Los factores que hacen que las enzimas sean altamente eficientes catalíticamente son los siguientes.
(1) Efecto de proximidad y orientación
Se refiere al cambio conformacional de la enzima inducido por el sustrato, que cuña el sustrato con el centro activo de la enzima. Para reacciones bimoleculares, los dos sustratos pueden concentrarse en el centro activo de la enzima, cerca uno del otro y con una determinada orientación. Esto aumenta en gran medida la concentración efectiva del sustrato en el sitio activo y la reacción intermolecular se convierte en una reacción intramolecular, aumentando así la velocidad de reacción.
(2) Los enlaces sensibles de las moléculas del sustrato se distorsionan y deforman.
La estructura del centro activo de la enzima es adaptable. Cuando un sustrato específico se une al centro activo, puede inducir cambios conformacionales en la molécula de la enzima, de modo que los grupos catalíticos y los grupos de unión en la enzima necesarios para la reacción se puedan organizar y posicionar correctamente, y el grupo catalítico se pueda ubicar apropiadamente. sobre el vínculo de acción, esta es la teoría del "ajuste inducido" mencionada anteriormente. Al mismo tiempo, las moléculas de enzima cambiantes "tensan" o incluso "deforman" los enlaces sensibles de las moléculas de sustrato, promoviendo así que el complejo enzima-sustrato entre en el estado de transición, reduciendo la energía de activación de la reacción y acelerando la reacción enzimática. De hecho, se trata de enzimas y sustratos.
El proceso dinámico de emparejamiento inducido por objetos. En la reacción paso a paso del sustrato, ciertos grupos en el centro activo de la enzima a menudo exhiben catálisis ácido-base y catálisis de valencia * * *.
(3) Catálisis ácido-base
La catálisis ácido-base se puede dividir en sentido estricto y amplio. Al principio, los químicos pensaban que los ácidos eran iones H y las bases eran iones OH-. La catálisis ácido-base en sentido estricto son iones H u OH.
-El efecto catalítico de los iones sobre la velocidad de las reacciones químicas. La catálisis ácido-base es un fenómeno común en las reacciones químicas orgánicas. Por ejemplo, las proteínas pueden hidrolizarse en aminoácidos bajo la acción de ácidos y álcalis, y las grasas pueden hidrolizarse en glicerol y ácidos grasos. Debido a que el ambiente intracelular es casi neutro, las concentraciones de iones H y OH son muy bajas. Por lo tanto, se producen reacciones enzimáticas en los organismos, H y OH.
-El efecto directo de los iones es más bien débil. Con el desarrollo de la ciencia y la profundización de los conceptos, posteriormente se definieron los ácidos como donantes de protones y las bases como aceptores de protones. La catálisis ácido-base actual se refiere al grupo polar que constituye el centro activo de una enzima y desempeña el papel de donante o aceptor de protones en el cambio de sustrato. Esta es una catálisis ácido-base en un sentido amplio. Muchos tipos de reacciones orgánicas que ocurren en las células están catalizadas ácido-base en un sentido amplio. A esta categoría pertenecen, por ejemplo, la hidratación de grupos carbonilo, la hidrólisis de ésteres de ácidos carboxílicos o de ésteres de fosfato, la transposición de diversas moléculas y muchas reacciones de sustitución. Los grupos funcionales en el centro activo de la enzima que pueden donar o aceptar protones para una amplia gama de catálisis ácido-base incluyen: grupos carboxilo en las cadenas laterales del ácido glutámico y ácido aspártico, grupos hidroxilo en la serina y tirosina, y sulfhidrilo. grupos de cisteína, el grupo amino de la cadena lateral de la lisina, el grupo guanidina de la arginina y el grupo imidazol de la histidina. El grupo imidazol de la histidina merece especial atención porque no sólo es un grupo nucleofílico fuerte sino también un grupo funcional ácido-base generalizado eficaz.
Hay dos factores que afectan a la velocidad de las reacciones catalíticas ácido-base. La primera es la fuerza del ácido y la base. Entre estos grupos funcionales, el grupo imidazol de la histidina tiene un valor de pK de 6,0 y puede servir como donador y aceptor de protones en condiciones de pH fisiológico. Por tanto, el grupo imidazol es el grupo funcional catalítico más eficaz y activo en catálisis; el segundo es la velocidad a la que estos grupos funcionales dan o aceptan protones. En particular, el grupo imidazol da o acepta protones muy rápidamente, con una vida media. de menos de 10-10 segundos. Además, la velocidad de dar o recibir protones es casi igual. Debido a que el grupo imidazol tiene tales ventajas, aunque el contenido de histidina en la mayoría de las proteínas es muy pequeño, es muy importante que los centros activos de muchas enzimas contengan histidina. Se especula que probablemente no exista como un componente proteico estructural general, sino como una estructura catalítica en moléculas de enzimas durante la evolución biológica. Las reacciones enzimáticas tienen las características de la catálisis ácido-base y el producto intermedio formado por la combinación de enzima y sustrato es un complejo iónico.
