Catálisis enzimática

Estos cambios conformacionales también acercan los residuos catalíticos del sitio activo a los enlaces químicos del sustrato que se alterarán en la reacción. Después de la unión, uno o varios mecanismos de catálisis reducen la energía del estado de transición de la reacción, proporcionando una vía química alternativa para la reacción. Hay seis mecanismos posibles de catálisis «por encima de la barrera», así como un mecanismo «a través de la barrera»:

Proximidad y orientaciónEditar

Las interacciones enzima-sustrato alinean los grupos químicos reactivos y los mantienen juntos en una geometría óptima, lo que aumenta la velocidad de la reacción. Esto reduce la entropía de los reactantes y, por tanto, hace que las reacciones de adición o transferencia sean menos desfavorables, ya que se produce una reducción de la entropía global cuando dos reactantes se convierten en un único producto. Sin embargo, este es un efecto general y se observa en las reacciones de no adición o transferencia, donde se produce debido a un aumento de la «concentración efectiva» de los reactivos. Esto se entiende al considerar cómo el aumento de la concentración conduce a un aumento de la velocidad de reacción: esencialmente, cuando los reactivos están más concentrados, chocan más a menudo y, por tanto, reaccionan más a menudo. En la catálisis enzimática, la unión de los reactivos a la enzima restringe el espacio conformacional de los reactantes, manteniéndolos en la «orientación adecuada» y cerca unos de otros, de modo que colisionan con más frecuencia, y con la geometría correcta, para facilitar la reacción deseada. La «concentración efectiva» es la concentración que tendría que tener el reactivo, libre en solución, para experimentar la misma frecuencia de colisión. A menudo, estas concentraciones efectivas teóricas no son físicas y son imposibles de realizar en la realidad, lo cual es un testimonio del gran poder catalítico de muchas enzimas, con aumentos masivos de la velocidad con respecto al estado no catalizado.

Por ejemplo:

Reacciones similares ocurrirán mucho más rápido si la reacción es intramolecular.

La concentración efectiva de acetato en la reacción intramolecular puede estimarse como k2/k1 = 2 x 105 Molar.

Sin embargo, la situación podría ser más compleja, ya que los estudios computacionales modernos han establecido que los ejemplos tradicionales de efectos de proximidad no pueden relacionarse directamente con los efectos entrópicos de las enzimas. Además, se ha descubierto que la propuesta entrópica original sobreestima en gran medida la contribución de la entropía de orientación a la catálisis.

Donantes o aceptores de protonesEditar

Donantes y aceptantes de protones, es decir, los ácidos y las bases pueden donar y aceptar protones para estabilizar las cargas en desarrollo en el estado de transición. Esto está relacionado con el principio general de la catálisis, el de reducir las barreras energéticas, ya que en general los estados de transición son estados de alta energía, y al estabilizarlos se reduce esta alta energía, disminuyendo la barrera. Una característica clave de la catálisis enzimática respecto a muchas catálisis no biológicas, es que se puede combinar la catálisis ácida y la básica en la misma reacción. En muchos sistemas abióticos, los ácidos (grandes ) o las bases ( sumideros de H+ de gran concentración, o especies con pares de electrones) pueden aumentar la velocidad de la reacción; pero, por supuesto, el medio ambiente sólo puede tener un pH global (medida de acidez o basicidad (alcalinidad)). Sin embargo desde que las enzimas son las moléculas grandes, ellos pueden colocar ambos grupos ácidos y grupos básicos en su sitio activo para interactuar con sus substratos, y emplear ambos modos independientemente del pH global.

A menudo el ácido general o la catálisis de la base se emplea para activar los grupos de nucleophile y/o electrophile, o para estabilizar dejando grupos. Muchos aminoácidos con grupos ácidos o básicos se emplean en el sitio activo, como los ácidos glutámico y aspártico, la histidina, la cistina, la tirosina, la lisina y la arginina, así como la serina y la treonina. Además, a menudo se emplea la columna vertebral del péptido, con grupos N carbonilo y amida. La cistina y la histidina participan con mucha frecuencia, ya que ambas tienen un pKa cercano al pH neutro y, por lo tanto, pueden tanto aceptar como donar protones.

Muchos mecanismos de reacción que implican catálisis ácido/base suponen un pKa sustancialmente alterado. Esta alteración del pKa es posible a través del entorno local del residuo.

