En biología, 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 transitorios con el sustrato ( sitio de unión ) y residuos que catalizan la reacción de ese sustrato (sitio catalítico). Aunque el sitio activo solo ocupa ~10-20% del volumen de la enzima [1] :19 , es la parte más importante ya que cataliza directamente la reacción química . Por lo general, el sitio activo consta de tres a cuatro aminoácidos ., mientras que otros aminoácidos en una proteína son esenciales para mantener su estructura terciaria [2] .
Cada sitio activo ha evolucionado para optimizar la unión a un sustrato específico y catalizar una reacción específica, lo que da como resultado una alta especificidad enzimática. Esta especificidad está determinada por la disposición de los aminoácidos en el sitio activo y la estructura de los sustratos. A veces, las enzimas también necesitan unirse a ciertos cofactores para realizar su función. El sitio activo suele ser un surco o bolsillo en la enzima, que puede ubicarse en un túnel profundo dentro de la enzima [3] o en los límites interfaciales en enzimas multiméricas . El sitio activo puede volver a catalizar la reacción porque sus residuos de aminoácidos no cambian al final de la reacción (pueden cambiar durante la reacción, pero se regeneran hacia su final) [4] . Este proceso se logra al disminuir la energía de activación de la reacción, por lo que más sustratos tienen suficiente energía para llevar a cabo la reacción.
Por lo general, una molécula de enzima tiene solo dos sitios activos y estos sitios activos corresponden a un tipo particular de sustrato. El 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, una enzima aún puede funcionar correctamente incluso si todas las demás partes han mutado y perdido su función [5] .
Inicialmente, la interacción entre el sitio activo y el sustrato es no covalente y temporal. Hay cuatro tipos importantes de interacciones que mantienen el sustrato en una orientación específica y forman un complejo enzima-sustrato (complejo ES): enlaces de hidrógeno , interacciones de van der Waals , interacciones hidrofóbicas e interacciones de fuerza electrostática [6] :148 . 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 neutralizarse. De lo contrario, la fuerza de repulsión los separará. El sitio activo suele contener aminoácidos no polares, aunque a veces también se pueden encontrar aminoácidos polares [2] . La unión de un sustrato a un 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 del ion hidruro del etanol al NAD +, interactúa con el sustrato grupo metilo, grupo hidroxilo y pro- (R) hidrógeno, que se eliminarán durante la reacción [6] :149 .
Para realizar su función, las enzimas deben adoptar el pliegue proteico correcto ( pliegue nativo ) y la estructura terciaria. Para mantener una estructura tridimensional dada, las proteínas dependen de varios tipos de interacciones entre sus residuos de aminoácidos. Si se evitan estas interacciones, por ejemplo, con valores de pH extremos, altas temperaturas o altas concentraciones de iones, la enzima se desnaturalizará y perderá su actividad catalítica.
Se cree que una conexión más estrecha entre el sitio activo y la molécula de sustrato aumenta la eficiencia de la reacción. Si la densidad entre el sitio activo de la ADN polimerasa y su sustrato aumenta, la fidelidad, es decir, la tasa de replicación correcta del ADN, también aumenta [7] . La mayoría de las enzimas tienen sitios activos profundamente arraigados a los que el sustrato solo puede acceder a través de canales de acceso [3] .
Se proponen tres modelos de cómo las enzimas se ajustan a su sustrato particular: 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 acompañada de un cambio en la forma de la enzima. Además, es posible que la proteína no se ajuste completamente a ninguno de los modelos. Los aminoácidos en el sitio de unión de la ubiquitina generalmente siguen un patrón de ajuste inducido, mientras que el resto de la proteína generalmente sigue un patrón de selección conformacional. Es probable que factores como la temperatura influyan en la ruta tomada durante la unión, y se prevé que las temperaturas más altas aumenten la importancia de la selección conformacional y disminuyan la importancia del ajuste inducido [8] .
