Sitio activo
En biología y bioquímica, el sitio activo es la región de una enzima donde las moléculas de sustrato se unen y experimentan una reacción química. El sitio activo consta de residuos de aminoácidos que forman enlaces temporales con el sustrato, el sitio de unión, y residuos que catalizan una reacción de ese sustrato, el sitio catalítico . Aunque el sitio activo ocupa solo ~10-20% del volumen de una enzima, es la parte más importante ya que cataliza directamente la reacción química. Por lo general, consta de tres a cuatro aminoácidos, mientras que se requieren otros aminoácidos dentro de la proteína para mantener la estructura terciaria de las enzimas.
Cada sitio activo se desarrolla para ser optimizado para unirse a un sustrato particular y catalizar una reacción particular, lo que resulta en una alta especificidad. Esta especificidad está determinada por la disposición de los aminoácidos dentro del sitio activo y la estructura de los sustratos. A veces, las enzimas también necesitan unirse con algunos cofactores para cumplir su función. El sitio activo suele ser un surco o bolsillo de la enzima que puede ubicarse en un túnel profundo dentro de la enzima, o entre las interfaces de enzimas multiméricas. Un sitio activo puede catalizar una reacción repetidamente ya que los residuos no se alteran al final de la reacción (pueden cambiar durante la reacción, pero se regeneran al final). Este proceso se logra al disminuir la energía de activación de la reacción, por lo que más sustratos tienen suficiente energía para reaccionar.
Sitio de unión
Por lo general, una molécula de enzima tiene solo dos sitios activos y los sitios activos encajan con un tipo específico de sustrato. Un sitio activo contiene un sitio de unión que se une al sustrato y lo orienta para la catálisis. La orientación del sustrato y la proximidad entre este y el sitio activo es tan importante que, en algunos casos, la enzima aún puede funcionar correctamente aunque todas las demás partes estén mutadas y pierdan su función.
Al principio, la interacción entre el sitio activo y el sustrato es transitoria y no covalente. Hay cuatro tipos importantes de interacción que mantienen el sustrato en una orientación definida y forman un complejo enzima-sustrato (complejo ES): enlaces de hidrógeno, interacciones de van der Waals, interacciones hidrofóbicas e interacciones de fuerza electrostática. La distribución de carga en el sustrato y el sitio activo debe ser complementaria, lo que significa que todas las cargas positivas y negativas deben cancelarse. De lo contrario, habrá una fuerza repulsiva que los separe. El sitio activo normalmente contiene aminoácidos no polares, aunque a veces también pueden aparecer aminoácidos polares. La unión del sustrato al sitio de unión requiere al menos tres puntos de contacto para lograr estereo, regio y enantioselectividad. Por ejemplo, la alcohol deshidrogenasa que cataliza la transferencia de un ion hidruro del etanol al NAD+ interactúa con el grupo metilo del sustrato, el grupo hidroxilo y el hidrógeno pro-(R) que se extraerá durante la reacción.
Para ejercer su función, las enzimas necesitan asumir su pliegue proteico correcto (pliegue nativo) y estructura terciaria. Para mantener esta estructura tridimensional definida, las proteínas dependen de varios tipos de interacciones entre sus residuos de aminoácidos. Si estas interacciones se ven interferidas, por ejemplo, por valores de pH extremos, altas temperaturas o altas concentraciones de iones, esto hará que la enzima se desnaturalice y pierda su actividad catalítica.
Se cree que un ajuste más estrecho entre un sitio activo y la molécula de sustrato aumenta la eficiencia de una reacción. Si aumenta la estanqueidad entre el sitio activo de la ADN polimerasa y su sustrato, también aumentará la fidelidad, lo que significa que la tasa correcta de replicación del ADN. La mayoría de las enzimas tienen sitios activos profundamente enterrados, a los que puede acceder un sustrato a través de canales de acceso.
Hay tres modelos propuestos de cómo las enzimas se ajustan a su sustrato específico: el modelo de cerradura y llave, el modelo de ajuste inducido y el modelo de selección conformacional. Los dos últimos no son mutuamente excluyentes: la selección conformacional puede ir seguida de un cambio en la forma de la enzima. Además, es posible que una proteína no siga por completo ninguno de los dos modelos. Los aminoácidos en el sitio de unión de la ubiquitina generalmente siguen el modelo de ajuste inducido, mientras que el resto de la proteína generalmente se adhiere a la selección conformacional. Es probable que factores como la temperatura influyan en el camino tomado durante la unión, y se prevé que temperaturas más altas aumenten la importancia de la selección conformacional y disminuyan la del ajuste inducido.
