Catálisis covalente

Enzimología – Estrategias catalíticas
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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
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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
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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.
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