Estrategias Catalticas de las Enzimas

Estrategias Catalticas de las Enzimas

ESTRATEGIAS CATALTICAS DE LAS ENZIMASINTRODUCCINLos principios de la termodinmica ayudan a predecir si una reaccin puede ocurrir o no, pero no indican nada acerca de la velocidad de esa reaccin. El desdoblamiento de la glucosa, por ejemplo, es una reaccin exergnica, pese a lo cual una solucin de dicho azcar se conserva por tiempo indefinido en un frasco si se mantiene libre de bacterias y mohos, adems de no someterla a temperaturas altas ni cidos o bases fuertes.Las clulas no pueden esperar siglos para que las molculas de glucosa se desdoblen en forma espontnea, ni tampoco pueden utilizar condiciones extremas para hidrolizarlas. Las clulas regulan las reacciones qumicas con enzimas, que son catalizadores protenicos que modifican la velocidad de las reacciones qumicas sin consumirse en stas.Las clulas requieren la liberacin constante de energa, y deben ser capaces de regularla para satisfacer las necesidades energticas del metabolismo. El metabolismo suele proceder en una sucesin de pasos, de modo que una molcula experimenta hasta 20 o 30 transformaciones qumicas antes de alcanzar algn estado final. Incluso entonces, la molcula al parecer definitiva puede pasar a otro mecanismo metablico y ser transformada por completo o consumirse en la produccin de energa. Las necesidades cambiantes de las clulas hacen necesario un sistema de control metablico flexible. Los directores clave de este sistema de control son las enzimas.La catlisis enzimtica comienza con la unin del sustrato. La formacin del complejo enzima-sustrato es favorecida termodinmicamente porque hay un cambio negativo en la energa libre durante la formacin del complejo, debido a que se crea un gran nmero de interacciones dbiles entre la enzima y el sustrato. Se puede prever que sta energa de unin sirve para dos propsitos: Establecer la especificidad del sustrato y aumentar la eficacia cataltica. Slo el sustrato correcto puede participar en la mayor parte de las interacciones con la enzima, potenciando as la energa de unin, lo que explica la alta especificidad por el sustrato exhibida por muchas enzimas. Adems, el complemento perfecto para dichas interacciones solamente se forma cuando el sustrato se encuentra en el estado de transicin. De este modo, las interacciones entre la enzima y el sustrato no slo favorecen la unin del sustrato, sino que tambin estabilizan al estado detransicin, disminuyendo as la energa de activacin. La energa de unin puede promover tambin cambios estructurales, tanto en la enzima como en el sustrato, los que favorecen la catlisis, en un proceso denominado ajuste inducido.Para esto en este informe vamos a explicar las diferentes estrategias que las enzimas utilizan para catalizar reacciones especficas, algunos ejemplos de stas y describiendo los respectivos mecanismos.

LISOZIMA

La lisozima fue descubierta por Fleming como agente antibacteriano del moco nasal. Se encuentra en muchos tejidos y secreciones corporales y abunda en la clara de huevo. Interviene en la defensa natural contra las infecciones. Su nombre se debe a su accin ltica sobre las clulas bacterianas.Carece de actividad como proteasa, quinasa, amilasa, lipasa o fosfatasa1Las lisozimas constituyen una sper familia de protenas, las mismas que estn clasificadas como protenas alfa + beta. Cada molcula de lisozima es una cadena polipeptdica simple. Existen varios tipos de lisozimas2

La lisozima de la clara del huevo (CGH) es la que se ha estudiado con ms profundidad y en la que mejor se conoce su mecanismo de accin. Es una protena pequea con un peso molecular del alrededor 14, 7 kDa. Cuya cadena polipeptdica presenta 129 residuos de aminocidos y tiene cuatro enlaces cruzados internos de disulfuro. Fue la primera enzima analizada con alta resolucin gracias al trabajo de Phillips en 1965, la cadena polipeptdica se pliega en dos dominios: unos de ellos contiene alfa- hlice y el otro una hoja beta- antiparalela formada por tres hebras. 2,3