Condiciones	Ácidos	Bases
Entorno hidrofóbico	Aumento del pKa	Disminución del pKa
Residuos adyacentes de carga similar	Aumento del pKa	Disminución de pKa
Formación de puentes de sal (y de enlaces de hidrógeno )	Disminución de pKa	Aumento de pKa

El pKa también puede verse influido significativamente por el entorno, hasta el punto de que los residuos que son básicos en solución pueden actuar como donantes de protones, y viceversa.

Por ejemplo:

Tríada catalítica de una serina proteasa

El paso inicial del mecanismo catalítico de la serina proteasa implica que la histidina del sitio activo acepte un protón del residuo de serina. Esto prepara a la serina como nucleófilo para atacar el enlace amida del sustrato. Este mecanismo incluye la donación de un protón de la serina (una base, pKa 14) a la histidina (un ácido, pKa 6), que es posible gracias al entorno local de las bases.

Es importante aclarar que la modificación de los pKa es una parte pura del mecanismo electrostático. Además, el efecto catalítico del ejemplo anterior se asocia principalmente a la reducción del pKa del oxianión y al aumento del pKa de la histidina, mientras que la transferencia de protones de la serina a la histidina no se cataliza significativamente, ya que no es la barrera determinante de la tasa.

Catálisis electrostáticaEditar

La estabilización de los estados de transición cargados también puede ser por residuos en el sitio activo que forman enlaces iónicos (o interacciones de carga iónica parcial) con el intermedio. Estos enlaces pueden proceder de cadenas laterales ácidas o básicas que se encuentran en aminoácidos como la lisina, la arginina, el ácido aspártico o el ácido glutámico, o proceder de cofactores metálicos como el zinc. Los iones metálicos son especialmente eficaces y pueden reducir el pKa del agua lo suficiente como para convertirla en un nucleófilo eficaz.

Los estudios sistemáticos de simulación por ordenador establecieron que los efectos electrostáticos son, con mucho, la mayor contribución a la catálisis. Pueden aumentar la velocidad de reacción en un factor de hasta 107. En particular, se ha descubierto que la enzima proporciona un entorno más polar que el agua, y que los estados de transición iónicos están estabilizados por dipolos fijos. Esto es muy diferente de la estabilización de los estados de transición en el agua, donde las moléculas de agua deben pagar con «energía de reorganización». para estabilizar los estados iónicos y cargados. Así, la catálisis está asociada al hecho de que los grupos polares de la enzima están preorganizados

Se ha demostrado que la magnitud del campo electrostático ejercido por el sitio activo de una enzima está altamente correlacionada con la mejora de la tasa catalítica de la enzima

La unión del sustrato suele excluir el agua del sitio activo, con lo que se reduce la constante dieléctrica local a la de un disolvente orgánico. Esto refuerza las interacciones electrostáticas entre los sustratos cargados/polares y los sitios activos. Además, los estudios han demostrado que las distribuciones de carga alrededor de los sitios activos están dispuestas de forma que estabilizan los estados de transición de las reacciones catalizadas. En varias enzimas, estas distribuciones de carga aparentemente sirven para guiar a los sustratos polares hacia sus sitios de unión, de modo que las tasas de estas reacciones enzimáticas son mayores que sus límites aparentes controlados por difusión.

Por ejemplo:

Mecanismo catalítico de la carboxipeptidasa

El intermedio tetraédrico se estabiliza mediante un enlace iónico parcial entre el ion Zn2+ y la carga negativa del oxígeno.

Catálisis covalenteEditar

La catálisis covalente implica que el sustrato forma un enlace covalente transitorio con residuos en el sitio activo de la enzima o con un cofactor. Esto añade un intermediario covalente adicional a la reacción, y ayuda a reducir la energía de los estados de transición posteriores de la reacción. El enlace covalente debe romperse, en una fase posterior de la reacción, para regenerar la enzima. Este mecanismo es utilizado por la tríada catalítica de las enzimas como las proteasas como la quimotripsina y la tripsina, donde se forma un intermedio acil-enzima. Un mecanismo alternativo es la formación de bases de Schiff utilizando la amina libre de un residuo de lisina, como se observa en la enzima aldolasa durante la glucólisis.