(4) * * *Catálisis de valencia
También existen algunas enzimas que aumentan la velocidad de las reacciones catalíticas de otra forma, es decir, * * *catálisis de valencia. Se refiere al grupo polar en el centro activo de una enzima. En el proceso de catalizar la reacción del sustrato, primero se combina con el sustrato con un enlace de valencia * * * para generar un producto intermedio con * * * alta actividad. Este producto intermedio se transforma fácilmente en el producto final, por lo que la energía de activación necesaria para la reacción se reduce considerablemente y la velocidad de reacción se acelera significativamente. Dependiendo de cómo el grupo polar del centro activo ataca al sustrato, la catálisis de valencia se puede dividir en electrocatálisis y catálisis nucleofílica. Más comúnmente, un grupo nucleofílico en el centro activo ataca al sustrato. Los grupos nucleofílicos contienen pares de electrones libres que atacan a los átomos de carbono positivos deficientes en electrones en el sustrato en reacciones enzimáticas. La catálisis debida al ataque nucleofílico de un sustrato por un grupo nucleofílico se denomina catálisis nucleófila. Los grupos nucleofílicos en el centro activo incluyen: grupo hidroxilo de serina, grupo sulfhidrilo de cisteína, grupo imidazol de histidina, etc. Además, las coenzimas contienen otros centros nucleofílicos. Algunas enzimas con tiamina como coenzima, como la piruvato descarboxilasa, algunas enzimas lipolíticas con coenzima A como coenzima, papaína con grupo sulfhidrilo y enzimas proteolíticas con serina como grupo catalítico, todas tienen un mecanismo de catálisis nucleófila. Asimismo, la catálisis electrófila es el efecto catalítico provocado por el ataque de grupos electrófilos sobre sustratos electrófilos. Los grupos electrofílicos comunes incluyen NH3, Mg2, Mn2, Fe2, etc.
(V) Microambiente de bajo dieléctrico del centro activo
Las cadenas laterales hidrofóbicas en las moléculas de enzima generalmente constituyen una región hidrofóbica no polar dentro de la molécula, mientras que la superficie está compuesta de compuestos hidrofílicos. Una región polar hidrófila compuesta de grupos. Esto significa que existen diferentes microambientes en las moléculas de enzima.
El centro activo de la enzima es relativamente apolar, pero la constante dieléctrica es baja en la región hidrofóbica no polar. Por lo tanto, el grupo catalítico de la enzima está rodeado por un entorno poco dieléctrico y, en algunos casos, quedan excluidas las moléculas de agua altamente polares. De esta forma, se generará una gran fuerza de reacción entre los enlaces sensibles de las moléculas del sustrato y el grupo catalítico de la enzima, lo que ayudará a acelerar la reacción enzimática. Esta propiedad del centro activo de la enzima también es una razón por la cual aumenta la velocidad catalítica general de algunas enzimas.
Arriba se presentan varios factores que permiten que las enzimas tengan una alta eficiencia catalítica. De hecho, no actúan sobre todas las enzimas al mismo tiempo. Lo más probable es que los factores que desempeñan un papel importante en las diferentes enzimas no sean exactamente los mismos. Cada una tiene sus propias características y puede verse afectada por uno o varios factores. En otras palabras, los mecanismos de acción de varias enzimas no son los mismos. Lo mismo. No es lo mismo. En la actualidad, la investigación sobre quimotripsina, lisozima y carboxipeptidasa A es relativamente profunda. Aquí tomamos la quimotripsina como ejemplo para presentar en detalle los resultados de la investigación en esta área, a fin de comprender en detalle el mecanismo de acción de la quimotripsina.
La quimotripsina es una enzima proteolítica sintetizada en el páncreas. Sintetizado en el páncreas como zimógeno, es una cadena polipeptídica única compuesta por 245 residuos de aminoácidos y entrecruzada por 5 enlaces disulfuro. Los zimógenos son precursores inactivos de las enzimas. El quimotripsinógeno se almacena en la membrana lipoproteica del páncreas junto con otros zimógenos, incluidos el tripsinógeno, el carboxipeptido y la elastasa. Cuando son necesarios para la digestión, se secretan en el duodeno, donde se activan y se convierten en proteasas activas.
