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ResumenLa combinación de diseño computacional y evolución en laboratorio es una estrategia potente y potencialmente versátil para el desarrollo de enzimas con nuevas funciones1,2,3,4. Sin embargo, la funcionalidad limitada que presenta el código genético restringe el rango de mecanismos catalíticos que son accesibles en los sitios activos diseñados. Inspirados en las estrategias mecanísticas de la organocatálisis de moléculas pequeñas5, aquí informamos de la generación de una enzima hidrolítica que utiliza la Nδ-metilhistidina como nucleófilo catalítico no canónico. La metilación de la histidina es esencial para la función catalítica porque evita la formación de intermediarios acil-enzimáticos no reactivos, lo que ha sido un reto de larga data cuando se utilizan nucleófilos canónicos en el diseño de enzimas6,7,8,9,10. El rendimiento de la enzima se optimizó utilizando protocolos de evolución dirigida adaptados a un código genético ampliado, lo que permitió obtener un biocatalizador capaz de acelerar la hidrólisis de ésteres con una eficiencia superior a 9.000 veces la de la Nδ-metilhistidina libre en solución. Las instantáneas cristalográficas a lo largo de la trayectoria evolutiva ponen de manifiesto los dispositivos catalíticos responsables de este aumento de eficiencia. La Nδ-metilhistidina puede considerarse un sustituto genéticamente codificable del catalizador nucleófilo ampliamente utilizado, la dimetilaminopiridina11 , y su uso creará oportunidades para diseñar y crear enzimas para una gran cantidad de valiosas transformaciones químicas.
Tipos de enzimas
Las enzimas (/ˈɛnzaɪmz/) son proteínas que actúan como catalizadores biológicos (biocatalizadores). Los catalizadores aceleran las reacciones químicas. Las moléculas sobre las que pueden actuar las enzimas se denominan sustratos, y la enzima convierte los sustratos en diferentes moléculas conocidas como productos. Casi todos los procesos metabólicos de la célula necesitan la catálisis enzimática para producirse a un ritmo lo suficientemente rápido como para mantener la vida[1]: 8.1 Las vías metabólicas dependen de las enzimas para catalizar los pasos individuales. El estudio de las enzimas se denomina enzimología y el campo del análisis de las pseudoenzimas reconoce que, durante la evolución, algunas enzimas han perdido la capacidad de llevar a cabo la catálisis biológica, lo que a menudo se refleja en sus secuencias de aminoácidos y en sus inusuales propiedades «pseudocatalíticas»[2][3].
Se sabe que las enzimas catalizan más de 5.000 tipos de reacciones bioquímicas[4] Otros biocatalizadores son las moléculas de ARN catalítico, llamadas ribozimas. La especificidad de las enzimas proviene de sus estructuras tridimensionales únicas.
Al igual que todos los catalizadores, las enzimas aumentan la velocidad de reacción reduciendo su energía de activación. Algunas enzimas pueden hacer que su conversión de sustrato a producto se produzca muchos millones de veces más rápido. Un ejemplo extremo es la orotidina 5′-fosfato descarboxilasa, que permite que una reacción que de otro modo tardaría millones de años se produzca en milisegundos[5][6] Químicamente, las enzimas son como cualquier catalizador y no se consumen en las reacciones químicas, ni alteran el equilibrio de una reacción. Las enzimas se diferencian de la mayoría de los catalizadores por ser mucho más específicas. La actividad de las enzimas puede verse afectada por otras moléculas: los inhibidores son moléculas que disminuyen la actividad de las enzimas y los activadores son moléculas que aumentan la actividad. Muchos fármacos terapéuticos y venenos son inhibidores enzimáticos. La actividad de una enzima disminuye notablemente fuera de su temperatura y pH óptimos, y muchas enzimas se desnaturalizan (permanentemente) cuando se exponen a un calor excesivo, perdiendo su estructura y propiedades catalíticas.
Las enzimas son proteínas
Las enzimas o catalizadores biológicos son macromoléculas que alteran la velocidad de las reacciones químicas. Las enzimas funcionan convirtiendo sustratos (moléculas reactivas) en moléculas diferentes llamadas productos. La catálisis enzimática es una reacción que se produce en casi todos los procesos metabólicos de la célula. Esto se debe a que la mayoría de los procesos metabólicos se producen a un ritmo lento que no permite mantener la vida. Las enzimas catalizan pasos individuales en la vía metabólica. La mayoría de las enzimas son proteínas, pero algunas son moléculas de ARN catalíticas llamadas ribozimas. Las enzimas aumentan la velocidad de una reacción disminuyendo su energía de activación. Las enzimas pueden catalizar más de 5.000 tipos de reacciones bioquímicas. En los siguientes párrafos, profundizaremos en la función de las enzimas, su clasificación y su evolución.
Las propiedades químicas de las enzimas son similares a las de otros catalizadores, es decir, se consumen en las reacciones químicas y no alteran el equilibrio de una reacción. La diferencia entre las enzimas y otros catalizadores radica en la especificidad de las enzimas, es decir, que las enzimas son mucho más específicas que otros catalizadores. Hay moléculas y factores que pueden afectar a la actividad de las enzimas. Las moléculas llamadas inhibidoras disminuyen la actividad de las enzimas y las activadoras son moléculas que aumentan la actividad de las enzimas. Las enzimas también tienen temperaturas óptimas (normalmente la temperatura corporal) y pH (5-6). Esta es la temperatura y el pH en los que la actividad enzimática es máxima y disminuye por debajo o por encima del pH/temperatura óptimos.
Cómo funcionan las enzimas
Del mismo modo que cada enzima tiene una temperatura óptima, cada enzima también tiene un pH óptimo en el que funciona mejor. Por ejemplo, la tripsina y la pepsina son enzimas del sistema digestivo que rompen las cadenas de proteínas de los alimentos en trozos más pequeños, ya sea en cadenas peptídicas más pequeñas o en aminoácidos individuales. La pepsina funciona en las condiciones altamente ácidas del estómago. Tiene un pH óptimo de aproximadamente 1,5. Por otro lado, la tripsina trabaja en el intestino delgado, cuyas partes tienen un pH de alrededor de 7,5. El pH óptimo de la tripsina es de aproximadamente 8.
Si pensamos en la estructura de una molécula de enzima y en el tipo de enlaces que puede formar con su sustrato, no es sorprendente que el pH sea importante. Supongamos que una enzima tiene un pH óptimo en torno a 7. Imaginemos que a un pH de alrededor de 7, un sustrato se une a la enzima a través de dos enlaces iónicos. En el siguiente diagrama, los grupos que permiten el enlace iónico son causados por la transferencia de un ion hidrógeno desde un grupo -COOH en la cadena lateral de un residuo de aminoácido a un grupo -NH2 en la cadena lateral de otro.