Algunas enzimas utilizan cofactores no aminoácidos como el fosfato de piridoxal (PLP) o el pirofosfato de tiamina (TPP) para formar intermediarios covalentes con las moléculas reactivas. Estos intermediarios covalentes funcionan para reducir la energía de los estados de transición posteriores, de forma similar a como los intermediarios covalentes formados con los residuos de aminoácidos del sitio activo permiten la estabilización, pero las capacidades de los cofactores permiten a las enzimas llevar a cabo reacciones que los residuos laterales de aminoácidos por sí solos no podrían. Las enzimas que utilizan tales cofactores incluyen la enzima transaminasa de aspartato dependiente de PLP y la enzima deshidrogenasa de piruvato dependiente de TPP.

En lugar de reducir la energía de activación para una vía de reacción, la catálisis covalente proporciona una vía alternativa para la reacción (a través del intermediario covalente) y, por tanto, es distinta de la verdadera catálisis. Por ejemplo, la energía del enlace covalente a la molécula de serina en la quimotripsina debe compararse con la del enlace covalente al nucleófilo en la reacción en solución no catalizada. Una propuesta verdadera de una catálisis covalente (donde la barrera es más baja que la barrera correspondiente en la solución) requeriría, por ejemplo, un enlace covalente parcial al estado de transición por un grupo de la enzima (por ejemplo, un enlace de hidrógeno muy fuerte), y tales efectos no contribuyen significativamente a la catálisis.

Catálisis de iones metálicosEditar

Un ion metálico en el sitio activo participa en la catálisis coordinando la estabilización de la carga y el blindaje. Debido a la carga positiva de un metal, sólo las cargas negativas pueden ser estabilizadas a través de los iones metálicos. Sin embargo, los iones metálicos son ventajosos en la catálisis biológica porque no se ven afectados por los cambios de pH. Los iones metálicos también pueden actuar para ionizar el agua actuando como un ácido de Lewis. Los iones metálicos también pueden ser agentes de oxidación y reducción.

Tensión de enlaceEditar

Este es el principal efecto de la unión de ajuste inducido, donde la afinidad de la enzima al estado de transición es mayor que al propio sustrato. Esto induce reajustes estructurales que fuerzan los enlaces del sustrato a una posición más cercana a la conformación del estado de transición, reduciendo así la diferencia de energía entre el sustrato y el estado de transición y ayudando a catalizar la reacción.

Sin embargo, el efecto de deformación es, de hecho, un efecto de desestabilización del estado básico, más que de estabilización del estado de transición. Además, las enzimas son muy flexibles y no pueden aplicar un gran efecto de tensión.

Además de la tensión de enlace en el sustrato, la tensión de enlace también puede inducirse dentro de la propia enzima para activar residuos en el sitio activo.

Por ejemplo:

Sustrato, sustrato unido y conformaciones de estado de transición de la lisozima.

El sustrato, al unirse, se distorsiona desde la conformación de media silla del anillo de hexosas (debido al impedimento estérico con los aminoácidos de la proteína que obligan al c6 ecuatorial a estar en posición axial) a la conformación de silla

Túnel cuánticoEditar

Estos mecanismos tradicionales «por encima de la barrera» han sido desafiados en algunos casos por modelos y observaciones de mecanismos «a través de la barrera» (túnel cuántico). Algunas enzimas operan con una cinética que es más rápida de lo que predeciría la clásica ΔG‡. En los modelos «a través de la barrera», un protón o un electrón pueden atravesar las barreras de activación. Se ha observado la tunelización cuántica para protones en la oxidación de triptamina por la amina aromática deshidrogenasa.

La tunelización cuántica no parece proporcionar una ventaja catalítica importante, ya que las contribuciones de tunelización son similares en las reacciones catalizadas y no catalizadas en solución. Sin embargo, la contribución de la tunelización (que suele aumentar las constantes de velocidad en un factor de ~1000 en comparación con la velocidad de reacción para la ruta clásica «sobre la barrera») es probablemente crucial para la viabilidad de los organismos biológicos. Esto subraya la importancia general de las reacciones de túnel en la biología.

En 1971-1972 se formuló el primer modelo mecánico-cuántico de la catálisis enzimática.

