Centrul activ si mecanismul de actiune al enzimelor

S-a aratat la inceputul acestui capitol ca in orice reactie catalizata enzimatic formarea intermediara a complexului enzima-substrat este obligatorie:

In prezent, exista numeroase dovezi experimentale, directe sau indirecte, privitoare la formarea complexului ES. Intr-un numar redus de cazuri enzima este legata de substrat prin legaturi puternice (covalente); astfel de complexe ES stabile au fost izolate si analizate prin difractia razelor X si alte metode. Complexele in care legaturile dintre E si S sunt slabe s-au studiat pe cai indirecte: saturand enzima cu substratul s-au obtinut modificari in spectrul de absorbtie, solubilitate, stabilitate termica etc. Mai nou, formarea complexelor ES este studiata prin metoda marcajului chimic; ea consta in tratarea enzimelor izolate cu compusi chimici care reactioneaza in mod specific cu anumite grupari (apartinand unor resturi aminoacide) la care se ataseaza prin legaturi puternice (care nu se scindeaza la hidroliza enzimei). Daca enzima marcata nu mai fixeaza S inseamna ca aminoacidul la care s-a atasat compusul chimic este implicat in formarea complexului ES. Acest aminoacid poate fi recunoscut daca se hidrolizeaza enzima, in hidrolizat aparand si compexul aminoacid - compusul chimic.

O observatie importanta in legatura cu formarea complexului enzima substrat este ca la anumite enzime indepartarea prin proteoliza a unor portiuni din macromoleculele lor nu afecteaza (sau afecteaza in mica masura) activitatea.

Aceste date experimentale corelate cu aceea ca, de regula, substratul este foarte mic in ra­port cu enzima, au permis formularea concluziei ca numai o zona restransa din enzima par­ticipa la fixarea si transformarea chimica a lui S; aceasta zona se numeste 'centrul activ' al enzimei'. Tot din studii experimentale a rezultat ca majoritatea enzimelor au un singur centru activ.

In centrele active ale enzimelor s-au evidentiat grupari chimice de tip carboxil, amino, hidroxil si tio; acestea apartin unor resturi de aminoacizi cu caracter acid sau bazic (glutamic, aspartic, serina, tirozina, cisteina etc), dar si hetrociclii, in special al histidinei. Gruparile sau resturile heterociclice apartin de regula unor aminoacizi indepartati in secventa (structura primara) a proteinei - enzima. De exemplu, in centrul activ al chimotripsinei s-au identificat gruparea OH a serinei in pozitia 195, gruparea carboxil a acidului aspartic in pozitia 102 si nucleul imidazolic al histidinei in pozitia 57. Gruparile acestea sunt foarte apropiate in spatiu ca urmare a conformatiei specifice a chimotripsinei (Fig. 3).

Sunt inca polemici in legatura cu centrul activ al enzimelor rezultate din generali­zarea unor cazuri particulare; unii considera ca acesta este alcatuit   dintr-un 'centru de legare' si, separat, dintr-un 'centru catalitic'. Altii sustin ca este mai corect sa se considere ca in centrul activ unele grupari sunt implicate in legarea substratului, altele asigura cataliza propriu-zisa, ele fiind intercalate. In cazul enzimelor heteroproteice, cofactorii reprezentati de grupari prostetice fac parte din centrul activ; coenzimele si ionii metalici au o pozitionare care le asigura conlucrarea cu centrul activ.

Fig. 3. Structura terjiara a chimotripsinei: se evidentiaza resturile Ser-195 si His-57 care impreuna cu Asp-102 (dispus in apropiere) se afia in centrul activ.

In legatura cu organizarea spatiala a centrului activ al enzimelor (raportata la structura substratului) s-au elaborat doua modele:

Modelul clasic (Emil Fischer) considera ca potrivirea substratului cu centrul activ al enzimei este analoaga cu potrivirea 'lacat-cheie'. Acest model presupune o rigiditate a structurii enzimei in zona centrului activ (Fig. 4).

Modelul Koshland, numit 'centrul activ indus', presupune o flexibilitate a zonei in care acesta se afla. In enzima libera centrul activ este 'preformat' ceea ce inseamna ca el are o configuratie spatiala usor diferita de cea necesara fixarii substratului. Substratul induce o modificare conformationala a zonei centrului activ realizandu-se configuratia optima fixarii, in Fig. 5. se reda una dintre reprezentarile simplificate ale modelului Koshland.

In cazul unor enzime, formarea complexului ES in varianta Koshland a fost demonstrata experimental. Pe de alta parte, din punct de vedere termodinamic asezarea cea mai potrivita a substratului in raport cu enzima reduce la minimum gradele de libertate in ceea ce priveste translatia si rotatia substratului, element ce favorizeaza atingerea usoara a starii de tranzitie; aceasta este interpretarea data scaderii energiei de activare in reactiile catalizate de enzime. Specificitatea stereochimica si mai ales inhibitia competitiva a enzimelor pot fi explicate cu usurinta pe baza modelului Koshland.

