În biologie, locul activ este regiunea unei enzime în care moleculele de substrat se leagă și suferă o reacție chimică . Locul activ constă din reziduuri de aminoacizi care formează legături tranzitorii cu substratul ( situsul de legare ) și reziduuri care catalizează reacția acelui substrat (situsul catalitic). Deși locul activ ocupă doar ~10-20% din volumul enzimei [1] :19 este cea mai importantă parte deoarece catalizează direct reacția chimică . De obicei, locul activ constă din trei până la patru aminoacizi , în timp ce alți aminoacizi dintr-o proteină sunt necesari pentru a-și menține structura terțiară [2] .
Fiecare situs activ a evoluat pentru a optimiza legarea la un substrat specific și a cataliza o reacție specifică, rezultând o specificitate ridicată a enzimei. Această specificitate este determinată de aranjarea aminoacizilor în situsul activ și de structura substraturilor. Uneori, enzimele trebuie să se lege de anumiți cofactori pentru a-și îndeplini funcția. Locul activ este de obicei un șanț sau un buzunar în enzimă, care poate fi localizat într-un tunel adânc în interiorul enzimei [3] sau la granițele interfaciale în enzimele multimerice . Locul activ poate re-cataliza reacția deoarece resturile sale de aminoacizi nu se modifică la sfârșitul reacției (se pot schimba în timpul reacției, dar sunt regenerate spre sfârșitul acesteia) [4] . Acest proces se realizează prin scăderea energiei de activare a reacției, astfel încât mai multe substraturi au suficientă energie pentru a desfășura reacția.
De obicei, o moleculă de enzimă are doar două situsuri active, iar aceste situsuri active corespund unui anumit tip de substrat. Locul activ conține un situs de legare care leagă substratul și îl orientează pentru cataliză. Orientarea substratului și apropierea strânsă dintre acesta și locul activ este atât de importantă încât, în unele cazuri, o enzimă poate încă funcționa corect chiar dacă toate celelalte părți ale acesteia au mutat și și-au pierdut funcția [5] .
Inițial, interacțiunea dintre situsul activ și substrat este necovalentă și temporară. Există patru tipuri importante de interacțiuni care țin substratul într-o orientare specifică și formează un complex enzimă-substrat (complex ES): legături de hidrogen , interacțiuni van der Waals , interacțiuni hidrofobe și interacțiuni de forță electrostatică [6] :148 . Distribuția sarcinii pe substrat și pe locul activ trebuie să fie complementară, ceea ce înseamnă că toate sarcinile pozitive și negative trebuie neutralizate. În caz contrar, forța de respingere îi va împinge separat. Situl activ conține de obicei aminoacizi nepolari, deși uneori se pot găsi și aminoacizi polari [2] . Legarea unui substrat la un situs de legare necesită cel puțin trei puncte de contact pentru a obține stereo-, regio- și enantioselectivitatea. De exemplu, alcool dehidrogenaza, care catalizează transferul ionului hidrură de la etanol la NAD +, interacționează cu gruparea metil substratului , gruparea hidroxil și hidrogenul pro- (R) , care vor fi îndepărtate în timpul reacției [6] :149. .
Pentru a-și îndeplini funcția, enzimele trebuie să adopte pliul proteic corect ( pliul nativ ) și structura terțiară. Pentru a menține o anumită structură tridimensională, proteinele se bazează pe diferite tipuri de interacțiuni între reziduurile lor de aminoacizi. Dacă aceste interacțiuni sunt împiedicate, de exemplu, de valori extreme ale pH-ului, temperatură ridicată sau concentrații mari de ioni, enzima se va denatura și își va pierde activitatea catalitică.
Se crede că o legătură mai strânsă între situsul activ și molecula de substrat crește eficiența reacției. Dacă densitatea dintre situsul activ al ADN polimerazei și substratul acesteia crește, crește și fidelitatea, adică rata de replicare corectă a ADN-ului [7] . Majoritatea enzimelor au situri active adânci pe care substratul le poate accesa doar prin canale de acces [3] .
Sunt propuse trei modele pentru modul în care enzimele se potrivesc cu substratul lor particular: modelul de blocare și cheie, modelul de potrivire indusă și modelul de selecție conformațională. Ultimele două nu se exclud reciproc: selecția conformațională poate fi însoțită de o schimbare a formei enzimei. În plus, este posibil ca proteina să nu se potrivească pe deplin cu niciunul dintre modele. Aminoacizii de la locul de legare a ubiquitinei urmează în general un model de potrivire indus, în timp ce restul proteinei urmează în general un model de selecție conformațională. Factori precum temperatura influențează probabil calea urmată în timpul legării, temperaturile mai ridicate fiind prezise pentru a crește importanța selecției conformaționale și a scădea importanța potrivirii induse [8] .
