Hablando de Enzimas
El metabolismo de todos los seres vivos está sustentado por una extensa red de enzimas que son
capaces de llevar a cabo las reacciones químicas necesarias de síntesis y degradación de las moléculas
para el correcto funcionamiento de las células. Durante millones de años, estas enzimas se han ido
especializando para llevar a cabo, de manera cada vez más eficiente, alguna reacción química en
particular. La optimización de la reacción catalítica no está orientada a ser más rápida o específica
cada vez, sino más apta dentro del entorno bioquímico global de la célula, según las necesidades
metabólicas de esta.
Por ejemplo, la Succinato Deshidrogenasa del Ciclo de Krebs, que es un complejo enzimático asociado a membrana y un componente de la cadena respiratoria de todos los organismos aerobios, cataliza la reacción de Succinato a Fumarato en el ciclo de Krebs y transfiere los electrones directamente a quinonas en la membrana. Esta enzima es notablemente lenta, produce poco más de 1000 moléculas de producto por minuto. Para realizar una función óptima en la célula compensa su baja actividad con una alta concentración dentro de la mitocondria.
Por otro lado, existen algunas enzimas que alcanzan velocidades de reacción muy altas, al límite sólo de la velocidad de difusión de los sustratos, como por ejemplo, la Anhidrasa Carbónica, con una actividad molecular de 36 000 000 moléculas de producto por minuto. Esta enzima cataliza la reacción reversible de dióxido de carbono y agua en bicarbonato y protones. Se encuentra presente en especies de los tres dominios de la vida; Arquea, Bacteria y Eucaria. Participa en un variado número de procesos viales como gluconeogénesis, ureagénesis, lipogénesis, biosíntesis de ciertos aminoácidos, y la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina, entre otros. Su función principal en plantas y algas es proporcionar Dióxido de Carbono utilizado en la fotosíntesis mientras que en animales ayuda a regular el pH y a expulsar en Dióxido de Carbono.
Otras enzimas catalizan reacciones químicamente muy simples pero en extremo importantes, como la Catalasa, que se encarga de transformar el Peróxido de Hidrógeno en Oxígeno molecular y agua evitando el daño celular al prevenir la formación de radicales libres. Otras participan en reacciones muy complejas como el caso de algunas enzimas de la ruta de síntesis de Tiamina que presentan una química sin precedentes en la naturaleza.
Las proteínas son muy versátiles en cuanto a su evolución, pues su estructura tridimensional es tolerante a los cambios que permite en la secuencia de aminoácidos antes de presentar cambios estructurales significativos, de tal forma que dos secuencias pueden divergir notablemente de su ancestro común sin perder la función inicial restringiendo los cambios de los aminoácidos implicados en la catálisis. De hecho, hay muchas familias de proteínas en donde se ha encontrado una conservación absoluta de los residuos funcionales, por ejemplo, la familia de las enzimas dependientes de piridoxal fosfato, a nivel de secuencia han divergido mucho, sin embargo, todas ellas tienen unos residuos de ácido aspártico (Asp) y lisina (Lys) invariantes en el sitio activo que son los encargados de unir al piridoxal fosfato.
A pesar de la alta especificidad que existe en las enzimas por un determinado sustrato y la eficiencia catalítica para una determinada reacción química, también existe una notable flexibilidad en el sitio activo que permite a varias enzimas con actividad catalítica muy parecida o incluso la misma reacción química, tener un sitio activo diferente en donde distintos grupos funcionales, no conservados respecto a su posición en la estructura primaria, tienen el mismo papel mecanístico en la catálisis, es decir, que la naturaleza a generado más de una solución a la misma interrogante catalítica que han evolucionado dentro de una sola familia de proteínas. También puede darse el caso de que una enzima tenga más de un tipo de catálisis, o inclusive diferentes funciones dependiendo de dónde se encuentre localizada, como las llamadas “moonlighting proteins”.
Todo esto no sólo remarca la increíble versatilidad de las enzimas, sino que trae consigo una dificultad técnica, pues con la secuenciación de genomas completos la asignación de función para una enzima se basa, principalmente, en la similitud con otras secuencias ya que es imposible determinar experimentalmente la función de miles de genes reportados constantemente, esto ocasiona que las bases de datos vayan acumulando errores de anotación en la funcion de las proteínas.
Existe también el caso de las enzimas análogas, las cuales pueden realizar la misma reacción química que otra sin estar relacionada evolutivamente, es decir, que tiene un origen distinto y por lo tanto otra estructura. Así que para determinar correctamente si dos o más enzimas son verdaderas análogas es necesario analizarlas desde su estructura tridimensional, pues la posibilidad de que dos enzimas tengan diferente origen evolutivo sólo puede descartarse cuando éstas tienen una estructura tridimensional diferente.