Enzima activaEditar

La energía de unión del complejo enzima-sustrato no puede considerarse como una energía externa necesaria para la activación del sustrato. La enzima de alto contenido energético puede transferir en primer lugar algún grupo energético específico X1 desde el sitio catalítico de la enzima al lugar final del primer reactante ligado, luego otro grupo X2 del segundo reactante ligado (o del segundo grupo del reactante único) debe ser transferido al sitio activo para terminar la conversión del sustrato en producto y la regeneración de la enzima.

Podemos presentar la reacción enzimática completa como dos reacciones de acoplamiento:

S 1 + EX 1 ⟶ S 1 EX 1 ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EX1 -> S1EX1 -> {P1}+ EP2}}.

(1)

S 2 + EP 2 ⟶ S 2 EP 2 ⟶ P 2 + EX 2 {\displaystyle {\ce {{S2}+ EP2 -> S2EP2 -> {P2}+ EX2}}

(2)

De la reacción (1) se desprende que el grupo X1 de la enzima activa aparece en el producto debido a la posibilidad de la reacción de intercambio dentro de la enzima para evitar tanto la inhibición electrostática como la repulsión de los átomos. Por lo tanto, representamos la enzima activa como un potente reactivo de la reacción enzimática. La reacción (2) muestra una conversión incompleta del sustrato porque su grupo X2 permanece dentro de la enzima. Este enfoque como idea se había propuesto anteriormente basándose en las hipotéticas conversiones enzimáticas extremadamente altas (enzima catalíticamente perfecta).

El punto crucial para la verificación del presente enfoque es que el catalizador debe ser un complejo de la enzima con el grupo de transferencia de la reacción. Este aspecto químico es apoyado por los mecanismos bien estudiados de las varias reacciones enzimáticas. Considere la reacción de hidrólisis de enlace peptídico catalizada por una proteína pura α-quimotripsina (una enzima que actúa sin un cofactor), que es un miembro bien estudiado de la familia de serina proteasas, véase.

Presentamos los resultados experimentales para esta reacción como dos pasos químicos:

S 1 + EH ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EH -> {P1}+ EP2}}.

(3)

EP 2 + H – O – H ⟶ EH + P 2 {\displaystyle {\ce {{EP2}+ {H-O-H}-> {EH}+ P2}}

(4)

donde S1 es un polipéptido, P1 y P2 son productos. El primer paso químico (3) incluye la formación de un intermedio covalente acil-enzima. El segundo paso (4) es la etapa de desacilación. Es importante señalar que el grupo H+, que se encuentra inicialmente en la enzima, pero no en el agua, aparece en el producto antes del paso de hidrólisis, por lo que puede considerarse como un grupo adicional de la reacción enzimática.

Así, la reacción (3) muestra que la enzima actúa como un potente reactante de la reacción. Según el concepto propuesto, el transporte de H de la enzima promueve la primera conversión del reactante, la ruptura del primer enlace químico inicial (entre los grupos P1 y P2). El paso de hidrólisis conduce a la ruptura del segundo enlace químico y a la regeneración de la enzima.

El mecanismo químico propuesto no depende de la concentración de los sustratos o productos en el medio. Sin embargo, un cambio en su concentración provoca principalmente cambios de energía libre en los pasos primero y final de las reacciones (1) y (2) debido a los cambios en el contenido de energía libre de cada molécula, ya sea S o P, en la solución acuosa.Este planteamiento está de acuerdo con el siguiente mecanismo de contracción muscular. El último paso de la hidrólisis del ATP en el músculo esquelético es la liberación del producto causada por la asociación de las cabezas de miosina con la actina. El cierre de la hendidura de unión a la actina durante la reacción de asociación está estructuralmente acoplado con la apertura del bolsillo de unión al nucleótido en el sitio activo de la miosina.

En particular, los pasos finales de la hidrólisis de ATP incluyen la liberación rápida de fosfato y la liberación lenta de ADP.La liberación del anión fosfato desde el anión ADP unido a la solución de agua puede considerarse como una reacción exergónica porque el anión fosfato tiene una masa molecular baja.

Así, llegamos a la conclusión de que la liberación primaria del fosfato inorgánico H2PO4- conduce a la transformación de una parte significativa de la energía libre de la hidrólisis del ATP en la energía cinética del fosfato solvatado, produciendo una corriente activa. Esta suposición de una transducción mecano-química local concuerda con el mecanismo de contracción muscular de Tirosh, en el que la fuerza muscular deriva de una acción integrada de flujo activo creada por la hidrólisis de ATP.