CATÁLISIS
A pesar de la importancia de los estudios cinéticos, estos no explican los mecanismos catalíticos de las enzimas.
Un mecanismo debe detallar cómo se rompen y forman enlaces durante la conversión de sustratos a productos.
Las investigaciones sobre mecanismos enzimáticos intentan conectar la actividad enzimática con la estructura y
función del sitio activo. Para examinar estos mecanismos, se emplean técnicas como la cristalografía de rayos X, la
inactivación química de las cadenas laterales en el sitio activo y el modelado con compuestos simples, tanto
como sustratos como inhibidores.
Reacciones orgánicas y estado de transición
Las reacciones bioquímicas siguen un conjunto de reglas similar al de las reacciones en química orgánica. Ambas
se caracterizan por la interacción entre átomos deficientes en electrones (electrófilos) y átomos ricos en
electrones (nucleófilos), así como por la generación de estados de transición. La formación de enlaces químicos
ocurre cuando un nucleófilo proporciona un par de electrones a un electrófilo. Por ejemplo, en una reacción, los
electrones de un doble enlace nucleofílico interactúan con un átomo de hidrógeno parcialmente positivo de un
ion hidronio electrófilo. Como en todas las reacciones orgánicas, la creación del producto se lleva a cabo en
múltiples etapas.
El mecanismo de reacción es la descripción detallada de una reacción química, donde las flechas curvas indican el
movimiento de electrones de un nucleófilo hacia un electrófilo. Durante la reacción, se forman intermediarios que
son especies de corta duración antes de convertirse en productos. Por ejemplo, un carbocatión se crea cuando los
electrones π de un doble enlace atacan un ion hidronio, y este carbocatión con carga positiva es estabilizado por
grupos R que disminuyen su carga. Además, el estado de transición se estabiliza por cadenas laterales en el sitio
activo. En la siguiente fase, un par de electrones del oxígeno de una molécula de agua se une al carbono positivo,
lo que finalmente resulta en la formación de un alcohol mediante la transferencia de un protón a otra molécula
de agua. Otros intermediarios reactivos incluyen carbaniones y radicales libres. Para que ocurra una reacción
química, solo las moléculas en el estado de transición, que requieren energía para activarse, pueden convertirse
en productos. La velocidad de la reacción depende de cuántas moléculas de reactivos tienen suficiente energía
para superar la barrera de energía de activación (Ea). Las enzimas aumentan la velocidad de reacción al estabilizar
el estado de transición, y se ha descubierto que los sitios activos de las enzimas favorecen más el estado de
transición que el sustrato o el producto. Un diagrama de energía de una reacción de dos pasos muestra la
distinción entre un intermediario y un estado de transición, subrayando sus características en términos de
estabilidad y energía.
Mecanismos catalíticos
A pesar de una investigación exhaustiva, solo se comprenden en detalle los mecanismos de algunas enzimas. Se
ha establecido que estas enzimas pueden alcanzar velocidades catalíticas mucho mayores que otros catalizadores
debido a que sus sitios activos tienen estructuras especialmente diseñadas para facilitar la catálisis. Diversos
factores intervienen en la catálisis enzimática, siendo los más relevantes los efectos de proximidad y de tensión,
los efectos electrostáticos, la catálisis acidobásica y la catálisis covalente. La canalización cuántica, que se produce
durante la transferencia de hidrógeno, se discute en un ensayo en línea titulado Biochemistry in Perspective. Es
importante señalar que ninguno de estos factores catalíticos excluye a los demás, ya que todos influyen en
diversos grados en cada tipo de mecanismo catalítico.
EFECTOS DE PROXIMIDAD Y DE TENSIÓN
Para que se lleve a cabo una reacción bioquímica, es necesario que el sustrato se acerque lo suficiente a los
grupos funcionales catalíticos dentro del sitio activo y se orienten correctamente hacia ellos. Cuando el sustrato
está en la posición adecuada, una modificación en la conformación de la enzima puede dar lugar a un complejo
enzima-sustrato con tensión, lo cual facilita el proceso de transición del complejo.
(Perfi l energético de una reacción de dos pasos Los máximos de energía son los esta dos de transición pasajeros
TS‡ 1 y TS‡ 2 , y el mínimo de energía es el interme diario (I)
EFECTOS ELECTROSTÁTICOS
Es importante recordar que la intensidad de las interacciones electrostáticas disminuye a medida que aumenta la
hidratación de las especies involucradas. Las capas de hidratación aumentan la distancia entre los centros de
carga, lo que disminuye la atracción electrostática. Cuando el sustrato se une, el agua se excluye en gran medida
del sitio activo, lo que resulta en una constante dieléctrica local baja. La distribución de carga en el sitio activo,
que es relativamente seco, puede ayudar en la colocación óptima de las moléculas de sustrato e influir en su
reactividad química. También se cree que las interacciones electrostáticas débiles, como las que ocurren entre
dipolos permanentes e inducidos en el sitio activo y el sustrato, contribuyen a la catálisis.
