricnina es una neurotoxina que causa la muerte al afectar los nervios que controlan la contracción muscular y provocar dificultad respiratoria. El impulso se transmite entre las sinapsis mediante un neurotransmisor llamado acetilcolina . Este se libera en la sinapsis entre las células nerviosas y se une a los receptores de la célula postsináptica. Entonces se genera un potencial de acción que se transmite a través de la célula postsináptica para iniciar un nuevo ciclo.
La glicina puede inhibir la actividad de los receptores de neurotransmisores, por lo que se requiere una mayor cantidad de acetilcolinesterasa para desencadenar un potencial de acción. Esto asegura que la generación de impulsos nerviosos esté estrictamente controlada. Sin embargo, este control se rompe cuando se añade estricnina. Esta inhibe los receptores de glicina (un canal de cloruro ) y una concentración mucho menor de neurotransmisores puede desencadenar un potencial de acción. Los nervios ahora transmiten señales constantemente y causan una contracción muscular excesiva, lo que conduce a la asfixia y la muerte. [ 16 ]
Inhibidor irreversible: Fluorofosfato de diisopropilo
El fluorofosfato de diisopropilo (DIFP) es un inhibidor irreversible que bloquea la acción de la serina proteasa . Al unirse a la enzima, se produce una reacción de sustitución nucleofílica que libera una molécula de fluoruro de hidrógeno . El grupo OH en el sitio activo actúa como nucleófilo, atacando el fósforo del DIFP y formando un intermedio tetraédrico que libera un protón. Posteriormente, se rompe el enlace PF, se transfiere un electrón al átomo de flúor y este abandona el intermedio como anión F⁻ . Este se combina con un protón en solución para formar una molécula de HF. Se forma un enlace covalente entre el sitio activo y el DIFP, por lo que la cadena lateral de serina deja de estar disponible para el sustrato. [ 17 ]
En el descubrimiento de fármacos
La identificación de sitios activos es crucial en el proceso de descubrimiento de fármacos . Se analiza la estructura 3D de la enzima para identificar los residuos del sitio activo y diseñar fármacos que puedan encajar en ellos. Las enzimas proteolíticas son dianas de algunos fármacos, como los inhibidores de proteasas, que incluyen fármacos contra el SIDA y la hipertensión. [ 18 ] Estos inhibidores de proteasas se unen al sitio activo de una enzima y bloquean la interacción con los sustratos naturales. [ 19 ] Un factor importante en el diseño de fármacos es la fuerza de unión entre el sitio activo y un inhibidor enzimático. [ 20 ] Si la enzima que se encuentra en las bacterias es significativamente diferente de la enzima humana, entonces se puede diseñar un inhibidor contra esa bacteria en particular sin dañar la enzima humana. Si un tipo de enzima está presente solo en un tipo de organismo, su inhibidor puede usarse para eliminarlo específicamente.
Los sitios activos pueden ser mapeados para facilitar el diseño de nuevos fármacos, como los inhibidores enzimáticos. Esto implica la descripción del tamaño de un sitio activo y el número y propiedades de los subsitios, como los detalles de la interacción de unión. [ 18 ] Sin embargo, la tecnología moderna de bases de datos denominada CPASS (Comparison of Protein Active Site Structures) permite comparar los sitios activos con mayor detalle y encontrar similitudes estructurales mediante software. [ 21 ]
Aplicación de inhibidores enzimáticos
Sitios alostéricos
Un sitio alostérico es un sitio en una enzima, independiente de su sitio activo, que puede unirse a una molécula efectora. Esta interacción constituye otro mecanismo de regulación enzimática. La modificación alostérica suele ocurrir en proteínas con más de una subunidad. Las interacciones alostéricas se encuentran frecuentemente en las vías metabólicas y resultan beneficiosas, ya que permiten que un paso de una reacción regule otro. [ 19 ] Permiten que una enzima tenga diversas interacciones moleculares, además de las del sitio activo altamente específico. [ 19 ]
Véase también
Referencias
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Lecturas adicionales
- Alan Fersht, Estructura y mecanismo en la ciencia de las proteínas: una guía para la catálisis enzimática y el plegamiento de proteínas. WH Freeman, 1998. ISBN 0-7167-3268-8
- Bugg, T. Introducción a la química de enzimas y coenzimas. (2.ª edición), Blackwell Publishing Limited, 2004. ISBN 1-4051-1452-5.
- Enzimas
- Catálisis
- Terminología bioquímica