Hipótesis de bloqueo y clave
Este concepto fue sugerido por el químico del siglo XIX Emil Fischer. Propuso que el sitio activo y el sustrato son dos estructuras estables que encajan perfectamente sin más modificaciones, al igual que una llave encaja en una cerradura. Si un sustrato se une perfectamente a su sitio activo, las interacciones entre ellos serán más fuertes, lo que dará como resultado una alta eficiencia catalítica.
Con el paso del tiempo, comenzaron a aparecer limitaciones de este modelo. Por ejemplo, el inhibidor enzimático competitivo metilglucósido puede unirse fuertemente al sitio activo de la 4-alfa-glucanotransferasa y encaja perfectamente en él. Sin embargo, la 4-alfa-glucanotransferasa no es activa sobre el metilglucósido y no se produce transferencia de glucosilo. La hipótesis de Lock and Key no puede explicar esto, ya que predeciría una alta eficiencia de transferencia de glucosilo de metilglucósido debido a su fuerte unión. Aparte de la inhibición competitiva, esta teoría tampoco puede explicar el mecanismo de acción de los inhibidores no competitivos, ya que no se unen al sitio activo pero, sin embargo, influyen en la actividad catalítica.
Hipótesis de ajuste inducida
La teoría de Daniel Koshland sobre la unión enzima-sustrato es que el sitio activo y la porción de unión del sustrato no son exactamente complementarios. El modelo de ajuste inducido es un desarrollo del modelo de llave y candado y asume que un sitio activo es flexible y cambia de forma hasta que el sustrato se une por completo. Este modelo es similar a una persona que lleva un guante: el guante cambia de forma para adaptarse a la mano. La enzima inicialmente tiene una conformación que atrae a su sustrato. La superficie de la enzima es flexible y solo el catalizador correcto puede inducir la interacción que conduce a la catálisis. Entonces pueden ocurrir cambios conformacionales a medida que se une el sustrato. Después de la reacción, los productos se alejarán de la enzima y el sitio activo volverá a su forma inicial. Esta hipótesis está respaldada por la observación de que todo el dominio de la proteína podría moverse varios nanómetros durante la catálisis. Este movimiento de la superficie de la proteína puede crear microambientes que favorezcan la catálisis.
Hipótesis de selección conformacional
Este modelo sugiere que las enzimas existen en una variedad de conformaciones, de las cuales solo algunas son capaces de unirse a un sustrato. Cuando un sustrato se une a la proteína, el equilibrio en el conjunto conformacional se desplaza hacia aquellos capaces de unir ligandos (ya que las enzimas con sustratos unidos se eliminan del equilibrio entre las conformaciones libres).
Tipos de interacciones no covalentes
Interacción electrostática: en un entorno acuoso, los grupos con carga opuesta en las cadenas laterales de aminoácidos dentro del sitio activo y los sustratos se atraen entre sí, lo que se denomina interacción electrostática. Por ejemplo, cuando un ácido carboxílico (R-COOH) se disocia en iones RCOO− y H+, COO− atraerá grupos cargados positivamente como como cadena lateral de guanidina protonada de arginina.
Enlace de hidrógeno: un enlace de hidrógeno es un tipo específico de interacción dipolo-dipolo entre un átomo de hidrógeno parcialmente positivo y un donante de electrones parcialmente negativo que contiene un par de electrones como oxígeno, flúor y nitrógeno.. La fuerza del enlace de hidrógeno depende de la naturaleza química y la disposición geométrica de cada grupo.
Fuerza de Van der Waals: la fuerza de Van der Waals se forma entre grupos con cargas opuestas debido a la distribución irregular transitoria de electrones en cada grupo. Si todos los electrones están concentrados en un polo del grupo, este extremo será negativo, mientras que el otro extremo será positivo. Aunque la fuerza individual es débil, como el número total de interacciones entre el sitio activo y el sustrato es enorme, la suma de ellas será significativa.
Interacción hidrofóbica: los grupos hidrofóbicos no polares tienden a agregarse en el ambiente acuoso y tratan de salir del solvente polar. Estos grupos hidrófobos suelen tener una cadena de carbono larga y no reaccionan con las moléculas de agua. Al disolverse en agua, una molécula de proteína se enroscará en forma de bola, dejando grupos hidrófilos en el exterior mientras que los grupos hidrófobos quedan profundamente enterrados en el centro.