El concepto fue propuesto por el químico del siglo XIX Emil Fischer . Sugirió que el sitio activo y el sustrato son dos estructuras estables que encajan perfectamente sin más modificaciones, al igual que se inserta una llave 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 tiempo, las limitaciones de este modelo comenzaron a mostrarse. Por ejemplo, el inhibidor competitivo de la enzima metilglucósido puede unirse fuertemente al sitio activo de la 4-alfa-glucanotransferasa y encajar perfectamente en él. Sin embargo, la 4-alfa-glucanotransferasa no es activa sobre el glucósido de metilo y no se produce transferencia de glucosilo. La hipótesis de la cerradura y la llave no puede explicar esto, ya que predice una alta eficiencia de transferencia de glicosilo de metilglucósido debido a su fuerte unión. Además de la inhibición competitiva, esta teoría no puede explicar el mecanismo de acción de los inhibidores no competitivos, ya que no se unen al sitio activo, pero sin embargo afectan la actividad catalítica [9] .
La teoría de Daniel Koshland sobre la unión enzima-sustrato es que el sitio activo y la porción de unión del sustrato no son del todo complementarios [10] . El modelo de ajuste inducido es una evolución del modelo de cerradura y llave y supone que el sitio activo es flexible y cambia de forma hasta que el sustrato se adhiere por completo. Este modelo es similar a una persona que se pone un guante: el guante cambia de forma para adaptarse a la mano. Una enzima inicialmente tiene una conformación que atrae a su sustrato. La superficie de una enzima es flexible y solo el catalizador correcto puede causar la interacción que conduce a la catálisis. A medida que el sustrato se une, pueden ocurrir cambios conformacionales. Después de que los productos de la reacción se alejen de la enzima, el centro activo volverá a su forma original. Esta hipótesis está respaldada por la observación de que todo el dominio de la proteína puede moverse varios nanómetros durante la catálisis. El movimiento de la superficie de la proteína puede crear un microambiente que promueva la catálisis [5] .
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 una proteína, el equilibrio en el conjunto conformacional se desplaza hacia aquellos que son capaces de unir ligandos (ya que las enzimas con sustratos unidos se eliminan del equilibrio entre conformaciones libres) [11] .
Interacción electrostática : en un ambiente acuoso, los grupos con cargas opuestas en las cadenas laterales de los aminoácidos en el 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 + , el COO- atraerá grupos con carga positiva, como la cadena lateral de guanidina protonada de la arginina .
Enlace de hidrógeno : un enlace de hidrógeno es un tipo especial 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 de un 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 temporal desigual de electrones en cada grupo. Si todos los electrones están concentrados en un polo del grupo, este extremo será negativo y el otro positivo. Aunque la fuerza individual del grupo es pequeña, el número total de estas interacciones entre el sitio activo y el sustrato es grande, por lo que su suma puede ser significativa.
Interacción hidrofóbica : los grupos hidrofóbicos no polares tienden a agregarse en un ambiente acuoso e intentan escapar de un solvente polar. Estos grupos hidrófobos suelen tener una cadena de carbono larga y no reaccionan con las moléculas de agua. Cuando se disuelve en agua, la molécula de proteína se pliega en forma esférica, dejando los grupos hidrófilos en el exterior, mientras que los grupos hidrófobos se hunden profundamente en el centro.
Después de la unión del sustrato al sitio activo y su orientación, puede comenzar la catálisis. Los residuos de aminoácidos del sitio catalítico suelen estar muy cerca del sitio de unión y algunos residuos pueden desempeñar un papel doble tanto en la unión como en la catálisis. Interactúan con el sustrato para reducir la energía de activación de la reacción y, por lo tanto, acelerar su curso. La reducción en la energía de activación puede ocurrir a través de una variedad de mecanismos que incluyen: acercamiento de los reactivos, catálisis nucleofílica/electrofílica y catálisis ácido-base.