La lisozima rompe polisacridos de la pared celular de ciertas bacterias, las que estallan por falta de soporte mecnico o por la presin osmtica intracelular. El polisacrido de la pared celular bacteriana est formada por dos clases de azucares: La N- acetilglucosamina (NAG) y N-acetilmuramato (NAM), ambos derivados de la glucosamina. stos estn unidos por enlaces - Glucosdicos entre el C-1 de un azcar y el C-4 del otro. La lisozima hidroliza el enlace entre C.1 de NAM y C-4 de NAG. Los otros enlaces glucosdicos entre C-1 de NAG y C-4 de NAM no son rotos.1PROCESO CATALTICO:La reaccin catalizada por la lisozima, la hidrolisis de un glucsido, es la conversin de un acetal en hemiacetal. La hidrolisis no enzimtica del acetal es una reaccin catalizada por acido que involucra la protonacin de un tomo de oxigeno reactante seguido por el corte de su enlace C-O. Esto produce la formacin de un carbocatin estabilizado por resonancia que se denomina ion oxonio. Luego el ion oxonio agrega agua para formar el hemiacetal y regenerar el catalizador acido.2Los nicos grupos funcionales en la vecindad inmediata del centro de reaccin de la lisozima que tiene propiedades catalticas requeridas son las cadenas laterales Glu 35 y Asp 52, residuos invariables en la familia de las lizosimas de las que el prototipo es la lisozima (CHG).2Mecanismo de Phillips1. La lisozima se adhiere a la pared celular de la bacteria fijando en el centro activo un hexascarido con la alternancia NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM. En el cuarto residuo D (NAM) se distorsiona hacia una conformacin de media silla, en respuesta a que de otro modo se producirn contactos desfavorables entre el grupo CH2OH (del C6) y la protena.

2. El glutamato 35 transfiere su protn al O-1 de su anillo D polar (catlisis acida), en consecuencia, el enlace CI-O1 se corta, lo que genera un ion oxonio estabilizado por resonancia al C1.3. El grupo carboxilo ionizado de Aspartato 52 acta para estabilizar el ion oxonio mediante interacciones entre las cargas( catlisis electrosttica). Al parecer este carboxilato no puede formar un enlace covalente con el sustrato, porque la distancia de 3 entre el C1 y tomo de O del carboxilo del Asp 52 es mucho mayor que los 1,4 de longitud de un enlace covalente C-O. es decir la reaccin paree producirse por medio de un mecanismo de sustitucin nucleoflica unimolecular para generar un ion oxonio, no por medio de un mecanismo que implica la formacin transitoria de un enlace covalente C-O a la enzima. La reaccin de corte del enlace se facilita por la tensin en el anillo D que lo distorsiona hacia la conformacin planar de media silla.4. La enzima libera el anillo E hidrolizado con su correspondiente polisacrido unido, que rinde un intermediario glucosil-enzima, catinico, no covalente. Posteriormente el carbanin adiciona unin hidrxilo procedente del agua de la solucin, y se puede de esta manera protonar al mismo tiempo el Glu 35. Entonces la enzima libera en producto anillo D que esta adherido al sacrido, mientras se completa el ciclo cataltico.El pH tiene influencia en este mecanismo de catlisis porque cuando este aumenta el Glu se ioniza, mientras que si el pH disminuye es el Asp el que se protona (2)