Según su origen evolutivo, las proteínas se pueden clasificar en cuatro grupos:
Proteínas homólogas: Son proteínas que han evolucionado a partir de un ancestro en común, por lo tanto tienen una estructura tridimensional y funciones similares.
Proteínas ortólogas: Son proteínas homólogas que llevan a cabo la misma función pero están presentes en distintos organismos.
Proteínas parálogas: Son proteínas que tienen un ancestro en común pero han divergido significativamente y por lo tanto tienen distinta función. Estas proteínas surgen por eventos de duplicación génica y posterior divergencia de función.
Proteínas análogas: Son proteínas que llevan a cabo la misma función pero tienen un origen evolutivo distinto, es decir, no están relacionadas filogenéticamente y por lo tanto tienen estructura tridimensional diferente.
Hace unas décadas, la presencia de enzimas no relacionadas filogenéticamente pero que realizaban la misma función se consideraba rara y excepcional. Actualmente, con el incremento de los genomas secuenciados totalmente y los esfuerzos por reconstruir las rutas metabólicas completas se han ido encontrando más casos de enzimas análogas, tanto en las rutas del metabolismo central, como en otras rutas, por ejemplo, en la manipulación de ácidos nucleicos y en la transducción de señales.
Un caso claro y muy estudiado de enzimas análogas es el de las Serin-Proteasas. Las Proteasas son enzimas que hidrolizan algún enlace peptídico de un polipéptido para producir dos péptidos más pequeños. Esta reacción procede en dos pasos: en el primero se produce un enlace covalente entre el oxígeno de la serina catalítica y el Carbono 1 del substrato, generando un estado intermediario en donde el C1 tiene una geometría tetragonal, en contraste con la forma plana del enlace peptídico. Durante este paso, un péptido permanece unido a la enzima mientras que el otro producto de la reacción es liberado. En el segundo paso de la reacción, el intermediario unido a la enzima es hidrolizado por una molécula de agua para liberar el segundo péptido con un grupo carboxilo completo y para restaurar el grupo OH de la serina catalítica.
Las Proteasas están relacionados evolutivamente, pero hay excepciones. En dos casos, la Quimiotripsina y la Subtilisina, tanto su secuencia como su estructura terciaria son diferentes y, sin embargo, los residuos catalíticos de ambas enzimas están en la misma posición espacial relativa. Este es un caso claro de convergencia evolutiva, en donde partiendo de ancestros no relacionados se ha llegado a la misma solución estructural para un mecanismo catalítico particular.
Otro caso de enzimas análogas lo podemos encontrar en la Anhidrasa Carbónica (CA, por sus siglas en inglés de Carbonic Anhydrase), que cataliza la conversión rápida de dióxido de carbono y agua a bicarbonato y protones, en donde se han reportado cuatro plegamientos diferentes para esta enzima pertenecientes a cuatro familias denominadas α-CA, β-CA, γ-CA y ζ-CA
Las α-CA se encuentran principalmente en mamíferos y bacterias, tienen un átomo de Zinc (Zn) coordinado por tres histidinas y son estrictamente monoméricas. Las β-CA, presentes en plantas, algas y arqueas, tienen dos cisteínas y una histidina coordinando al Zn, son estrictamente dímeros o multímeros múltiplos de dos. Las γ-CA son triméricas y también tienen tres histidinas coordinando al Zn, sólo que dos de ellas pertenecen a un monómero y la otra al monómero siguiente y se les considera dentro de las CA más antiguas. Estas tres familias tienen dos cosas en común, la presencia de un átomo de Zn en el sitio activo y un mecanismo catalítico de dos pasos: primero se da un ataque nucleofílico del Zn (en forma de Hidróxido) al dióxido de carbono y posteriormente una regeneración del sitio activo por medio de una molécula de agua. Sin embargo, en cada familia existen diferencias en los aminoácidos que participan en este mecanismo.
Por otra parte, la ζ-CA tiene Cadmio (Cd) en vez de Zn, coordinado por dos cisteínas y una histidina (similar a las β-CA) y fue descubierta en una diatomea marina, a la fecha este el único caso conocido en la naturaleza de una enzima capaz de usar Cadmio.
Para conocer el número total de enzimas análogas en la naturaleza sería necesario determinar el plegamiento de las proteínas de todas las familias de enzimas conocidas, lo que representa una ardua labor. Debido a que las enzimas análogas tienen diferente plegamiento, también tienen diferentes propiedades fisicoquímicas, por ejemplo, algunas son más resistentes al calor o a determinados solventes. Esta capacidad también puede ser explotada en procesos industriales en los que ciertas enzimas resultan sensibles. En la industria farmacéutica, son de gran interés las proteínas análogas como blancos potenciales para el diseño de fármacos altamente específicos, ya que las enzimas de los organismos patógenos, al tener una estructura diferente a la estructura de la proteína del hospedero, se pueden bloquear a nivel de sitio activo con algún fármaco sin que la función de la enzima del paciente se vea afectada.
