Enzimología – Estrategias catalíticas 1 ESTRATEGIAS CATALÍTICAS Catálisis ácido-base: Muchas de las reacciones que se dan en los seres vivos implican la formación de un intermediario cargado inestable que tiene mayor tendencia a descomponerse en los compuestos que lo originaron que a dar lugar a los productos de la reacción. Las enzimas catáliizan este tipo de reacciones transfiriendo protones desde o hacia el sustrato o el intermedio de modo que el intermediario se convierta en una especie que se descomponga mas fácilmente en productos que en sustratos. Los protones transferidos pueden provenir del agua o de otros dadores o aceptores débiles de protones. En los casos en los que el protón transferido proviene del agua la catálisis se denomina catálisis ácido-base específica, mientras que cuando el protón proviene de otro tipo de molécula se lo nombra como catálisis ácido-base general. En estos casos las cadenas laterales de aminoácidos pueden actuar como dadores y aceptores de protones. Lisozima: La lisozima es una enzima con actividad de glicosidasa capaz de escindir los polisacáridos que conforman la pared celular de las bacterias conduciendo a la destrucción de las mismas. La molécula de lisozima es una proteína pequeña (14,6 kD) y compacta que posee un bolsillo en el cual se unen los sustratos mediante puentes de hidrógeno e interacciones de Van der Waals. Se ha determinado que los grupos que intervienen en la catálisis son el grupo carboxílico no ionizado del ácido glutámico 35 y el carboxilato del aspartato 52.. Los estudios acerca del mecanismo de reacción de esta enzima se han realizado con sustratos sintéticos de diferente números de residuos de monosacáridos encontrándose que un sustrato hexamérico ( A-B-C-D-E-F ) es hidrolizado entre los residuos D y E. El grupo COOH del glutamato 35 dona un H+ al oxígeno glucosídico de una unión entre dos de los anillos de los residuos de monosacáridos que conforman la pared, la transferencia del protón escinde la unión quedando una carga positiva formándose un carbanión con una carga positiva sobre el carbono de uno de los anillos y liberándose el resto del sustrato. El carbanion reacciona con el agua, el ácido glutámico 35 es reprotonado, el sustrato difunde y la lisozima se halla lista para una nueva ronda catalítica. Fig 9-11 y 9- 12 del STRYER Catálisis covalente: Este tipo de mecanismo se basa en la formación de un enlace covalente transitorio entre la enzima y el sustrato. Este hecho provee a la reacción un camino diferente a seguir que será el preferido si este nuevo camino posse una energía de activación menor a la ruta no catalizada. Quimotripsina: La quimotripsina es una enzima digestiva de mamíferos que se halla en el aparato digestivo de los mamíferos. Su función es hidrolizar las proteínas que llegan al intestino delgado. Es especíifica para las uniones peptídicas del lado carboxílico de aminoácidos aromáticos ( tirosina, triptofano y Enzimología – Estrategias catalíticas 2 fenil alanina) y de grandes aminoácidos hidrofóbicos como la metionina. La quimotripsina pertenece a la familia de las serin-proteasas. La tripsina, otra enzima digestiva y la trombina, una enzima que participa en el proceso de coagulación de la sangre forman parte de este grupo de proteasas que se caracterizan por la formación de un intermedio acil-enzima covalente durante la catálisis. La quimotripsina es una proteína elipsoidal, compacta, de 25 kD formada por tres cadenas polipeptícas unidas por dos puentes disulfuros intercatenarios. Todos sus grupos cargados se hallan distribuidos en la superficie, salvo una tríada escencial para la catálisis Ser 195, His 57 y Asp 102. La primera etapa durante la catálisis es la formación de un derivado acil-enzima covalente en el cual el grupo carboxilo del sustrato se halla esterificado con el grupo hidroxilo de la Ser 195. La His 57 que acepta un protón de la serina mientras esta ataca la unión peptídica exalta la nucleofilicidad de este grupo. La histidina cargada positivamente es estabilizada por interacción electrostática con el aspartato 102 que se halla cargado negativamente. La segunda etapa, la desacilación es escencialmente la inversa del proceso de acilación, con la sustitucón del componente aminado por el agua. FIg 9-37 y 9-38 del STRYER o sustituta Catálisis por iones metálicos: Aproximadamente el tercio de las enzimas conocidas necesitan iones metálicos para actuar. El metal puede estar firmemente unido a la enzima o puede hallarse en la solución junto con el sustrato y puede intervenir de fierentes maneras durante la catálisis. El ión metálico puede interaccionar con el sustrato orientándolo en la posición más adecuada para que se de la catálisis o bien puede estabilizar intermediarios de reacción cargados. También pueden acelerar reacciones de oxido-reducción mediante cambios reversibles de sus propios estados de reacción. Carboxipeptidasa A: La carboxipeptidasa A es un miembro de las proteasas tipo zinc que incluye otras enzimas como la termolisina de origen bacteriano. Es una enzima digestiva que hidroliza la unión peptídica carboxi-terminal de cadenas polipeptídicas. Está constituíd por una única cadena polipeptídica de 307 residuos de aminoácidos. Es una proteína compacta con forma aproximadamente elipsoidal que posee un átomo de zinc firmemente unido escencial para su actividad. Este átomo de zinc se halla ubicado en una depresión (groove), cerca de la superficie de la molécula y está coordinado a las cadenas laterales de dos histidinas y de un glutamato y a una molécula de agua. También posee un gran bolsillo en el que se acomoda la cadena lateral del residuo terminal del péptido sustrato. Carboxipeptidasa es un ejemplo típico de ajuste inducido en catálisis: la unión del sustrato produce un cambio estructural en el sitio activo tal que el mismo pasa de ser una región rica en agua a convertirse en una zona hidrofóbica. Las proteínas son estables a pH neutro en ausencia de proteasas porque el agua no es capaz de hidrolizar la unión peptídica, la estrategia catalítica de la carboxipeptidasa es activar la molecula de agua. El átomo de zinc asistido por el carboxilato del glutamato 270 que se haya adyacente activa la molécula de agua de modo que se comporta más como si fuera un OH- que una molécula de agua. El primer paso en la catálisis es el ataque nucleofílico del oxígeno de esta Enzimología – Estrategias catalíticas 3 molécula de agua activada al carbono carbonílico de la unión peptídica. El glutamato 270 acepta un protón del agua formándose un intermediario tetrahédrico. Este intermediario se estabiliza mediante interacciones electrostáticas con el Zn2+ y con la cadena lateral de la arginina 127. El siguiente paso es la transferencia del protón del COOH del glutamato 270 al grupo NH de la unión peptídica. La unión peptídica se escinde y el producto de reacción abandona el sitio catalítico. .