Sitio catalítico
Una vez que el sustrato está unido y orientado al sitio activo, puede comenzar la catálisis. Los residuos del sitio catalítico suelen estar muy cerca del sitio de unión y algunos residuos pueden tener funciones duales tanto en la unión como en la catálisis.
Los residuos catalíticos del sitio interactúan con el sustrato para reducir la energía de activación de una reacción y, por lo tanto, hacer que avance más rápido. Lo hacen mediante una serie de mecanismos diferentes, incluida la aproximación de los reactivos, la catálisis nucleófila/electrofílica y la catálisis ácido/base. Estos mecanismos se explicarán a continuación.
Mecanismos implicados en el proceso catalítico
Aproximación de la reactiva
(feminine)Durante la reacción catalítica enzimática, el sustrato y el sitio activo se juntan en estrecha proximidad. Este enfoque tiene varios propósitos. En primer lugar, cuando los sustratos se unen dentro del sitio activo, la concentración efectiva aumenta significativamente que en solución. Esto significa que también aumenta el número de moléculas de sustrato involucradas en la reacción. Este proceso también reduce la energía de desolvatación requerida para que ocurra la reacción. En solución, las moléculas de sustrato están rodeadas por moléculas de solvente y se requiere energía para que las moléculas de enzima las reemplacen y entren en contacto con el sustrato. Dado que las moléculas a granel se pueden excluir del sitio activo, esta producción de energía se puede minimizar. Luego, el sitio activo está diseñado para reorientar el sustrato para reducir la energía de activación para que ocurra la reacción. La alineación del sustrato, después de la unión, se bloquea en un estado de alta energía y puede pasar al siguiente paso. Además, esta unión se ve favorecida por la entropía ya que el costo de energía asociado con la reacción de la solución se elimina en gran medida ya que el solvente no puede ingresar al sitio activo. Al final, el sitio activo puede manipular el orbital molecular del sustrato en una orientación adecuada para reducir la energía de activación.
Los estados electrostáticos del sustrato y el sitio activo deben ser complementarios entre sí. Una cadena lateral de aminoácido cargada negativamente polarizada repelerá el sustrato sin carga. Pero si el estado de transición implica la formación de un centro iónico, la cadena lateral ahora producirá una interacción favorable.
Catálisis covalente
Muchas enzimas, incluidas la serina proteasa, la cisteína proteasa, la proteína quinasa y la fosfatasa, evolucionaron para formar enlaces covalentes transitorios entre ellas y sus sustratos para reducir la energía de activación y permitir que se produzca la reacción. Este proceso se puede dividir en 2 pasos: formación y descomposición. El primer paso es el paso de límite de velocidad, mientras que el último paso es necesario para regenerar la enzima intacta.
Catálisis nucleofílica: este proceso consiste en la donación de electrones del nucleófilo de la enzima a un sustrato para formar un enlace covalente entre ellos durante el estado de transición. La fuerza de esta interacción depende de dos aspectos: la capacidad del grupo nucleófilo para donar electrones y la del electrófilo para aceptarlos. El primero se ve afectado principalmente por la basicidad (la capacidad de donar pares de electrones) de la especie, mientras que el segundo se relaciona con su pKa. Ambos grupos también se ven afectados por sus propiedades químicas, como la polarizabilidad, la electronegatividad y el potencial de ionización. Aminoácidos que pueden formar nucleófilos incluyendo serina, cisteína, aspartato y glutamina.
Catálisis electrofílica: el mecanismo detrás de este proceso es exactamente el mismo que el de la catálisis nucleófila excepto que ahora los aminoácidos en el sitio activo actúan como electrófilos mientras que los sustratos son nucleófilos. Esta reacción generalmente requiere cofactores ya que las cadenas laterales de aminoácidos no son lo suficientemente fuertes para atraer electrones.
Iones metálicos
Los iones metálicos tienen múltiples funciones durante la reacción. En primer lugar, puede unirse a grupos de sustrato cargados negativamente para que no repelan los pares de electrones de los grupos nucleofílicos del sitio activo. Puede atraer electrones cargados negativamente para aumentar la electrofilia. También puede servir de puente entre el sitio activo y el sustrato. Por último, pueden cambiar la estructura conformacional del sustrato para favorecer la reacción.