Conceptul a fost propus de chimistul din secolul al XIX-lea Emil Fischer . El a sugerat că locul activ și substratul sunt două structuri stabile care se potrivesc perfect fără alte modificări, la fel cum o cheie este introdusă într-o lacăt. Dacă un substrat se leagă perfect de locul său activ, interacțiunile dintre ele vor fi cele mai puternice, rezultând o eficiență catalitică ridicată.
De-a lungul timpului, limitele acestui model au început să se arate. De exemplu, inhibitorul competitiv al enzimei metil glucozide se poate lega strâns de situsul activ al 4-alfa-glucanotransferazei și se poate potrivi perfect în acesta. Cu toate acestea, 4-alfa-glucanotransferaza nu este activă asupra metil glucozidei și nu are loc transferul de glicozil. Ipoteza de blocare și cheie nu poate explica acest lucru, deoarece prezice o eficiență ridicată a transferului de glicozid al metilglucozidului datorită legării sale puternice. Pe lângă inhibiția competitivă, această teorie nu poate explica mecanismul de acțiune al inhibitorilor necompetitivi, deoarece aceștia nu se leagă de situsul activ, dar afectează totuși activitatea catalitică [9] .
Teoria lui Daniel Koshland privind legarea enzimă-substrat este că locul activ și porțiunea de legare a substratului nu sunt complet complementare [10] . Modelul de potrivire indusă este o evoluție a modelului de blocare și cheie și presupune că locul activ este flexibil și își schimbă forma până când substratul este complet lipit. Acest model este similar cu o persoană care își pune o mănușă: mănușa își schimbă forma pentru a se potrivi mâinii. O enzimă are inițial o conformație care îi atrage substratul. Suprafața unei enzime este flexibilă și numai catalizatorul potrivit poate provoca interacțiunea care duce la cataliză. Pe măsură ce substratul se leagă, pot apărea modificări conformaționale. După ce produsele reacției se îndepărtează de enzimă, centrul activ va reveni la forma sa originală. Această ipoteză este susținută de observația că întregul domeniu proteic se poate mișca câțiva nanometri în timpul catalizei. Mișcarea suprafeței proteinei poate crea un micromediu care favorizează cataliza [5] .
Acest model sugerează că enzimele există într-o varietate de conformații, dintre care doar unele sunt capabile să se lege de un substrat. Atunci când un substrat este legat de o proteină, echilibrul din ansamblul conformațional este deplasat către cei care sunt capabili să lege liganzi (deoarece enzimele cu substraturi legate sunt îndepărtate din echilibrul dintre conformațiile libere) [11] .
Interacțiune electrostatică : Într-un mediu apos, grupurile încărcate opus din lanțurile laterale de aminoacizi din locul activ și substraturi sunt atrase unele de altele, ceea ce se numește interacțiune electrostatică. De exemplu, atunci când un acid carboxilic (R-COOH) se disociază în ioni RCOO- și H + , COO- va atrage grupări încărcate pozitiv, cum ar fi lanțul lateral de guanidină protonată a argininei .
Legătură de hidrogen : o legătură de hidrogen este un tip special de interacțiune dipol-dipol între un atom de hidrogen parțial pozitiv și un donor de electroni parțial negativ care conține o pereche de electroni, cum ar fi oxigen , fluor și azot . Rezistența unei legături de hidrogen depinde de natura chimică și aranjarea geometrică a fiecărui grup.
Forța Van der Waals : Forța van der Waals se formează între grupuri încărcate opus datorită distribuției temporale neuniforme a electronilor din fiecare grup. Dacă toți electronii sunt concentrați la un pol al grupului, acest capăt va fi negativ și celălalt capăt pozitiv. Deși puterea individuală a grupului este mică, numărul total al acestor interacțiuni între locul activ și substrat este mare, astfel încât suma lor poate fi semnificativă.
Interacțiune hidrofobă : Grupările hidrofobe nepolare au tendința de a se agrega împreună într-un mediu apos și încearcă să scape dintr-un solvent polar. Aceste grupări hidrofobe au de obicei un lanț lung de carbon și nu reacţionează cu moleculele de apă. Când este dizolvată în apă, molecula proteică se pliază într-o formă sferică, lăsând grupările hidrofile în exterior, în timp ce grupările hidrofobe se scufundă adânc în centru.