El centro activo de la quimotripsina está formado por Asp102, His57 y Ser195. Ser195 es el sitio de unión al sustrato del centro activo de la enzima y His57 es el sitio catalítico del centro activo. Asp102, His57 y Ser195 forman un sistema de enlaces de hidrógeno. En la mayoría de los casos, Asp102 existe en forma ionizada (COO) y Ser195 existe en forma no ionizada (CH2OH). Debido a la particularidad del grupo imidazol His57, no solo es un grupo nucleofílico fuerte, sino también un grupo funcional ácido-base generalizado efectivo, convirtiéndose así en un puente entre el grupo carboxilo Asp102 y el grupo hidroxilo Ser195, como se muestra en la Figura 4. -16. Debido a la influencia de His57 y Asp102, Ser195 se convierte en un grupo nucleofílico fuerte y puede donar electrones fácilmente. Al igual que en una carrera de relevos, cuando Asp102 atrae un protón, el protón pasa primero de Ser195 a His57, y luego de His57 a Asp65438.
Al sistema de equilibrio establecido a través de enlaces de hidrógeno entre Asp102 e His57, y entre His57 y Ser195 en el centro activo de la quimotripsina, lo llamamos red de retransmisión de carga (carga).
Red de retransmisión).
La quimotripsina cataliza la hidrólisis de proteínas en el intestino delgado de los animales. Tiene especificidad de grupo e hidroliza los aminoácidos aromáticos, como la fenilalanina, la tirosina y los enlaces peptídicos formados. en el extremo carboxilo del triptófano. El sustrato catalizado por esta enzima es un péptido que contiene un enlace amida y H2O, y los productos son aminas y ácidos. Todo el proceso catalítico se divide en dos etapas, como se muestra en la Figura 4-17.
La primera etapa, la etapa de acilación de la reacción de hidrólisis, produce el primer producto amina.
La hidrólisis del enlace peptídico comienza con el ataque nucleofílico del átomo de oxígeno de Ser195 sobre el átomo de carbono carbonilo del enlace peptídico sensible al sustrato. Como resultado, se forma una tétrada inestable, que es equivalente al producto intermedio ES, como se muestra en la Figura 4-17 (2). Incluye el grupo hidroxilo de Ser195, el grupo acilo del sustrato, el grupo amino del sustrato y el grupo imidazol de His57, que pueden transferirse fácilmente a través de un sistema de transferencia de carga. El estado de transición enzima-sustrato se descompone rápidamente y el enlace peptídico sensible C-N se rompe, produciendo el primer producto intermedio amina y acil-enzima. El componente ácido en el sustrato está conectado al grupo hidroxilo de Ser195, como se muestra en la Figura 4-17 ③ y ④. La segunda etapa: la etapa de desacilación de la reacción de hidrólisis. La amina se libera del sustrato para formar quimotripsina acilada, un complejo intermedio enzima-sustrato. Luego, la molécula de agua ingresa al centro activo y el sistema de transferencia de carga absorbe un protón del agua, produciendo OH.
-Inmediatamente ataca nucleófilamente al átomo de carbono acilo del sustrato unido a Ser195, formando también una tétrada transitoria, como se muestra en la Figura 4-17⑤. Luego, el enlace CO de Ser195 se escinde para producir el segundo producto ácido. En este momento, la enzima vuelve al estado libre y luego entra en la siguiente ronda de catálisis. Además de la quimotripsina, las enzimas con sistemas de transferencia de carga de "aspartato, histidina y serina" en catálisis incluyen tripsina, elastasa y subtilisina, que pueden tener mecanismos catalíticos similares. En la reacción catalizada por quimotripsina anterior, el grupo histidina imidazol desempeña el papel de un catalizador ácido-base generalizado. Primero promueve la unión nucleofílica del grupo hidroxilo de Ser195 al átomo de carbono carbonilo del enlace peptídico sensible al sustrato, formando un *. *cuerpo intermedio de acilación valente, y luego promueve la transferencia del grupo acilo en el intermedio es acilado al agua (u otros aceptores de acilo como alcoholes y aminoácidos). A través de este sistema de transferencia de carga, se lleva a cabo la catálisis ácido-base y la formación de ** intermedios valerosos, y la velocidad catalítica aumenta aproximadamente 103 veces en comparación con las reacciones de hidrólisis no enzimáticas.
Principales referencias
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