CATÁLISIS ACIDOBÁSICA
La catálisis acidobásica (transferencia de protones) es un factor importante en las reacciones químicas. Por
ejemplo, considere la hidrólisis de un éster:
El agua es un nucleófilo poco efectivo, lo que ralentiza la hidrólisis de los ésteres en soluciones neutras, aunque
esta reacción se acelera con un pH elevado. Cuando el ion hidróxido ataca el carbono del grupo carbonilo, se
forma un intermediario tetraédrico que se descompone, transfiriendo un protón de otra molécula de agua y
liberando alcohol, aunque esta catálisis no es eficiente en sistemas biológicos. Las enzimas utilizan grupos
funcionales como bases generales para facilitar la transferencia de protones en relación al sustrato. También, la
hidrólisis de ésteres puede ser acelerada por un ácido general, donde el oxígeno del carbonilo se protona,
haciéndolo más receptivo al ataque del agua. En los sitios activos de las enzimas, aminoácidos como histidina,
aspartato, glutamato, tirosina, cisteína y lisina pueden actuar como donadores o aceptores de protones según su
estado de protonación, cada uno con un pKa específico que puede ser influenciado por átomos cercanos. La
histidina se utiliza comúnmente en catálisis acidobásica debido a que su pKa está cerca del pH fisiológico,
permitiendo que su anillo imidazol protonado actúe como ácido general y el desprotonado como base general.
La hidrólisis de ésteres puede llevarse a cabo de distintas formas: mediante la catálisis por iones
hidróxido libres, por una base general o por un ácido general, donde el movimiento de electrones en
cada mecanismo se ilustra con flechas. En las proteasas de serina, como la tripsina y la
quimotripsina, la cercanía de un grupo carboxilato de aspartato a la histidina aumenta su pKa,
permitiendo que la histidina actúe como base general y extraiga un protón de la serina, lo que
mejora la capacidad del oxígeno de la serina para actuar como nucleófilo.
CATÁLISIS COVALENTE
En ciertas enzimas, un grupo de cadena lateral nucleófilo establece un enlace covalente inestable con un grupo
electrófilo del sustrato. Como se mencionó anteriormente, las proteasas de serina emplean el grupo —CH2—OH
de la serina como nucleófilo para la hidrólisis de enlaces peptídicos. En la primera etapa, el nucleófilo (por
ejemplo, el oxígeno de la serina) ataca al grupo carbonilo del sustrato peptídico, lo que lleva a la ruptura del
enlace peptídico al formarse el enlace estérico. Finalmente, el intermediario aciloenzima resultante es hidrolizado
por agua en una segunda reacción.
Función de los aminoácidos en la catálisis enzimática
Los sitios activos de las enzimas están rodeados por cadenas laterales de aminoácidos que, debido al
plegamiento de las proteínas, se encuentran cerca y crean un microambiente adecuado para la catálisis. Las
funciones de estas cadenas laterales se clasifican en dos tipos: catalíticas, que participan directamente en la
catálisis, y no catalíticas, que tienen roles de apoyo. Dentro de los 20 aminoácidos en las proteínas, solo aquellos
con cadenas laterales polares y cargadas son realmente involucrados en la catálisis. Estos incluyen: serina,
treonina, tirosina, cisteína, glutamina, asparagina, glutamato, aspartato, lisina, arginina e histidina. Investigaciones
han demostrado que la catálisis requiere el posicionamiento preciso de unidades catalíticas, formadas por díadas
o tríadas de cadenas laterales de aminoácidos. A pesar de la gran cantidad de enzimas, estas unidades se
componen de combinaciones relativamente limitadas de aminoácidos. Ejemplos comunes son las díadas argininaarginina y carboxilato-carboxilato. La díada arginina-arginina, encontrada en la cinasa de adenilato, facilita la
transferencia de grupos fosforilo del ATP. Las díadas carboxilato-carboxilato son típicas en las proteasas
aspárticas, como la pepsina, donde la proximidad de los grupos carboxilo aumenta la basicidad de uno de ellos,
facilitando un mecanismo hidrolítico. Finalmente, en las díadas aspartato-histidina, la proximidad de grupos
negativos también afecta sus propiedades funcionales, como se observa en la aconitasa, donde la histidina actúa
como un ácido general.
El HOH que se forma es sostenido en el sitio activo por histidina el tiempo suficiente para que pueda atacar al
intermediario y producir isocitrato. Es interesante que la díada aspartato-histidina también forme parte de la
investigada tríada Asp-His-Ser de la proteasa de serina. La proximidad entre el grupo carboxilato del aspartato y
el grupo imidazol de la histidina aumenta el pKa de esta última, mejorando su capacidad para extraer un protón
de la serina. De este modo, la serina desprotonada se convierte en un nucleófilo más eficaz. Las funciones de los
grupos laterales no catalíticos, como la orientación del sustrato y la estabilización del estado de transición, son
más sutiles que las de los residuos catalíticos. Por ejemplo, la especificidad del sustrato de la quimotripsina,
evidente en la ruptura de enlaces peptídicos en el extremo C de los aminoácidos aromáticos triptófano, tirosina y
fenilalanina, se debe al gran tamaño de la cavidad hidrófoba en el sitio activo que acomoda y orienta las cadenas
laterales aromáticas. El intermediario oxianión, que surge durante el mecanismo catalítico, es estabilizado por
interacciones entre el grupo carbonilo del enlace peptídico del sustrato y los hidrógenos de la amida de los
residuos de serina y glicina en la cadena principal.
