Cataliză enzimatică

Donatori și acceptori de protoni, adică acizii și bazele pot dona și accepta protoni pentru a stabiliza sarcinile în dezvoltare în starea de tranziție. Acest lucru este legat de principiul general al catalizei, acela de reducere a barierelor energetice, deoarece, în general, stările de tranziție sunt stări cu energie ridicată, iar prin stabilizarea lor se reduce această energie ridicată, scăzând bariera. O caracteristică esențială a catalizei enzimatice față de multe alte catalize non-biologice este faptul că atât cataliza acidă, cât și cea bazică pot fi combinate în aceeași reacție. În multe sisteme abiotice, acizii (concentrații mari ) sau bazele ( chiuvete de H+ de concentrație mare, sau specii cu perechi de electroni) pot crește rata reacției; dar, desigur, mediul nu poate avea decât un singur pH general (măsura acidității sau a bazicității (alcalinității)). Cu toate acestea, deoarece enzimele sunt molecule mari, ele pot poziționa atât grupe acide, cât și grupe bazice în situsul lor activ pentru a interacționa cu substraturile lor și pot folosi ambele moduri independent de pH-ul global.

De multe ori, cataliza generală acidă sau bazică este folosită pentru a activa grupele nucleofile și/sau electrofile, sau pentru a stabiliza grupele de plecare. Mulți aminoacizi cu grupe acide sau bazice sunt astfel angajați în situsul activ, cum ar fi acidul glutamic și aspartic, histidina, cistina, tirozina, lizina și arginina, precum și serina și treonina. În plus, se utilizează adesea coloana vertebrală peptidică, cu grupe N carbonil și amidă. Cistina și histidina sunt foarte frecvent implicate, deoarece ambele au un pKa apropiat de pH-ul neutru și, prin urmare, pot atât să accepte cât și să doneze protoni.

Multe mecanisme de reacție care implică cataliză acido-bazică presupun un pKa substanțial alterat. Această alterare a pKa este posibilă prin intermediul mediului local al reziduului.

pKa poate fi, de asemenea, influențată semnificativ de mediul înconjurător, în măsura în care reziduurile care sunt bazice în soluție pot acționa ca donatori de protoni și viceversa.

De exemplu:

Triada catalitică a unei serin-proteaze

Etapa inițială a mecanismului catalitic al serin-proteazei implică faptul că histidina din situsul activ acceptă un proton de la reziduul serină. Acest lucru pregătește serina ca nucleofil pentru a ataca legătura amidă a substratului. Acest mecanism include donarea unui proton de la serină (o bază, pKa 14) la histidină (un acid, pKa 6), posibilă datorită mediului local al bazelor.

Este important să se clarifice faptul că modificarea pKa-urilor este o parte pură a mecanismului electrostatic. Mai mult, efectul catalitic din exemplul de mai sus este asociat în principal cu reducerea pKa al oxianionului și creșterea pKa al histidinei, în timp ce transferul de protoni de la serină la histidină nu este catalizat în mod semnificativ, deoarece nu este bariera care determină rata.

Cataliză electrostaticăEdit

Stabilizarea stărilor de tranziție încărcate poate fi, de asemenea, prin reziduuri din situsul activ care formează legături ionice (sau interacțiuni de sarcină ionică parțială) cu intermediarul. Aceste legături pot proveni fie de la lanțurile laterale acide sau bazice care se găsesc pe aminoacizi, cum ar fi lizina, arginina, acidul aspartic sau acidul glutamic, fie provin de la cofactori metalici, cum ar fi zincul. Ionii metalici sunt deosebit de eficienți și pot reduce pKa apei suficient de mult pentru a o transforma într-un nucleofil eficient.

Studii sistematice de simulare pe calculator au stabilit că efectele electrostatice dau, de departe, cea mai mare contribuție la cataliză. Aceasta poate crește viteza de reacție cu un factor de până la 107. S-a constatat, în special, că enzima oferă un mediu care este mai polar decât apa și că stările de tranziție ionică sunt stabilizate de dipoli fixi. Acest lucru este foarte diferit de stabilizarea stării de tranziție în apă, unde moleculele de apă trebuie să plătească cu „energie de reorganizare”. Pentru a stabiliza stările ionice și încărcate. Astfel, cataliza este asociată cu faptul că grupările polare ale enzimei sunt preorganizate

Amploarea câmpului electrostatic exercitat de situsul activ al unei enzime s-a dovedit a fi puternic corelată cu creșterea vitezei catalitice a enzimei

Legăturarea substratului exclude de obicei apa din situsul activ, scăzând astfel constanta dielectrică locală la cea a unui solvent organic. Acest lucru întărește interacțiunile electrostatice dintre substraturile încărcate/polare și situsurile active. În plus, studiile au arătat că distribuțiile de sarcină în jurul situsurilor active sunt aranjate astfel încât să stabilizeze stările de tranziție ale reacțiilor catalizate. În cazul mai multor enzime, aceste distribuții de sarcină servesc aparent la ghidarea substraturilor polare spre situsurile lor de legare, astfel încât ratele acestor reacții enzimatice sunt mai mari decât limitele lor aparente controlate prin difuzie.

