Mecanismo de las enzimas

Mecanismo enzimático

Las enzimas son polímeros biológicos que catalizan las reacciones químicas que hacen posible la vida tal como la conocemos. La presencia y el mantenimiento de un conjunto completo y equilibrado de enzimas son esenciales para la desintegración de nutrientes a fin de que proporcionen energía y bloques de construcción químicos; el montaje de esos bloques de construcción hacia proteínas, DNA, membranas, células y tejidos, y la utilización de energía para impulsar la motilidad celular, la función neural y la contracción muscular.

Además de servir como los catalizadores para todos los procesos metabólicos, su impresionante actividad catalítica, especificidad para sustrato y estereoespecificidad permiten a las enzimas desempeñar funciones clave en otros procesos relacionados con la salud y el bienestar de seres humanos.

El movimiento de los electrones es la clave para comprender las reacciones químicas (y enzimáticas). Deben identificarse los reactivos, los productos y todos los compuestos intermedios.

A.   Sustituciones nucleofilicas: Muchas reacciones químicas tienen compuestos intermedios iónicos. Hay dos tipos de intermedios iónicos: unas especies son ricas en electrones o nucleofílicas, y otras especies son pobres en electrones, o electrofílicas. Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica.

B.   Reacciones de ruptura: También se encuentran reacciones de escisión o ruptura. Los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado.

C.   Reacciones de óxido-reducción: Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. Oxidación es la pérdida de electrones: una sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción. La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es oxidado.

Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y en el proceso se oxida).

Modos químicos de la catálisis enzimática

Las cadenas laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de catálisis.

A.   Residuos polares de aminoácidos en sitios activos: Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.

B.   Catálisis ácido-base: En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general.

C.   Catálisis covalente: En la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es más común.

D.   Influencia del pH sobre las velocidades de reacción enzimática: El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuos ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato.

Modos de enlazamiento en la catálisis enzimática

A.  El efecto de proximidad: Para que las moléculas reaccionen, deben acercarse hasta ubicarse dentro de la distancia formadora de enlace de otra. Mientras más alta sea su concentración, con mayor frecuencia se encontrarán una con otra y mayor será el índice de su reacción. Cuando una enzima se une a moléculas de sustrato en su sitio activo, crea una región de concentración local alta de sustrato. Este ambiente también orienta las moléculas de sustrato de manera espacial en una posición ideal para que interactúen.

B. Enlazamiento débil de sustratos con enzimas: La posición correcta de los sustratos en un sitio activo produce un gran aumento de la velocidad.

En complejos ES, los reactivos son aproximados, pero no en forma extrema, al estado de transición. El enlazamiento de sustratos con enzimas no puede ser muy fuerte; esto es, los valores de Km no pueden ser extremadamente bajos

C.   Ajuste inducido: La mayor parte de las enzimas parecen catalizadores sólidos porque tienen una flexibilidad limitada, pero las enzimas no son moléculas totalmente rígidas. Los átomos de las proteínas hacen movimientos pequeños y rápidos en forma constante, y hay pequeños ajustes de conformación cuando se unen a ligandos. La activación de una enzima por un cambio de conformación iniciado por el sustrato se llama ajuste inducido. El ajuste inducido no es un modo catalítico, sino principalmente un efecto de especificidad del sustrato

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D.    Estabilización del estado de transición: La estabilización del estado de transición, la interacción aumentada de la enzima con el sustrato en el estado de transición, sólo es una forma más sutil de explicar la tensión. Algunos enzimólogos han estimado que la estabilización del estado de transición explica casi todos los aumentos de velocidad de reacción causados por las enzimas. la estabilización del estado de transición es el factor principal a la catálisis enzimática. Los mismos estados de transición no son compuestos estables, sino estados transitorios en los que se forman y rompen enlaces.

Lisozima

La lisozima cataliza la hidrólisis de algunos polisacáridos, en especial los que forman las paredes celulares de las bacterias. Es la primera enzima cuya estructura fue resuelta, y por esta razón ha habido un interés duradero en desarrollar su mecanismo preciso de acción.Muchas secreciones como lágrimas, saliva y moco nasal, contienen actividad de lisozima para ayudar a evitar infecciones bacterianas. (La lisozima causa la lisis o ruptura de las células bacterianas). La lisozima mejor estudiada es la de la clara de huevo de gallina.

Propiedades de las serina proteasas

Las serina proteasas son una clase de enzimas que separan el enlace peptídico de las proteínas. Como lo señala su nombre, se caracterizan por la presencia de un residuo de serina catalítico en sus sitios activos. Las serina proteasas mejor estudiadas son las enzimas relacionadas tripsina, quimotripsina y elastasa.

Muchas serina proteasas son sintetizadas en forma de zimógenos inactivos que se activan fuera de la célula, bajo condiciones adecuadas, por proteólisis selectiva. El examen de serina proteasas con cristalografía de rayos X muestra cómo las estructuras tridimensionales de las proteínas pueden revelar información acerca de los sitios activos, incluyendo la unión con sustratos específicos. Los sitios activos de las serina proteasas contienen una tríada catalítica Ser-His-Asp. El residuo de serina sirve como catalizador covalente, y el residuo de histidina sirve como catalizador ácido-base. Los compuestos intermedios tetraédricos aniónicos se estabilizan por puentes de hidrógeno con la enzima.

Las enzimas constituyen una de las clases primarias de biomoléculas dirigidas para la creación de fármacos y otros agentes terapéuticos; por ejemplo, muchos antibióticos inhiben enzimas que son singulares para microbios patógenos. El descubrimiento de nuevos fármacos se facilita mucho cuando es posible valorar un gran número de farmacóforos potenciales de una manera rápida y automatizada, proceso denominado investigación de alta capacidad de procesamiento.

En esta última se aprovechan avances recientes en robótica, óptica, procesamiento de datos y microfluídica para efectuar y analizar muchos miles de valoraciones simultáneas de la actividad de una enzima dada.

Las valoraciones enzimáticas que producen un producto cromogénico o fluorescente son ideales, puesto que los detectores ópticos se elaboran con facilidad mediante procedimientos de ingeniería para permitir el análisis rápido de múltiples muestras. En la actualidad, el equipo complejo requerido para números en verdad grandes de valoraciones sólo está disponible en casas farmacéuticas, laboratorios patrocinados por gobiernos, y universidades de investigación. Su principal uso es el análisis de compuestos inhibitorios con potencial final para uso como fármacos