Durante una reacción catalítica enzimática, el sustrato y el sitio activo están muy cerca. Este enfoque tiene diferentes objetivos. Primero, cuando los sustratos se unen dentro del sitio activo, su concentración efectiva es mucho mayor que en solución. Esto significa que el número de moléculas de sustrato involucradas en la reacción también aumenta. Este proceso también reduce la energía de desolvatación necesaria para que se produzca la reacción. En solución, las moléculas de sustrato están rodeadas por moléculas de solvente y las moléculas de enzima requieren energía para reemplazarlas y ponerse en contacto con el sustrato. Dado que las moléculas voluminosas pueden excluirse del sitio activo, esta producción de energía puede minimizarse. Además, el sitio activo está involucrado en la reorientación del sustrato para reducir la energía de activación de 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 los costos de energía asociados con la reacción en solución se eliminan en gran medida, ya que el solvente no puede ingresar al sitio activo. Finalmente, el sitio activo puede manipular el orbital molecular del sustrato en una orientación adecuada para reducir la energía de activación [6] :155–8 .
Los estados electrostáticos del sustrato y del centro activo deben complementarse. La cadena lateral polarizada de aminoácidos cargados negativamente repele el sustrato sin carga. Pero si el estado de transición involucra la formación de un centro iónico , entonces la cadena lateral producirá una interacción favorable.
Muchas enzimas, incluidas la serina proteasa , la cisteína proteasa , la proteína quinasa y la fosfatasa, han evolucionado para formar enlaces covalentes transitorios entre ellas y sus sustratos, lo que reduce la energía de activación y permite que la reacción continúe. Este proceso se puede dividir en 2 etapas: formación y destrucción. El primer paso es el paso limitante de la velocidad, mientras que el siguiente paso es necesario para la regeneración de la enzima intacta [6] :158 .
Catálisis nucleófila
Este proceso implica la transferencia de electrones desde el nucleófilo de la enzima al 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 capacidad del electrófilo para aceptarlos. El primero depende principalmente de la basicidad (capacidad de donar pares de electrones) de la especie, y el segundo de su pKa . Ambos grupos también se ven afectados por sus propiedades químicas, como la polarizabilidad , la electronegatividad y el potencial de ionización . Aminoácidos capaces de formar reactivos nucleófilos: serina , cisteína , aspartato y glutamina .
Catálisis electrofílica
El mecanismo subyacente a este proceso es exactamente el mismo que el de la catálisis nucleófila, excepto que ahora los aminoácidos en el sitio activo actúan como electrófilos y los sustratos actúan como nucleófilos . Esta reacción generalmente requiere cofactores porque las cadenas laterales de aminoácidos no son lo suficientemente fuertes para atraer electrones.
Los iones metálicos juegan varios papeles durante una reacción. Primero, pueden unirse a los grupos cargados negativamente del sustrato, por lo que no repelerán los pares de electrones de los grupos nucleofílicos del sitio activo. Pueden atraer electrones cargados negativamente para aumentar la electrofilia. Los iones metálicos también pueden servir como puente entre el sitio activo y el sustrato. Finalmente, pueden cambiar la estructura conformacional del sustrato a favor de la reacción [6] :158 .
En algunas reacciones , los protones y el hidróxido pueden actuar directamente como ácido y base en catálisis ácida específica y alcalina específica. Pero más a menudo los grupos en el sustrato y el sitio activo actúan como un ácido y una base de Brønsted-Lowry. Esto se llama la teoría general del ácido y la teoría general de las bases. La forma más fácil de distinguirlos es ver si la velocidad de reacción está determinada por las concentraciones del ácido y la base totales. Si es así, entonces la respuesta es general. Debido a que la mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo de 6 a 7, los aminoácidos en la cadena lateral típicamente tienen 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 [6] :164–70 .
Los estudios cuantitativos de las reacciones enzimáticas a menudo han encontrado que la aceleración de la velocidad de una reacción química no puede explicarse por completo mediante las teorías existentes, como la aproximación, la catálisis ácido-base y la catálisis electrofílica/nucleofílica. Y aquí surge una paradoja evidente: en una reacción enzimática reversible, si el sitio activo es ideal para los sustratos, la reacción inversa se ralentizará, ya que los productos no encajarán perfectamente en el sitio activo. Por lo tanto, se introdujo el concepto de "distorsión conformacional" y se argumenta que tanto el sitio activo como el sustrato pueden sufrir cambios conformacionales para conformarse entre sí todo el tiempo [6] :170–5 .