RIBONUCLEASA A.Una enzima muy bien conocida en sus relaciones estructura-funcin llamada Ribonucleasa pancretica (RNAasa A). Es una protena muy pequea, tiene un peso molecular de 13700 daltons, es estable en un amplio margen de pH y posee remarcada resistencia al calor en disoluciones ligeramente acidas, aunque es fcilmente inactiva con lcali. No acta sobre el ADN y es fuertemente angnica4.Se trata de una enzima que hidroliza polirribonucletidos en los enlaces Py-X, siendo Py un nucletido pirimidnico (C, U) y X cualquier otro nucletido. La enzima consta de una sola cadena de 124 aminocidos, que ha sido cocristalizada con un tetradesoxinucletido (ATAA) que ocupa parcialmente el centro activo de la enzima: En el sitio cataltico encontramos tres aminocidos dibsicos: His 12, Lys 41, e His 119. Los residuos His 12 e His 119 estn alrededor del enlace escindible, de cuyo lado 3' hay un nucletido pirimidnico; puede apreciarse que en la estructura proteica en torno a este residuo, slo puede alojarse una pirimidina (una purina sera demasiado grande): La enzima presenta cuatro puentes disulfuro que estabilizan su estructura terciaria4. MECANISMO CATALTICOLa accin cataltica de la ribonucleasa pancretica se debe a tres aminocidos absolutamente conservados: His 12, His 119 y Lys 41. No est an bien determinado el papel de esta ltima, pero la accin de los dos residuos de histidina ilustra cmo este aminocido se comporta a la vez como cido y como base4. As, en el estado basal de la enzima, el Centro Activo consta de esos tres aminocidos, de tal manera que la His 12 aparece como base y la His 119 como cido (protonada, imidazolio)4.

A esta configuracin se une el substrato que sera un polirribonucletido; en este caso se representa nicamente el dinucletido UA. La RNAasa pancretica hidroliza enlaces en los que del lado 3' hay un nucletido pirimidnico (U o C) dando lugar a una rotura tipo b, es decir, dejando el fosfato unido al 3' del enlace escindido4. Cuando se forma el Complejo Enzima-Substrato el polinucletido se aloja en un surco de la molcula, segn vimos anteriormente, el cual est flanqueado por los tres aminocidos del centro activo, segn se indica en el modelo4.

A continuacin la His 12 captura un protn del grupo 2'OH del nucletido pirimidnico, el cual lleva a cabo un ataque nucleoflico sobre el substrato de manera que se forma el Estado de transicin inestable (con P pentacovalente), al tiempo que la His 119 cede su protn al oxgeno en 5' del enlace atacado; el estado de ionizacin de las histidinas es justo el contrario que el visto en el estado basal de la enzima4.

Este estado de transicin se resuelve con la Liberacin del primer producto (3'-AMP) quedando unido a la enzima el nucletido cclico 3',5' UMP. Entra entonces al centro activo una molcula de agua, que es el segundo substrato de la reaccin4.

La histidina 119 sustrae uno de los dos protones del agua, que queda convertida en un ion hidroxilo, que a su vez ataca al fosfato cclico, dando lugar al Estado de transicin 2.

ste se resuelve rompindose el enlace entre el fosfato y el oxgeno que sustituye al carbono 2' de la ribosa, el cual recibe a su vez el protn de la histidina 12, para dar lugar a la liberacin del segundo producto, que es el nucletido 3',5' uridinbisfosfato4.

CARBOXIPEPTIDASA A.I. GeneralidadesEs una enzima digestiva secretada en el jugo pancretico que hidroliza el enlace peptdico carboxiterminal en las cadenas polipeptdicas1.La hidrlisis se produce ms fcilmente en el residuo carboxiterminal que tiene una cadena lateral aromtica o una cadena aliftica. Esta enzima contiene regiones y la hoja plegada 1. La carboxipeptidasa A cataliza la hidrolisis del enlace peptdico carboxiloterminal de la cadena polipeptdica. La hidrlisis es ms fcil si el residuo carboxlico terminal tiene una cadena lateral aromtica o una cadena lateral aliftica voluminosa1.La Carboxipeptidasa A es una enzima proteoltica que cataliza la ruptura del enlace peptdico, denominada, proteinasa. Segn el grupo funcional en el sitio activo, es posible clasificarla como una metaloenzima, llamada as ya que los iones unidos actan de una forma muy parecida a las coenzimas, confirindole una propiedad que no poseera en su ausencia1.Es as que la Carboxipeptidasa A lleva a cabo la hidrlisis del enlace peptdico con la ayuda de metales, generalmente Zn+2, unidos a su sitio activo, este ion acta como una catalizador metlico para las reacciones hidrolticas, adems participa en la estabilizacin como intermediario de la hidrlisis de una forma muy similar a la accin de la serina en la quimiotripsina1.La CarboxipeptidasaA debido a su funcin tambin constituye una exopeptidasa ya que cataliza la remocin del aminocido situado en el extremo carbonilo del sustrato, siendo especfica para aminocidos voluminosos1.II. Estructura de sitio activo de la Carboxipeptidasa A