De exemplu:

Mecanismul catalitic al carboxipeptidazei

Intermediarul tetraedric este stabilizat de o legătură ionică parțială între ionul Zn2+ și sarcina negativă de pe oxigen.

Cataliză covalentăEdit

Cataliza covalentă implică faptul că substratul formează o legătură covalentă tranzitorie cu reziduurile din situsul activ al enzimei sau cu un cofactor. Acest lucru adaugă un intermediar covalent suplimentar la reacție și ajută la reducerea energiei stărilor de tranziție ulterioare ale reacției. Legătura covalentă trebuie, într-o etapă ulterioară a reacției, să fie ruptă pentru a regenera enzima. Acest mecanism este utilizat de triada catalitică a enzimelor, cum ar fi proteazele precum chimotripsina și tripsina, unde se formează un intermediar acil-enzimă. Un mecanism alternativ este formarea bazei Schiff folosind amina liberă de la un reziduu de lizină, așa cum se observă la enzima aldolază în timpul glicolizei.

Câteva enzime utilizează cofactori care nu sunt aminoacizi, cum ar fi fosfatul de piridoxal (PLP) sau pirofosfatul de tiamină (TPP), pentru a forma intermediari covalenți cu moleculele reactante. Astfel de intermediari covalenți au rolul de a reduce energia stărilor de tranziție ulterioare, în mod similar cu modul în care intermediarii covalenți formați cu reziduurile de aminoacizi din situsul activ permit stabilizarea, dar capacitățile cofactorilor permit enzimelor să efectueze reacții pe care reziduurile laterale de aminoacizi singure nu le-ar putea realiza. Printre enzimele care utilizează astfel de cofactori se numără enzima aspartat transaminază dependentă de PLP și enzima piruvat dehidrogenază dependentă de TPP.

Mai degrabă decât să scadă energia de activare pentru o cale de reacție, cataliza covalentă oferă o cale alternativă pentru reacție (prin intermediul intermediarului covalent) și, prin urmare, este diferită de adevărata cataliză. De exemplu, energetica legăturii covalente cu molecula de serină din chimotripsină ar trebui comparată cu legătura covalentă bine înțeleasă cu nucleofilul din reacția necatalizată în soluție. O propunere adevărată de cataliză covalentă (în care bariera este mai mică decât bariera corespunzătoare în soluție) ar necesita, de exemplu, o legătură covalentă parțială cu starea de tranziție de către un grup enzimatic (de exemplu, o legătură de hidrogen foarte puternică), iar astfel de efecte nu contribuie semnificativ la cataliză.

Cataliza cu ioni metaliciEdit

Un ion metalic din situsul activ participă la cataliză prin coordonarea stabilizării și ecranării sarcinii. Din cauza sarcinii pozitive a unui metal, numai sarcinile negative pot fi stabilizate prin intermediul ionilor metalici. Cu toate acestea, ionii metalici sunt avantajoși în cataliza biologică deoarece nu sunt afectați de schimbările de pH. Ionii metalici pot acționa, de asemenea, pentru a ioniza apa, acționând ca un acid Lewis. Ionii metalici pot fi, de asemenea, agenți de oxidare și reducere.

Tensiune de legăturăEdit

Este principalul efect al legăturii de potrivire indusă, în care afinitatea enzimei față de starea de tranziție este mai mare decât față de substratul însuși. Acest lucru induce rearanjamente structurale care forțează legăturile substratului într-o poziție mai apropiată de conformația stării de tranziție, scăzând astfel diferența de energie dintre substrat și starea de tranziție și ajutând la catalizarea reacției.

Totuși, efectul de forțare este, de fapt, un efect de destabilizare a stării de bază, mai degrabă decât un efect de stabilizare a stării de tranziție. În plus, enzimele sunt foarte flexibile și nu pot aplica un efect de deformare mare.

În plus față de deformarea legăturii în substrat, deformarea legăturii poate fi indusă și în cadrul enzimei însăși pentru a activa reziduurile din situsul activ.

De exemplu:

Conformațiile substratului, substratului legat și stării de tranziție a lizozimei.

Substratul, la legare, este deformat din conformația de semicadru a inelului de hexoză (din cauza impedimentului steric cu aminoacizii proteinei care forțează c6 ecuatorial să fie în poziție axială) în conformația de scaun

Tunelare cuanticăEdit

Aceste mecanisme tradiționale „peste barieră” au fost contestate în unele cazuri de modele și observații ale mecanismelor „prin barieră” (tunelare cuantică). Unele enzime funcționează cu cinetici care sunt mai rapide decât ceea ce ar fi prezis de ΔG‡ clasic. În modelele „prin barieră”, un proton sau un electron poate trece prin tunel prin barierele de activare. Tunelarea cuantică pentru protoni a fost observată în oxidarea triptaminei de către amina aromatică dehidrogenază.