Esta teoría es algo similar a la teoría de la cerradura y la llave, pero en ella el sitio activo está preprogramado para unirse perfectamente al sustrato en el estado de transición en lugar del estado fundamental. La formación de un estado de transición en solución requiere mucha energía para mover las moléculas del solvente y la reacción se ralentiza. Por lo tanto, el sitio activo puede desplazar moléculas de solvente y rodear sustratos para minimizar el efecto contraproducente causado por la solución. La presencia de grupos cargados en el sitio activo atraerá sustratos y proporcionará complementariedad electrostática [6] :176–8 .
De hecho, la mayoría de los mecanismos enzimáticos involucran una combinación de varios tipos diferentes de catálisis.
El papel 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 unen mediante un enlace disulfuro para formar un dímero (GSSG). Para regenerar el glutatión, es necesario 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. Se requiere un NADP y un FAD como cofactores . El sitio activo está en la unión entre dos subunidades. NADPH participa en la generación de FADH- . Hay dos residuos de cisteína en el sitio activo además del cofactor FAD, que se utilizan para romper el enlace disulfuro durante la reacción catalítica. NADPH se une a 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, convirtiéndose en FADH- . Luego ataca el enlace disulfuro entre los 2 residuos de cisteína, formando un enlace SH y un grupo S. Este grupo S actuará como 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 del primer monómero de glutatión. Luego , 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 un segundo monómero de glutatión [1] :137–9 .
La quimotripsina es una serina endopeptidasa presente en el jugo pancreático que ayuda en la hidrólisis de proteínas y péptidos [1] :84–6 . Cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos en los isómeros L 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 acción 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 oxianión tetraédrico intermedio formado en esta etapa se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno de Ser-195 y Gly-193.
En el segundo paso, el grupo R'NH es protonado por His-57 para formar R'NH 2 y deja un intermedio, dejando el Ser-195 acilado. His-57 vuelve a actuar como base para eliminar un protón de la molécula de agua. El anión hidróxido resultante ataca nucleofílicamente al complejo acil-enzima para formar un segundo intermedio de oxianión tetraédrico, que nuevamente se estabiliza mediante enlaces H. Eventualmente, Ser-195 abandona el intermedio tetraédrico, rompiendo el enlace CO que unía la enzima al sustrato peptídico. El protón se transfiere a Ser-195 a través de His-57 para que los tres aminoácidos vuelvan a su estado original.
El desprendimiento del sustrato está influenciado por varios factores. Los ligandos más grandes tienden a permanecer más tiempo en el sitio activo [12] al igual que los ligandos con enlaces más giratorios (aunque esto puede ser un efecto secundario del tamaño) [13] . Cuando se elimina el disolvente del sitio activo, las proteínas menos "flexibles" permanecen más tiempo en el sitio activo. Una gran cantidad de enlaces de hidrógeno protegidos del solvente también ralentizan la escisión [12] .
Las enzimas pueden utilizar cofactores como "moléculas auxiliares". Las coenzimas se refieren a aquellas moléculas no proteicas que se unen a las enzimas para ayudarlas a hacer su trabajo. Se unen principalmente al sitio activo por 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 está unido a una proteína a través de un enlace tioéter . En algunos casos, las coenzimas pueden dejar atrás las enzimas después de que se completa la reacción. De lo contrario, se asocian permanentemente con la enzima [6] :69 . La coenzima es un concepto amplio que incluye iones metálicos, varias vitaminas y ATP . Si una enzima necesita una coenzima para funcionar por sí sola, se llama apoenzima. De hecho, no puede catalizar adecuadamente las reacciones por sí solo. Solo cuando su cofactor ingresa y se une al sitio activo para formar una holoenzima, funciona correctamente.
Un ejemplo de una coenzima es la flavina . Contiene un sistema de anillo de isoaloxazina conjugado separado. Flavin tiene varios 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, aceptar dos electrones y formar 1,5-dihidroflavina. Por otro lado, puede formar semiquinona ( un radical libre ) al aceptar un electrón y luego convertirse a la forma completamente reducida al agregar un electrón adicional. Esta propiedad le permite ser utilizado en el proceso de oxidación de un electrón.