El sitio activo consta de un surco poco profundo en la superficie de la enzima que conduce a una bolsa profunda, forrada con cadenas laterales alifticas y polares y partes de la cadena polipeptdica para fijar el aminocido C-terminal1.La cadena lateral de este residuo es conformacionalmente muy mvil. La cadena lateral fenlica puede rotar alrededor del enlace C-C y un 80% de su densidad electrnica en el mapa de la estructura cristalina se encuentra en una orientacin en la superficie de la molcula apuntando hacia la solucin1. A partir de la estructura del complejo de la enzima con glicil-L-tirosina, se ha extrapolado un modelo para la fijacin de los sustratos. Las restantes caractersticas del complejo se han utilizado en la construccin del modelo para la fijacin productiva:La cadena lateral aromtica se fija en la bolsa de fijacin; el ion carboxilato del C-terminal forma un enlace salino con la Arg-145; el oxgeno carbonlico del enlace escindible se constituye en el cuarto ligando del ion zinc; y el oxgenofenolito de la Tyr-248 se encuentra a 3 A del enlace escindible despus de que la cadena lateral haya girado 120 desde su orientacin predominante en la enzima libre1.

III. Mecanismo de accin cataltica:

Hay una adaptacin inducida del centro activo cuando se une al substrato. La enzima es una cadena polipeptdica de 307 residuos de aminocidos. Tiene un ion Zn2+ fuertemente unido, que esencial para la actividad enzimtica y que est localizado en un surco de la superficie de la molcula donde coordina a dos cadenas laterales de histidina, a una cadena lateral de glutamato y a una molcula de agua. La cadena lateral del residuo terminal del substrato se acomoda en un gran bolsillo cerca del ion Zn2+.De los estudios de rayos X y qumicos realizados por varios investigadores, se puede inferir un posible mecanismo cataltico de la carboxipeptidasa A. Hay tres grupos fundamentales en la catlisis: el in Zn, el grupo guanidina de la arginina 127 y el grupo carboxilo del glutamato 270. El tomo de carbono carbonilo es atacado por el carboxilato del glutamato 270. Se forma un anhdrido carboxlico intermediario que facilita el ataque del enlace por una molcula de agua unida al Zn2+.La molcula de agua altamente polarizada transfiere un protn al grupo NH escindiendo el enlace. Alternativamente, la molcula de agua puede atacar directamente el carbono carbonlico del enlace1.La polarizacin del grupo carbonlico por el Zn2+ facilita el ataque, sea por el glutamato 270 o la molcula activada de agua. La induccin de un dipolo es impulsada por el ambiente no polar del ion Zn, el que incrementa su carga. De este modo, carboxipeptidasa A acelera la catlisis induciendo una tensin electrnica en el substrato. An ms, la carga negativa del oxgeno en el intermediario tetradrico es estabilizada por la arginina 127 positivamente cargada.1

SERINPROTEASAS

Enzimas que tienen serina en su sitio activo. Las enzimas proteolticas o proteasas catalizan la hidrlisis de los enlaces peptdicos de las protenas. Una de las caractersticas ms importantes de las proteasas es su alta especificidad. El hecho de que un enlace peptdico sea hidrolizado o no por una proteasa depende de varios factores, entre ellos, la secuencia de aminocidos alrededor del enlace, ya que la mayora reconocen aminocidos o secuencias especificas5.