Catálisis ácido/base
En algunas reacciones, los protones y el hidróxido pueden actuar directamente como ácido y base en términos de catálisis de ácido específico y base específica. Pero más a menudo los grupos en el sustrato y el sitio activo actúan como ácido y base de Brønsted-Lowry. Esto se llama teoría general de ácidos y bases generales. La forma más fácil de distinguir entre ellos es verificar si la velocidad de reacción está determinada por las concentraciones del ácido y la base generales. Si la respuesta es sí, entonces la reacción es del tipo general. Dado que la mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo de 6 a 7, los aminoácidos de la cadena lateral suelen tener un pKa de 4~10. Los candidatos incluyen aspartato, glutamato, histidina, cisteína. Estos ácidos y bases pueden estabilizar el nucleófilo o electrófilo formado durante la catálisis proporcionando cargas positivas y negativas.
Distorsión conformacional
Los estudios cuantitativos de las reacciones enzimáticas a menudo encontraron que la aceleración de la velocidad de la reacción química no puede explicarse por completo mediante teorías existentes como la aproximación, la catálisis ácido/base y la catálisis electrófila/nucleófila. Y hay una paradoja obvia: en una reacción enzimática reversible, si el sitio activo encaja perfectamente en los sustratos, la reacción inversa será más lenta, ya que los productos no pueden encajar perfectamente en el sitio activo. Entonces, se introdujo la distorsión conformacional y se argumenta que tanto el sitio activo como el sustrato pueden sufrir cambios conformacionales para encajar entre sí todo el tiempo.
Complementariedad del sitio activo preorganizado con el estado de transición
Esta teoría es un poco similar a la teoría de la cerradura y la llave, pero en este momento el sitio activo está preprogramado para unirse perfectamente al sustrato en estado de transición en lugar de en estado fundamental. La formación del estado de transición dentro de la solución requiere una gran cantidad de energía para reubicar las moléculas del solvente y la reacción se ralentiza. Entonces, el sitio activo puede sustituir a las moléculas de solvente y rodear los sustratos para minimizar el efecto contraproducente impuesto por la solución. La presencia de grupos cargados con el sitio activo atraerá sustratos y asegurará la complementariedad electrostática.
Ejemplos de mecanismos de catálisis enzimática
En realidad, la mayoría de los mecanismos enzimáticos involucran una combinación de varios tipos diferentes de catálisis.
Glutatión reductasa
La función del glutatión (GSH) es eliminar las especies reactivas de oxígeno acumuladas que pueden dañar las células. Durante este proceso, su cadena lateral tiol se oxida y dos moléculas de glutatión se conectan mediante un enlace disulfuro para formar un dímero (GSSG). Para regenerar el glutatión, se debe romper el enlace disulfuro. En las células humanas, esto lo hace la glutatión reductasa (GR).
La glutatión reductasa es un dímero que contiene dos subunidades idénticas. Requiere un NADP y un FAD como cofactores. El sitio activo se encuentra en el enlace entre dos subunidades. El NADPH interviene en la generación de FADH-. En el sitio activo hay dos residuos de cisteína además del cofactor FAD y se utilizan para romper el enlace disulfuro durante la reacción catalítica. NADPH está unido por tres residuos cargados positivamente: Arg-218, His-219 y Arg-224.
El proceso catalítico comienza cuando el NADPH reduce el FAD para aceptar un electrón y el FADH−. Luego ataca el enlace disulfuro formado entre 2 residuos de cisteína, formando un enlace SH y un único grupo S−. Este grupo S− actuará como un nucleófilo para atacar el enlace disulfuro en el glutatión oxidado (GSSG), rompiéndolo y formando un complejo cisteína-SG. El primer anión SG− se libera y luego recibe un protón del grupo SH adyacente y del primer monómero de glutatión. A continuación, el grupo S− adyacente ataca el enlace disulfuro en el complejo cisteína-SG y libera el segundo anión SG−. Recibe un protón en solución y forma el segundo monómero de glutatión.
Quimotripsina
La quimotripsina es una serina endopeptidasa que está presente en el jugo pancreático y ayuda a la hidrólisis de proteínas y péptidos. Cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos en L-isómeros de tirosina, fenilalanina y triptófano. En el sitio activo de esta enzima, tres residuos de aminoácidos trabajan juntos para formar una tríada catalítica que constituye el sitio catalítico. En la quimotripsina, estos residuos son Ser-195, His-57 y Asp-102.