Tunelarea cuantică nu pare să ofere un avantaj catalitic major, deoarece contribuțiile de tunelare sunt similare în reacțiile catalizate și necatalizate în soluție. Cu toate acestea, contribuția de tunelare (care îmbunătățește de obicei constantele de viteză de un factor de ~1000 în comparație cu viteza de reacție pentru calea clasică „peste barieră”) este probabil crucială pentru viabilitatea organismelor biologice. Acest lucru subliniază importanța generală a reacțiilor de tunelizare în biologie.

În 1971-1972 a fost formulat primul model cuantic-mecanic al catalizei enzimatice.

Enzima activăEdit

Energia de legare a complexului enzimă-substrat nu poate fi considerată ca o energie externă care este necesară pentru activarea substratului. Enzima cu un conținut ridicat de energie poate transfera mai întâi un anumit grup energetic specific X1 de la situsul catalitic al enzimei la locul final al primului reactant legat, apoi un alt grup X2 de la al doilea reactant legat (sau de la al doilea grup al unui singur reactant) trebuie să fie transferat la situsul activ pentru a finaliza transformarea substratului în produs și regenerarea enzimei.

Potem prezenta întreaga reacție enzimatică sub forma a două reacții de cuplare:

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)

Se poate observa din reacția (1) că grupa X1 a enzimei active apare în produs datorită posibilității reacției de schimb în interiorul enzimei pentru a evita atât inhibiția electrostatică cât și repulsia atomilor. Astfel, reprezentăm enzima activă ca fiind un reactant puternic al reacției enzimatice. Reacția (2) arată o conversie incompletă a substratului, deoarece grupul X2 al acestuia rămâne în interiorul enzimei. Această abordare ca idee fusese propusă anterior bazându-se pe ipoteza unor conversii enzimatice extrem de ridicate (enzimă perfectă din punct de vedere catalitic).

Punctul crucial pentru verificarea prezentei abordări este acela că catalizatorul trebuie să fie un complex al enzimei cu grupa de transfer a reacției. Acest aspect chimic este susținut de mecanismele bine studiate ale mai multor reacții enzimatice. Să luăm în considerare reacția de hidroliză a legăturilor peptidice catalizată de o proteină pură, α-chimotripsina (o enzimă care acționează fără cofactor), care este un membru bine studiat al familiei serin proteazelor, vezi.

Prezentăm rezultatele experimentale pentru această reacție ca două etape chimice:

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)

unde S1 este o polipeptidă, P1 și P2 sunt produse. Prima etapă chimică (3) include formarea unui intermediar covalent acil-enzimatic. A doua etapă (4) este etapa de dezacilare. Este important de reținut că grupa H+, care se găsește inițial pe enzimă, dar nu și în apă, apare în produs înainte de etapa de hidroliză, de aceea poate fi considerată ca o grupă suplimentară a reacției enzimatice.

Așa, reacția (3) arată că enzima acționează ca un reactant puternic al reacției. Conform conceptului propus, transportul de H dinspre enzimă favorizează conversia primului reactant, ruperea primei legături chimice inițiale (între grupele P1 și P2). Etapa de hidroliză duce la ruperea celei de-a doua legături chimice și la regenerarea enzimei.

Mecanismul chimic propus nu depinde de concentrația substraturilor sau a produselor din mediu. Cu toate acestea, o schimbare a concentrației acestora determină în principal modificări ale energiei libere în prima și ultima etapă a reacțiilor (1) și (2), datorită modificărilor conținutului de energie liberă al fiecărei molecule, fie că este vorba de S sau P, în soluția de apă. această abordare este în concordanță cu următorul mecanism de contracție musculară. Etapa finală a hidrolizei ATP în mușchiul scheletic este eliberarea produsului cauzată de asocierea capetelor de miozină cu actina. Închiderea fantei de legare a actinei în timpul reacției de asociere este structural cuplată cu deschiderea buzunarului de legare a nucleotidelor de pe situsul activ al miozinei.

În mod evident, etapele finale ale hidrolizei ATP includ eliberarea rapidă de fosfat și eliberarea lentă de ADP.Eliberarea unui anion de fosfat din anionul ADP legat în soluția de apă poate fi considerată o reacție exergonică, deoarece anionul de fosfat are o masă moleculară mică.

Așa, ajungem la concluzia că eliberarea primară a fosfatului anorganic H2PO4- duce la transformarea unei părți semnificative din energia liberă a hidrolizei ATP în energia cinetică a fosfatului solvat, producând un flux activ. Această ipoteză a unei transducții mecano-chimice locale este în concordanță cu mecanismul de contracție musculară al lui Tirosh, în care forța musculară derivă dintr-o acțiune integrată a fluxului activ creat de hidroliza ATP.

.