Otro requisito para tenga lugar la hidrlisis es la accesibilidad estrica del enlace, de manera que si ste se encuentra en el interior hidrofobia) de las protenas globulares o en zonas hidrofbicas poco accesibles, no podr ser atacado por la proteasa a menos que se produzca una desestructuracin de la protena que aumente la accesibilidad. Por ltimo, se han de considerar las condiciones fsico-qumicas del medio, dado que las proteasas presentan un rendimiento ptimo a unas determinadas condiciones de pH, fuerza inica, temperatura y presencia de factores orgnicos yo metlico5.Mecanismo cataltico de las serin proteinasasLas serinproteinasas presentan un mecanismo cataltico bien conocido, compartido por otras enzimas no necesariamente proteolticas. Este mecanismo consiste en una fase de acilacin en la que se forma un intermediario covalente acil-enzima, con liberacin del primer producto, y una fase de desacilacin en la que una molcula de agua rompe el intermediario con liberacin del segundo producto5. Todas estas enzimas tienen un centro activo formado por tres aminocidos absolutamente conservados, Serina, Histidina y Aspartato, conjunto que recibe el nombre de trada cataltica. Al centro activo de la enzima se une el substrato. En este caso, se representa como substrato un cromgeno muy utilizado en los ensayos de quimotripsina, la N-succinil-L-fenilalanina 4-nitroanilida. La unin da lugar al complejo enzima-substrato. La especificidad se logra dado que el anillo aromtico de la fenilalanina va a ocupar un sitio especfico sobre la superficie de la enzima (no representado). La accin cataltica comienza cuando His 57 retira un protn del grupo alcohlico de la serina, quedando la histidina en forma de imidazolio, con carga positiva (en azul en el modelo) y la serina como enolato, con carga negativa (en rojo en el modelo), tal como puede apreciarse en la imagen del complejo Substrato, serin-enolato e imidazolio5.

El enolato es un nuclefilo potente que va a atacar al grupo carbonilo (C=O) del enlace escindible, dando lugar al Estado de transicin 1 (fase de acilacin) en el que se observa un intermediario tetradrico (as llamado porque el carbono sp2 del grupo carbonilo del enlace escindible se convierte transitoriamente en un carbono sp3, tetradrico)5.

A continuacin, la histidina 57 cede su protn a este complejo, con lo que se separa el primer producto (4-nitroanilina) y el complejo queda como Acilenzima y primer producto5.

Tras la retirada del primer producto, el complejo Acilenzima queda listo para comenzar la segunda fase de la reaccin. sta tiene lugar por la entrada de una molcula de agua (el segundo substrato) al centro activo, dando lugar al Complejo Acilenzima - H2O

La histidina 57 retira entonces un protn de la molcula de agua, que queda convertida en un ion hidroxilo (OH-); el conjunto Acilenzima, imidazolio e hidroxilo que se forma es anlogo al conjunto substrato, imidazolio y enolato que veamos en la fase de acilacin5.

El Ion hidroxilo es un nuclefilo que ataca al acilenzima dando lugar al Estado de transicin 2 (fase de desacilacin) en el que nuevamente vemos que el grupo carbonilo del enlace escindible pasa transitoriamente a ser sp3, de geometra tetradrica5.

Este segundo estado de transicin se resuelve con la Salida del producto 2 (N-succinil-L-fenilalanina)5.

Por ltimo, el grupo imidazolio de la histidina cede su protn al enolato de la serina, con lo cual tiene lugar la vuelta al estado inicial5. El papel del aspartato, segn se cree, es la estabilizacin del imidazolio de la histidina5.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS1.- VILLAVICENCIO, Marino (1996). Bioqumica Tomo I (2 ed).Lima- Per. Ed. CONCYTEC. Pp: 130-133, 1352.- VOET, Donald (2006). Bioqumica. (3 ed). Buenos Aires- Argentina.Ed. Medica Panamericana.Pp: 524-525,5293.- LAGUNA J y PIA E (2009). Bioqumica de Laguna. (6ed). Mexico. Ed. Manuel Moderno. P: 1214.- Laguna,J.: Bioqumica. 5 edi. Edit Manual Moderno.Mxico.2002. pp. 173-177. Matheus. Bioquimica 3 ed. Ed Pearson Addison Wesley. Espaa. 2004. pp.437-4385.- Mathews,V: BIOQUIMICA. 3ed. Ed Pearson educacin. Espaa 2002. Pp.202-204