El mecanismo de la quimotripsina se puede dividir en dos fases. Primero, Ser-195 ataca nucleofílicamente al carbono del enlace peptídico en el sustrato para formar un intermedio tetraédrico. La nucleofilia de Ser-195 se ve reforzada por His-57, que extrae un protón de Ser-195 y, a su vez, se estabiliza mediante el grupo carboxilato con carga negativa (RCOO−) en Asp-102. Además, el intermedio de oxianión tetraédrico generado en este paso se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno de Ser-195 y Gly-193.
En la segunda etapa, el grupo R'NH es protonado por His-57 para formar R'NH2 y abandona el intermedio, dejando atrás la Ser-195 acilada. His-57 luego actúa como una base nuevamente para extraer un protón de una molécula de agua. El anión hidróxido resultante ataca nucleofílicamente al complejo acil-enzima para formar un segundo intermedio de oxianión tetraédrico, que una vez más se estabiliza mediante enlaces H. Al final, Ser-195 abandona el intermedio tetraédrico, rompiendo el enlace CO que conectaba la enzima con el sustrato peptídico. Se transfiere un protón a Ser-195 a través de His-57, de modo que los tres aminoácidos vuelven a su estado inicial.
Desvinculación
La separación del sustrato está influenciada por varios factores. Los ligandos más grandes generalmente permanecen más tiempo en el sitio activo, al igual que aquellos con enlaces más giratorios (aunque esto puede ser un efecto secundario del tamaño). Cuando el solvente se excluye del sitio activo, las proteínas menos flexibles dan como resultado tiempos de residencia más prolongados. Más enlaces de hidrógeno protegidos del solvente también disminuyen la desunión.
Cofactores
Las enzimas pueden usar cofactores como "moléculas auxiliares". Las coenzimas se refieren a aquellas moléculas no proteicas que se unen a las enzimas para ayudarlas a realizar su trabajo. En su mayoría, están conectados al sitio activo mediante enlaces no covalentes, como el enlace de hidrógeno o la interacción hidrofóbica. Pero a veces también se puede formar un enlace covalente entre ellos. Por ejemplo, el hemo en el citocromo C se une a la proteína a través de un enlace tioéster. En algunas ocasiones, las coenzimas pueden abandonar las enzimas una vez finalizada la reacción. De lo contrario, se unen permanentemente a la enzima. La coenzima es un concepto amplio que incluye iones metálicos, varias vitaminas y ATP. Si una enzima necesita coenzima para funcionar, se llama apoenzima. De hecho, por sí solo no puede catalizar reacciones adecuadamente. Solo cuando su cofactor entra y se une al sitio activo para formar una holoenzima, funciona correctamente.
Un ejemplo de la coenzima es Flavin. Contiene un sistema de anillo de isoaloxazina conjugado distinto. Flavin tiene múltiples estados redox y puede usarse en procesos que involucran la transferencia de uno o dos electrones. Puede actuar como aceptor de electrones en una reacción, como la oxidación de NAD a NADH, para aceptar dos electrones y formar 1,5-dihidroflavina. Por otro lado, puede formar semiquinona (radical libre) al aceptar un electrón y luego se convierte en una forma completamente reducida mediante la adición de un electrón adicional. Esta propiedad le permite ser utilizado en un proceso de oxidación de electrones.
Inhibidores
Los inhibidores interrumpen la interacción entre la enzima y el sustrato, lo que ralentiza la velocidad de una reacción. Hay diferentes tipos de inhibidores, incluidas formas tanto reversibles como irreversibles.
Los inhibidores competitivos son inhibidores que solo se dirigen a moléculas de enzimas libres. Compiten con los sustratos por el aceptor de enzima libre y pueden superarse aumentando la concentración de sustrato. Tienen dos mecanismos. Los inhibidores competitivos suelen tener similitudes estructurales con los sustratos o el complejo ES. Como resultado, pueden encajar en el sitio activo y desencadenar interacciones favorables para llenar el espacio y bloquear la entrada de sustratos. También pueden inducir cambios conformacionales transitorios en el sitio activo para que los sustratos no encajen perfectamente con él. Después de un corto período de tiempo, los inhibidores competitivos desaparecerán y dejarán la enzima intacta.