Por ejemplo, la Succinato Deshidrogenasa del Ciclo de Krebs, que es un complejo enzimático asociado a membrana y un componente de la cadena respiratoria de todos los organismos aerobios, cataliza la reacción de Succinato a Fumarato en el ciclo de Krebs y transfiere los electrones directamente a quinonas en la membrana. Esta enzima es notablemente lenta, produce poco más de 1000 moléculas de producto por minuto. Para realizar una función óptima en la célula compensa su baja actividad con una alta concentración dentro de la mitocondria.
Por otro lado, existen algunas enzimas que alcanzan velocidades de reacción muy altas, al límite sólo de la velocidad de difusión de los sustratos, como por ejemplo, la Anhidrasa Carbónica, con una actividad molecular de 36 000 000 moléculas de producto por minuto. Esta enzima cataliza la reacción reversible de dióxido de carbono y agua en bicarbonato y protones. Se encuentra presente en especies de los tres dominios de la vida; Arquea, Bacteria y Eucaria. Participa en un variado número de procesos viales como gluconeogénesis, ureagénesis, lipogénesis, biosíntesis de ciertos aminoácidos, y la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina, entre otros. Su función principal en plantas y algas es proporcionar Dióxido de Carbono utilizado en la fotosíntesis mientras que en animales ayuda a regular el pH y a expulsar en Dióxido de Carbono.
Otras enzimas catalizan reacciones químicamente muy simples pero en extremo importantes, como la Catalasa, que se encarga de transformar el Peróxido de Hidrógeno en Oxígeno molecular y agua evitando el daño celular al prevenir la formación de radicales libres. Otras participan en reacciones muy complejas como el caso de algunas enzimas de la ruta de síntesis de Tiamina que presentan una química sin precedentes en la naturaleza.
Las proteínas son muy versátiles en cuanto a su evolución, pues su estructura tridimensional es tolerante a los cambios que permite en la secuencia de aminoácidos antes de presentar cambios estructurales significativos, de tal forma que dos secuencias pueden divergir notablemente de su ancestro común sin perder la función inicial restringiendo los cambios de los aminoácidos implicados en la catálisis. De hecho, hay muchas familias de proteínas en donde se ha encontrado una conservación absoluta de los residuos funcionales, por ejemplo, la familia de las enzimas dependientes de piridoxal fosfato, a nivel de secuencia han divergido mucho, sin embargo, todas ellas tienen unos residuos de ácido aspártico (Asp) y lisina (Lys) invariantes en el sitio activo que son los encargados de unir al piridoxal fosfato.
A pesar de la alta especificidad que existe en las enzimas por un determinado sustrato y la eficiencia catalítica para una determinada reacción química, también existe una notable flexibilidad en el sitio activo que permite a varias enzimas con actividad catalítica muy parecida o incluso la misma reacción química, tener un sitio activo diferente en donde distintos grupos funcionales, no conservados respecto a su posición en la estructura primaria, tienen el mismo papel mecanístico en la catálisis, es decir, que la naturaleza a generado más de una solución a la misma interrogante catalítica que han evolucionado dentro de una sola familia de proteínas. También puede darse el caso de que una enzima tenga más de un tipo de catálisis, o inclusive diferentes funciones dependiendo de dónde se encuentre localizada, como las llamadas “moonlighting proteins”.
Todo esto no sólo remarca la increíble versatilidad de las enzimas, sino que trae consigo una dificultad técnica, pues con la secuenciación de genomas completos la asignación de función para una enzima se basa, principalmente, en la similitud con otras secuencias ya que es imposible determinar experimentalmente la función de miles de genes reportados constantemente, esto ocasiona que las bases de datos vayan acumulando errores de anotación en la funcion de las proteínas.
Existe también el caso de las enzimas análogas, las cuales pueden realizar la misma reacción química que otra sin estar relacionada evolutivamente, es decir, que tiene un origen distinto y por lo tanto otra estructura. Así que para determinar correctamente si dos o más enzimas son verdaderas análogas es necesario analizarlas desde su estructura tridimensional, pues la posibilidad de que dos enzimas tengan diferente origen evolutivo sólo puede descartarse cuando éstas tienen una estructura tridimensional diferente.
Según su origen evolutivo, las proteínas se pueden clasificar en cuatro grupos:
Proteínas homólogas: Son proteínas que han evolucionado a partir de un ancestro en común, por lo tanto tienen una estructura tridimensional y funciones similares.