Referat: Tratamentul complex al luxatiei recidivante de rotula: orthopedic sau chirurgical? Lucrare: Articulatia genunchiului - meniscurile genunchiului

Desigur ca fiecare enzima prezinta o structura specifica a centrului activ (cu starile 'preformata' si 'indusa'). Aceasta nu exclude existenta unor analogii in structurile centrelor active, cel putin pentru enzime cu functie apropiata. Astfel o serie de enzime proteolitice au in centrul activ un rest de serina; mai mult, in vecinatatea restului de serina variatia resturilor aminoacide este foarte redusa (Fig. 6).

Fig. 5. Modelul "centrul activ indus" de interacie enzim[-substrat

Fig.4. Modelul lac[t cheie de interaciune a enzimei cu substratul

Fig. 6. Secventa aminoacizilor in zona centrului activ

al unor enzime proteolitice este apropiata.

Fig. 7. Mecanismul propus pentru scindarea hidrolitica catalizata de chimotripsina a legaturilor peptidice (detalii in text).

Existenta acestor omologii pledeaza pentru faptul ca, cel putin in linii mari, scindarile proteolitice sunt asemanatoare ca mecanism; situatia este de asteptat sa se intalneasca si pentru alte tipuri de reactii catalizate.

O alta constatare rezultata din studiul centrului activ al multor enzime este ca acesta se afla in 'cavitati' sau 'santuri' (crevase); polaritatea redusa sau chiar lipsa polaritatii din aceste zone favorizeaza fixarea substratelor.

Cunoasterea gruparilor functionale si a altor detalii structurale ale centrului activ al unor enzime a oferit si posibilitatea formularii unor mecanisme de reactie. In cazul chimotripsinei (Fig. 7), se presupune ca in lipsa substratului imidazolul restului His-57 interactioneaza prin legaturi de H cu unul dintre atomii de oxigen ai gruparii COOH a Asp-102 si cu H al gruparii OH a Ser-193. Cand substratul este fixat in cavitatea in care se afla centrul activ (si a carui pozitionare este realizata prin diverse interactii) hidrogenul de la gruparea OH a serinei este transferat ca proton pe azotul restului imidazol; el formeaza acum o legatura de hidrogen cu azotul gruparii peptidice a substratului in timp ce O^- a restului de serina ataca nucleofil atomul de C al gruparii peptidice a substratului. Prin aceste rearanjari se induce scindarea heterolitica a legaturii peptidice; intr-o faza intermediara, gruparea carbonil a acestei legaturi (cu restul proteic de care este atasata) se leaga covalent cu serina, in timp ce gruparea NH₂ (de asemenea cu restul sau proteic de care este atasata) formeaza legatura de hidrogen cu atomii de azot ai imidazolului. In final, restul proteic de la gruparea OH a serinei este deplasat de apa, restul proteic de la imidazol se desprinde si el; chimiotripsina isi reia structura initiala.

Un mecanism detaliat s-a formulat pentru reactia catalizata de lizozim. Centrul activ al lizozimului se prezinta sub forma unei 'despicaturi' (sant) cuprinzand mai multe grupari de legare si catalitice (Fig. 8). Numarul resturilor de NAM si NAG cuprinse in centrul activ este sase. La legare participa resturile de Trp-63, Trp-62, Asp-102, Ala-107, Arg-114; gruparile carboxil din resturile Glu-35 si Asp-52 participa la cataliza. Esential in mecanismul propus este faptul ca in timp ce restul Glu-35 este intr-o zona hidrofoba a lizozimului, el nefiind ionizat la pH-ul optim de actiune (pH=5), restul Asp-52 este intr-o zona hidrofila si deci este ionizat.

Din cele cinci legaturi glicozidice (1-4) aflate in centrul activ singura care se scindeaza este cea cuprinsa intre resturile Glu-35 si Asp-52. Gruparea COOH a Glu-35 cedeaza protonul oxigenului care formeaza legatura glicozidica (1-4) simultan cu scindarea heterolitica a legaturii oxigen - C₁ a NAM. Restul NAG formeaza astfel gruparea OH la C₄ in timp ce C₁ a restului NAM devine carbocation (fiind stabilizat de interactia cu gruparea COO^- a restului Asp-52). Urmeaza atacul nucleofil a (OH)^- din apa cu formarea gruparii hidroxil la C₁ a restului NAM; simultan ionul H⁺ din apa formeaza cu gruparea COO^- a Glu-35 gruparea carboxil neionizata (Fig. 9).

Reactiile catalizate de enzimele heteroproteice sunt si mai complexe deoarece apoenzima si cofactorul participa simultan la formarea complexului ES si la cataliza.

Fig. 9. Mecanismul scindarii hidrolitice a legaturilor (1 -4) glicozidice din heteropolizaharide, catalizata de lizozim.