Los inhibidores se clasifican como inhibidores no competitivos cuando se unen tanto a la enzima libre como al complejo ES. Dado que no compiten con los sustratos por el sitio activo, no pueden superarse simplemente aumentando la concentración de sustrato. Por lo general, se unen a un sitio diferente en la enzima y alteran la estructura tridimensional del sitio activo para bloquear la entrada o salida de sustratos de la enzima.
Los inhibidores irreversibles son similares a los inhibidores competitivos, ya que ambos se unen al sitio activo. Sin embargo, los inhibidores irreversibles forman enlaces covalentes irreversibles con los residuos de aminoácidos en el sitio activo y nunca se van. Por lo tanto, el sitio activo está ocupado y el sustrato no puede entrar. Ocasionalmente, el inhibidor se irá pero el sitio catalítico tiene una forma permanentemente alterada. Estos inhibidores suelen contener grupos electrofílicos como sustitutos de halógeno y epóxidos. A medida que pasa el tiempo, más y más enzimas se unen a inhibidores irreversibles y ya no pueden funcionar.
| Ejemplo | ¿Sitio activo de Binds? | ¿Reduce la tasa de reacción? | |
|---|---|---|---|
| Inhibidor reversible competitivo | Inhibidores de la proteasa del VIH | Sí. | Sí. |
| Inhibidor reversible no competitivo | Metales pesados como plomo y mercurio | No | Sí. |
| Inhibidor irreversible | Cyanide | Sí. | Sí. |
Ejemplos de inhibidores enzimáticos competitivos e irreversibles
Inhibidor competitivo: inhibidor de la proteasa del VIH
Los inhibidores de la proteasa del VIH se usan para tratar a los pacientes que tienen el virus del SIDA al prevenir su replicación del ADN. El virus utiliza la proteasa del VIH para dividir la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas más pequeñas que son responsables del ensamblaje, empaque y maduración del virión. Esta enzima se dirige al sitio de escisión de fenilalanina-prolina específico dentro de la proteína objetivo. Si se desactiva la proteasa del VIH, la partícula del virión perderá su función y no podrá infectar a los pacientes. Dado que es esencial en la replicación viral y está ausente en humanos sanos, es un objetivo ideal para el desarrollo de fármacos.
La proteasa del VIH pertenece a la familia de las proteasas aspárticas y tiene un mecanismo similar. En primer lugar, el residuo de aspartato activa una molécula de agua y la convierte en un nucleófilo. Luego ataca al grupo carbonilo dentro del enlace peptídico (NH-CO) para formar un intermedio tetraédrico. El átomo de nitrógeno dentro del intermedio recibe un protón, formando un grupo amida y el reordenamiento posterior conduce a la ruptura del enlace entre él y el intermedio y forma dos productos.
Los inhibidores suelen contener grupos hidroxietileno o hidroxietilamina no hidrolizables que imitan al intermedio tetraédrico. Dado que comparten una estructura y una disposición electrostática similares al estado de transición de los sustratos, aún pueden encajar en el sitio activo pero no pueden descomponerse, por lo que no puede ocurrir la hidrólisis.
Inhibidor no competitivo: Estricnina
La estricnina es una neurotoxina que provoca la muerte al afectar los nervios que controlan la contracción muscular y dificultan la respiración. El impulso se transmite entre la sinapsis a través de un neurotransmisor llamado acetilcolina. Se libera en la sinapsis entre las células nerviosas y se une a los receptores en la célula postsináptica. Luego se genera un potencial de acción y se transmite a través de la célula postsináptica para iniciar un nuevo ciclo.
La glicina puede inhibir la actividad de los receptores de neurotransmisores, por lo que se requiere una mayor cantidad de acetilcolinesterasa para desencadenar un potencial de acción. Esto asegura que la generación de impulsos nerviosos esté estrictamente controlada. Sin embargo, este control se descompone cuando se agrega estricnina. Inhibe los receptores de glicina (un canal de cloruro) y un nivel mucho más bajo de concentración de neurotransmisores puede desencadenar un potencial de acción. Los nervios ahora transmiten señales constantemente y provocan una contracción muscular excesiva, lo que lleva a la asfixia y la muerte.
