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Mecanismo de acción.

 

La catálisis enzimática de las reacciones es esencial para los sistemas vivos. En condiciones biológicamente significativas, las reacciones sin catalizar tienden a ser lentas. La mayoría de moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso presente en el interior de las células. Muchas reacciones comunes de la bioquímica suponen situaciones químicas que son desfavorables o poco probables en el ambiente celular, tales como la formación transitoria de intermedios cargados inestables o la colisión de dos o más moléculas con la orientación precisa requerida para la reacción. Sencillamente, las reacciones necesarias para digerir los alimentos, enviar señales nerviosas o contraer el músculo no se dan a una velocidad útil sin catálisis.

Un enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente dentro del cual una reacción determinada es, energéticamente, más favorable. El rasgo distintivo de una reacción catalizada enzimática es que tiene lugar dentro de los confines de una bolsa del enzima denominada sitio activo. La molécula fijada en el sitio activo y sobre la que actúa el enzima se denomina sustrato. El complejo enzima-sustrato es de importancia central en la acción de los enzimas y es el punto de partida de los tratamientos matemáticos que definen el comportamiento cinético de las reacciones catalizadas por enzímas así como las descripciones teóricas de los mecanismos enzimáticos.

Mecanismo catalítico de las serin proteinasas

Las serin proteinasas presentan un mecanismo catalítico bien conocido, compartido por otras enzimas no necesariamente proteolíticas. Este mecanismo consiste en una fase de acilación en la que se forma un intermediario covalente acil-enzima, con liberación del primer producto, y una fase de desacilación en la que una molécula de agua rompe el intermediario con liberación del segundo producto. Todas estas enzimas tienen un centro activo formado por tres aminoácidos absolutamente conservados, Serina, Histidina y Aspartato, conjunto que recibe el nombre de tríada catalítica.

Al centro activo de la enzima se une el substrato. En este caso, se representa como substrato un cromógeno muy utilizado en los ensayos de quimotripsina, la N-succinil-L-fenilalanina 4-nitroanilida.

Se trata de un aminoácido aromático (Phe) N-sustituído (lo que remeda el resto de la cadena polipeptídica hacia el N-término) unido por enlace amida a 4-nitroanilina. Este último enlace es el susceptible al ataque por quimotripsina, lo que libera el cromógeno (4-nitroanilina) de forma que la reacción puede seguirse fácilmente por fotometría.

La unión da lugar al complejo enzima-substrato. La especificidad se logra dado que el anillo aromático de la fenilalanina va a ocupar un sitio específico sobre la superficie de la enzima (no representado).

La acción catalítica comienza cuando His 57 retira un protón del grupo alcohólico 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 imidazolio.

El enolato es un nucleófilo potente que va a atacar al grupo carbonilo (C=O) del enlace escindible, dando lugar al Estado de transición 1 (fase de acilación) en el que se observa un intermediario tetraédrico (así llamado porque el carbono sp2 del grupo carbonilo del enlace escindible se convierte transitoriamente en un carbono sp3, tetraédrico).

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

Tras la retirada del primer producto, el complejo Acilenzima queda listo para comenzar la segunda fase de la reacción.

Ésta tiene lugar por la entrada de una molécula de agua (el segundo substrato) al centro activo, dando lugar al Complejo Acilenzima - H2O

La histidina 57 retira entonces un protón de la molécula de agua, que queda convertida en un ion hidroxilo (OH-); el conjunto Acilenzima, imidazolio e hidroxilo que se forma es análogo al conjunto substrato, imidazolio y enolato que veíamos en la fase de acilación.

El ion hidroxilo es un nucleófilo que ataca al acilenzima dando lugar al Estado de transición 2 (fase de desacilación) en el que nuevamente vemos que el grupo carbonilo del enlace escindible pasa transitoriamente a ser sp3, de geometría tetraédrica.

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

Por último, el grupo imidazolio de la histidina cede su protón al enolato de la serina, con lo cual tiene lugar la vuelta al estado inicial.

El papel del aspartato, según se cree, es la estabilización del imidazolio de la histidina.