Los inhibidores interrumpen la interacción entre la enzima y el sustrato, lo que ralentiza la velocidad de la reacción. Existen diferentes tipos de inhibidores, incluidas formas tanto reversibles como irreversibles.
Los inhibidores competitivos son inhibidores que se dirigen solo a moléculas de enzimas libres. Compiten con los sustratos por un aceptor de enzima libre y su influencia puede superarse aumentando la concentración del sustrato. Tienen dos mecanismos de acción. Los inhibidores competitivos suelen compartir similitudes estructurales con los sustratos y/o el complejo ES. Como resultado, pueden encajar en el sitio activo e iniciar interacciones para llenar el espacio de la enzima y bloquear la entrada de sustratos. También pueden causar cambios conformacionales temporales en el sitio activo, de modo que los sustratos no puedan encajar perfectamente con él. Después de un corto período de tiempo, los inhibidores competitivos se caerán y dejarán la enzima intacta.
Los inhibidores se clasifican como inhibidores no competitivos si 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 del sustrato. Por lo general, se unen a otro sitio de la enzima y cambian 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 en que ambos se unen al sitio activo. Sin embargo, los inhibidores irreversibles forman enlaces covalentes irreversibles con residuos de aminoácidos en el sitio activo y nunca desaparecen. Por lo tanto, el sitio activo está ocupado y el sustrato no puede penetrar. A veces, el inhibidor se va, pero la forma del centro catalítico permanece cambiada. Estos inhibidores suelen contener grupos electrofílicos como sustitutos de halógeno y epóxidos . Con el tiempo, más y más enzimas se unen a inhibidores irreversibles y dejan de funcionar.
| Ejemplo | Se une al centro activo? | ¿Frena la reacción? | |
|---|---|---|---|
| Inhibidor reversible competitivo | Inhibidores de la proteasa del VIH | Sí | Sí |
| Inhibidor reversible no competitivo | Metales pesados como el plomo y el mercurio. | No | Sí |
| inhibidor irreversible | Cianuro | Sí | Sí |
Los inhibidores de la proteasa del VIH se usan para tratar a los pacientes infectados con el virus del SIDA evitando que su ADN se replique . El virus utiliza la proteasa del VIH para dividir la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas más pequeñas que son responsables del ensamblaje, empaquetamiento y maduración del virión. Esta enzima se dirige a un sitio específico de escisión de fenilalanina y prolina en la proteína diana [14] . Si se desactiva la proteasa del VIH, la partícula del virión perderá su función y no podrá infectar a los pacientes. Debido a que es esencial para la replicación viral y está ausente en individuos 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. Primero, el residuo de aspartato activa la 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 en el intermedio recibe un protón, formando un grupo amida, y el reordenamiento posterior rompe el enlace entre él y el intermedio y forma dos productos [15] .
Los inhibidores normalmente contienen grupos hidroxietileno o hidroxietilamina no hidrolizables, que imitan al intermedio tetraédrico. Debido a que tienen una estructura y disposición electrostática similar al estado de transición de los sustratos, aún pueden encajar en el sitio activo, pero no pueden destruirse, por lo que no puede ocurrir la hidrólisis.
La estricnina es una neurotoxina que causa la muerte al afectar los nervios que controlan la contracción muscular y causar dificultades para respirar. El impulso se transmite entre las sinapsis a través de un neurotransmisor llamado acetilcolina . Entra en la sinapsis entre las células nerviosas y se une a los receptores de 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 más acetilcolinesterasa para desencadenar un potencial de acción. Esto asegura que la generación de impulsos nerviosos esté estrictamente controlada. Sin embargo, este control se viola cuando se agrega estricnina. Inhibe los receptores de glicina ( canal de cloruro ) y una concentración mucho más baja del neurotransmisor 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 [16] .
El diisopropilfluorofosfato (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 , liberando una molécula de fluoruro de hidrógeno. El grupo OH en el sitio activo actúa como nucleófilo, atacando el fósforo en DIFP, formando un intermedio tetraédrico y liberando un protón. Luego, el enlace PF se rompe, un electrón se transfiere al átomo de F y deja el compuesto intermedio en forma de anión F-. Se combina con un protón en solución para formar una molécula de HF. Se forma un enlace covalente entre el sitio activo y el DIFP, por lo que la cadena lateral de serina ya no está disponible para el sustrato [17] .