Proteínas ortólogas: Son proteínas homólogas que llevan a cabo la misma función pero están presentes en distintos organismos.
Proteínas parálogas: Son proteínas que tienen un ancestro en común pero han divergido significativamente y por lo tanto tienen distinta función. Estas proteínas surgen por eventos de duplicación génica y posterior divergencia de función.
Proteínas análogas: Son proteínas que llevan a cabo la misma función pero tienen un origen evolutivo distinto, es decir, no están relacionadas filogenéticamente y por lo tanto tienen estructura tridimensional diferente.
Hace unas décadas, la presencia de enzimas no relacionadas filogenéticamente pero que realizaban la misma función se consideraba rara y excepcional. Actualmente, con el incremento de los genomas secuenciados totalmente y los esfuerzos por reconstruir las rutas metabólicas completas se han ido encontrando más casos de enzimas análogas, tanto en las rutas del metabolismo central, como en otras rutas, por ejemplo, en la manipulación de ácidos nucleicos y en la transducción de señales.
Un caso claro y muy estudiado de enzimas análogas es el de las Serin-Proteasas. Las Proteasas son enzimas que hidrolizan algún enlace peptídico de un polipéptido para producir dos péptidos más pequeños. Esta reacción procede en dos pasos: en el primero se produce un enlace covalente entre el oxígeno de la serina catalítica y el Carbono 1 del substrato, generando un estado intermediario en donde el C1 tiene una geometría tetragonal, en contraste con la forma plana del enlace peptídico. Durante este paso, un péptido permanece unido a la enzima mientras que el otro producto de la reacción es liberado. En el segundo paso de la reacción, el intermediario unido a la enzima es hidrolizado por una molécula de agua para liberar el segundo péptido con un grupo carboxilo completo y para restaurar el grupo OH de la serina catalítica.
Las Proteasas están relacionados evolutivamente, pero hay excepciones. En dos casos, la Quimiotripsina y la Subtilisina, tanto su secuencia como su estructura terciaria son diferentes y, sin embargo, los residuos catalíticos de ambas enzimas están en la misma posición espacial relativa. Este es un caso claro de convergencia evolutiva, en donde partiendo de ancestros no relacionados se ha llegado a la misma solución estructural para un mecanismo catalítico particular.
Otro caso de enzimas análogas lo podemos encontrar en la Anhidrasa Carbónica (CA, por sus siglas en inglés de Carbonic Anhydrase), que cataliza la conversión rápida de dióxido de carbono y agua a bicarbonato y protones, en donde se han reportado cuatro plegamientos diferentes para esta enzima pertenecientes a cuatro familias denominadas α-CA, β-CA, γ-CA y ζ-CA
Las α-CA se encuentran principalmente en mamíferos y bacterias, tienen un átomo de Zinc (Zn) coordinado por tres histidinas y son estrictamente monoméricas. Las β-CA, presentes en plantas, algas y arqueas, tienen dos cisteínas y una histidina coordinando al Zn, son estrictamente dímeros o multímeros múltiplos de dos. Las γ-CA son triméricas y también tienen tres histidinas coordinando al Zn, sólo que dos de ellas pertenecen a un monómero y la otra al monómero siguiente y se les considera dentro de las CA más antiguas. Estas tres familias tienen dos cosas en común, la presencia de un átomo de Zn en el sitio activo y un mecanismo catalítico de dos pasos: primero se da un ataque nucleofílico del Zn (en forma de Hidróxido) al dióxido de carbono y posteriormente una regeneración del sitio activo por medio de una molécula de agua. Sin embargo, en cada familia existen diferencias en los aminoácidos que participan en este mecanismo.
Por otra parte, la ζ-CA tiene Cadmio (Cd) en vez de Zn, coordinado por dos cisteínas y una histidina (similar a las β-CA) y fue descubierta en una diatomea marina, a la fecha este el único caso conocido en la naturaleza de una enzima capaz de usar Cadmio.
Para conocer el número total de enzimas análogas en la naturaleza sería necesario determinar el plegamiento de las proteínas de todas las familias de enzimas conocidas, lo que representa una ardua labor. Debido a que las enzimas análogas tienen diferente plegamiento, también tienen diferentes propiedades fisicoquímicas, por ejemplo, algunas son más resistentes al calor o a determinados solventes. Esta capacidad también puede ser explotada en procesos industriales en los que ciertas enzimas resultan sensibles. En la industria farmacéutica, son de gran interés las proteínas análogas como blancos potenciales para el diseño de fármacos altamente específicos, ya que las enzimas de los organismos patógenos, al tener una estructura diferente a la estructura de la proteína del hospedero, se pueden bloquear a nivel de sitio activo con algún fármaco sin que la función de la enzima del paciente se vea afectada.
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