Inhibidor irreversible: Fluorofosfato de diisopropilo
El fluorofosfato de diisopropilo (DIFP) es un inhibidor irreversible que bloquea la acción de la serina proteasa. Cuando se une a la enzima, se produce una reacción de sustitución nucleófila y libera una molécula de fluoruro de hidrógeno. El grupo OH en el sitio activo actúa como nucleófilo para atacar el fósforo en DIFP y formar un intermedio tetraédrico y liberar un protón. Luego, el enlace P-F se rompe, un electrón se transfiere al átomo de F y deja el intermedio como anión F−. Se combina con un protón en solución para formar una molécula de HF. Se formó un enlace covalente entre el sitio activo y DIFP, por lo que la cadena lateral de serina ya no está disponible para el sustrato.
En el descubrimiento de fármacos
La identificación de sitios activos es crucial en el proceso de descubrimiento de fármacos. La estructura tridimensional de la enzima se analiza para identificar los residuos del sitio activo y diseñar fármacos que puedan encajar en ellos. Las enzimas proteolíticas son dianas para algunos fármacos, como los inhibidores de la proteasa, que incluyen fármacos contra el SIDA y la hipertensión. Estos inhibidores de la proteasa se unen al sitio activo de una enzima y bloquean la interacción con los sustratos naturales. Un factor importante en el diseño de fármacos es la fuerza de unión entre el sitio activo y un inhibidor enzimático. Si la enzima que se encuentra en las bacterias es significativamente diferente de la enzima humana, se puede diseñar un inhibidor contra esa bacteria en particular sin dañar la enzima humana. Si un tipo de enzima solo está presente en un tipo de organismo, su inhibidor puede usarse para eliminarlos específicamente.
Los sitios activos se pueden mapear para ayudar al diseño de nuevos medicamentos, como los inhibidores de enzimas. Esto implica la descripción del tamaño de un sitio activo y el número y las propiedades de los subsitios, como los detalles de la interacción de unión. La tecnología de base de datos moderna llamada CPASS (Comparación de Estructuras de Sitios Activos de Proteínas), sin embargo, permite la comparación de sitios activos con más detalle y la búsqueda de similitudes estructurales usando software.
Aplicación de inhibidores enzimáticos
| Ejemplo | Mecanismo de acción | |
|---|---|---|
| Anti-bacterial agent | Penicilina | La pared celular bacteriana está compuesta por peptidoglycan. Durante el crecimiento bacteriano se rompe el actual cruce de fibra peptidoglycan, por lo que el nuevo monómero de pared celular se puede integrar en la pared celular. La penicilina funciona inhibiendo la transpeptidase que es esencial para la formación de los cruces, por lo que la pared celular se debilita y se abrirá debido a la presión de turgor. |
| Anti-fungi agent | Azole | El ergosterol es un esterol que forma la membrana de la superficie celular de los hongos. El azolo puede inhibir su biosíntesis al inhibir la lanosterol 14 alpha-demethylase, por lo que no se produce ergosterol nuevo y se acumula 14α-lanosterol dañino dentro de la célula. Además, el azol puede generar especies reactivas de oxígeno. |
| Anti-viral agent | Saquinavir | La proteasa del VIH es necesaria para blanquear la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas individuales para que puedan funcionar correctamente y comenzar el proceso de embalaje viral. Inhibidores de la proteasa del VIH como Saquinavir lo inhiben para que no se pueda hacer nueva partícula viral madura. |
| Insecticidas | Fisostigmina | En el sistema nervioso animal, la acetilcolinesterasa es necesaria para descomponer el acetilcolina neurotransmisor en acetato y cholina. La fitostigmina se une a su sitio activo y la inhibe, por lo que la señal de impulso no puede transmitirse a través de los nervios. Esto resulta en la muerte de insectos al perder el control de la función muscular y cardíaca. |
| Herbicidas | Cyclohexanedione | Cyclohexanedione se dirige a la carboxilasa de Acetyl-CoA que está involucrada en el primer paso de síntesis de grasa: Carboxilación dependiente de ATP de acetil-CoA a malonyl-CoA. Los lípidos son importantes para inventar la membrana celular. |
Sitios alostéricos
Un sitio alostérico es un sitio en una enzima, no relacionado con su sitio activo, que puede unirse a una molécula efectora. Esta interacción es otro mecanismo de regulación enzimática. La modificación alostérica generalmente ocurre en proteínas con más de una subunidad. Las interacciones alostéricas suelen estar presentes en las rutas metabólicas y son beneficiosas porque permiten que un paso de una reacción regule otro paso. Permiten que una enzima tenga una variedad de interacciones moleculares, además del sitio activo altamente específico.
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