Funciones de los cofactores en la catálisis enzimática
Además de las cadenas laterales de los aminoácidos del sitio activo, muchas enzimas requieren cofactores no
proteínicos, a saber, cationes metálicos y coenzimas. Cada grupo tiene propiedades estructurales y reactividades
químicas muy distintivas
METALES
Los metales esenciales para los seres vivos se dividen en dos categorías: metales alcalinos y alcalinotérreos (como
Na+, K+, Mg2+ y Ca2+) y metales de transición (como Zn2+, Fe2+ y Cu2+). En las enzimas, los metales alcalinos
y alcalinotérreos están conectados de manera más relajada y normalmente desempeñan un papel estructural. En
contraste, los metales de transición son cruciales en procesos catalíticos, ya sea al unirse a grupos funcionales
como carboxilato, imidazol o hidroxilo, o como parte de grupos prostéticos como el Fe2+ en el hemo. Las
propiedades de los metales de transición los hacen valiosos en la catálisis. Los iones metálicos ofrecen una alta
carga positiva, lo que resulta beneficioso para la unión de pequeñas moléculas. Además, estos metales actúan
como ácidos de Lewis, lo que les permite aceptar pares de electrones. Su capacidad para interactuar con varios
ligandos gracias a sus valencias de la capa d permite que los iones metálicos faciliten la correcta orientación del
sustrato en el sitio activo. Esto hace que el complejo de la enzima con el ion metálico polarice el sustrato y
promueva la catálisis. Un ejemplo es la anhidrasa carbónica, que cataliza la hidratación reversible del CO2
formando bicarbonato (HCO3 −), utilizando un cofactor de zinc (Zn2+) coordinado con histidinas en su sitio
activo. El zinc polariza una molécula de agua, facilitando que un grupo OH atacque al CO2 y lo transforme en
HCO3 −.
COENZIMAS
Las coenzimas son moléculas orgánicas que proporcionan flexibilidad química a las enzimas al ofrecer grupos
reactivos no disponibles en las cadenas laterales de los aminoácidos, o al funcionar como transportadoras de
sustratos. Algunas coenzimas se unen de manera temporal a las enzimas y actúan como cosustratos, mientras
que otras están firmemente unidas mediante enlaces covalentes o no covalentes. A diferencia de los catalizadores
convencionales, la estructura de las coenzimas cambia durante las reacciones en las que participan, y es necesario
regenerar sus formas activas antes de que pueda iniciarse otro ciclo catalítico. Las coenzimas temporales suelen
regenerarse a través de reacciones catalizadas por otras enzimas, mientras que las coenzimas firmemente unidas
se regeneran durante una fase del ciclo catalítico. Muchas coenzimas provienen de vitaminas, que son nutrientes
orgánicos requeridos en pequeñas cantidades, clasificándose en hidrosolubles y liposolubles. Existen también
sustancias similares a vitaminas que los organismos pueden sintetizar en cantidades adecuadas para facilitar
reacciones enzimáticas, como el ácido lipoico o la coenzima Q. Las coenzimas se pueden categorizar según su
función en tres grupos: transferencia de electrones, transferencia de grupos y potencial de transferencia de alta
energía. Entre las coenzimas implicadas en reacciones redox se encuentran el NAD+, el NADP+, el FAD, el FMN, la
coenzima Q y la BH4. Coenzimas como el TPP, la coenzima A y el fosfato de piridoxal participan en la
transferencia de grupos aldehído, acilo y amino, respectivamente. Las transferencias de un carbono, que
involucran el movimiento de átomos de carbono entre sustratos, requieren biotina, TH4 o SAM. Los nucleótidos,
que tienen un alto potencial de transferencia de energía, actúan como coenzimas al activar intermediarios
metabólicos o servir como donadores de fosfato, como es el caso de UDP-glucosa y CDP-etanolamina. Estos
nucleótidos funcionan tanto como transportadores moleculares como buenos grupos salientes en reacciones
posteriores, asegurando que el metabolito se posicione adecuadamente en el sitio activo de la enzima. Además,
coenzimas como el NAD+, NADP+, FAD, FMN y CoASH contienen componentes de nucleótidos de adenina. Por
último, se presenta un cuadro con una lista de vitaminas, sustancias similares, sus formas coenzimáticas y las
reacciones que facilitan, así como detalles sobre sus propiedades estructurales y funcionales.
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