La identificación de sitios activos es fundamental en el proceso de descubrimiento de fármacos. La estructura tridimensional de la enzima se analiza para determinar los residuos de aminoácidos del sitio activo y desarrollar fármacos que puedan encajar en ellos. Las enzimas proteolíticas son objetivos de algunos fármacos, como los inhibidores de la proteasa, que incluyen fármacos para el SIDA y la hipertensión [18] . Estos inhibidores de la proteasa se unen al sitio activo de la enzima y bloquean la interacción con los sustratos naturales [19] . Un factor importante en el desarrollo de fármacos es la fuerza de la unión entre el sitio activo y el inhibidor enzimático [20] . Si la enzima que se encuentra en la bacteria es significativamente diferente de la enzima humana, entonces es posible desarrollar un inhibidor contra esa bacteria en particular sin dañar la enzima humana. Si un tipo de enzima está presente en un solo tipo de organismo, su inhibidor puede usarse para matarlos.
Los sitios activos se pueden mapear para ayudar a desarrollar nuevos medicamentos como los inhibidores de enzimas. Esto incluye una descripción del tamaño del sitio activo, el número y las propiedades de los subsitios, como los detalles de la interacción vinculante [18] . Sin embargo, la tecnología de base de datos moderna llamada CPASS (Comparación de estructuras de sitios activos de proteínas) permite una comparación más detallada de sitios activos y encontrar similitudes estructurales usando software [21] .
| Ejemplo | Mecanismo de acción | |
|---|---|---|
| agente antibacteriano | Penicilina | La pared celular bacteriana está compuesta de peptidoglicano . Durante el crecimiento bacteriano, el entrecruzamiento existente de la fibra de peptidoglicano se interrumpe para que el nuevo monómero de la pared celular pueda integrarse en la pared celular. La penicilina actúa inhibiendo la transpeptidasa, que es necesaria para el entrecruzamiento, por lo que la pared celular se debilita y se rompe debido a la presión de la turgencia . |
| agente antimicótico | azol | El ergosterol es un esterol que forma la membrana superficial de los hongos . El azol puede suprimir su biosíntesis al inhibir la lanosterol-14-alfa-desmetilasa, por lo que no se produce nuevo ergosterol y el dañino 14-alfa-lanosterol se acumula en la célula. Además, el azol puede generar especies reactivas de oxígeno . |
| agente antiviral | Saquinavir | Se requiere la proteasa del VIH para dividir la poliproteína Gag-Pol en 3 proteínas separadas para que puedan funcionar correctamente y comenzar el proceso de empaquetamiento del virus. Los inhibidores de la proteasa del VIH, como el saquinavir, lo inhiben de modo que no se puede recolectar una nueva partícula viral madura. |
| Insecticidas | fisostigmina | En el sistema nervioso animal , se requiere acetilcolinesterasa para descomponer el neurotransmisor acetilcolina en acetato y colina . La fisostigmina se une a su sitio activo y lo suprime, por lo que la señal de impulso no puede transmitirse a lo largo de los nervios. Esto conduce a la muerte de los insectos, ya que pierden el control sobre el trabajo de los músculos y el corazón. |
| herbicidas | ciclohexanodiona | La ciclohexanodiona se dirige a la acetil-CoA carboxilasa, que participa en el primer paso de la síntesis de grasas: la carboxilación de acetil-CoA a malonil-CoA dependiente de ATP. Los lípidos juegan un papel importante en la composición de la membrana celular. |
Un sitio alostérico es un sitio en una enzima, no asociado 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 vías metabólicas y son útiles porque permiten que un paso de reacción regule otro paso [19] . Permiten que la enzima tenga una serie de interacciones moleculares adicionales además del sitio activo altamente específico [19] .
| Enzimas | |
|---|---|
| Actividad | |
| Regulación | |
| Clasificación | |
| Tipos |
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