După legarea substratului la locul activ și orientarea acestuia, poate începe cataliza. Resturile de aminoacizi ale situsului catalitic sunt de obicei foarte aproape de locul de legare, iar unele reziduuri pot juca un rol dublu atât în legare, cât și în cataliză. Ele interacționează cu substratul pentru a reduce energia de activare a reacției și, prin urmare, pentru a accelera cursul acesteia. Reducerea energiei de activare poate avea loc printr-o varietate de mecanisme, inclusiv: abordarea reactanților, cataliza nucleofilă/electrofilă și cataliza acido-bazică.
În timpul unei reacții catalitice enzimatice, substratul și locul activ sunt în imediata apropiere. Această abordare are scopuri diferite. În primul rând, atunci când substraturile se leagă în locul activ, concentrația sa efectivă este mult mai mare decât în soluție. Aceasta înseamnă că crește și numărul de molecule de substrat implicate în reacție. Acest proces reduce, de asemenea , energia de dezolvare necesară pentru ca reacția să continue. În soluție, moleculele de substrat sunt înconjurate de molecule de solvent, iar moleculele de enzime necesită energie pentru a le înlocui și a intra în contact cu substratul. Deoarece moleculele voluminoase pot fi excluse din locul activ, această producție de energie poate fi redusă la minimum. Mai mult, situsul activ este implicat în reorientarea substratului pentru a reduce energia de activare a reacției. Alinierea substratului după legare este blocată într-o stare de energie ridicată și poate trece la pasul următor. În plus, această legare este ajutată de entropie, deoarece costurile energetice asociate cu reacția în soluție sunt în mare măsură eliminate, deoarece solventul nu poate intra în locul activ. În cele din urmă, locul activ poate manipula orbitalul molecular al substratului într-o orientare adecvată pentru a reduce energia de activare [6] :155–8 .
Stările electrostatice ale substratului și ale centrului activ trebuie să se completeze reciproc. Lanțul lateral de aminoacizi polarizat încărcat negativ respinge substratul neîncărcat. Dar dacă starea de tranziție implică formarea unui centru ionic , atunci lanțul lateral va produce o interacțiune favorabilă.
Multe enzime, inclusiv serin proteaza , cisteină proteaza , protein kinaza și fosfataza, au evoluat pentru a forma legături covalente tranzitorii între ele și substraturile lor, scăzând energia de activare și permițând reacției să continue. Acest proces poate fi împărțit în 2 etape: formare și distrugere. Prima etapă este etapa de limitare a vitezei, în timp ce următoarea etapă este necesară pentru regenerarea enzimei intacte [6] :158 .
Cataliza nucleofilă
Acest proces implică transferul de electroni de la nucleofilul enzimei la substrat pentru a forma o legătură covalentă între ei în timpul stării de tranziție. Puterea acestei interacțiuni depinde de două aspecte: capacitatea grupului nucleofil de a dona electroni și capacitatea electrofilului de a-i accepta. Primul depinde în principal de bazicitatea (capacitatea de a dona perechi de electroni) a speciei, iar cel de-al doilea de pK a . Ambele grupuri sunt, de asemenea, afectate de proprietățile lor chimice, cum ar fi polarizabilitatea , electronegativitatea și potențialul de ionizare . Aminoacizi capabili să formeze reactivi nucleofili - serină , cisteină , aspartat și glutamina .
Cataliza electrofilă
Mecanismul care stă la baza acestui proces este exact același cu cataliza nucleofilă, cu excepția faptului că acum aminoacizii din locul activ acționează ca electrofili , iar substraturile acționează ca nucleofili . Această reacție necesită de obicei cofactori, deoarece lanțurile laterale de aminoacizi nu sunt suficient de puternice pentru a atrage electroni.
Ionii metalici joacă mai multe roluri în timpul unei reacții. În primul rând, se pot lega de grupările încărcate negativ ale substratului, astfel încât nu vor respinge perechile de electroni din grupările nucleofile ale situsului activ. Ele pot atrage electroni încărcați negativ pentru a crește electrofilia. Ionii metalici pot servi, de asemenea, ca o punte între locul activ și substrat. În cele din urmă, pot modifica structura conformațională a substratului în favoarea reacției [6] :158 .
În unele reacții , protonii și hidroxidul pot acționa direct ca acid și bază în cataliză specifică acidă și alcalină. Dar, mai des, grupurile din substrat și site-ul activ acționează ca un acid și o bază Brønsted-Lowry. Aceasta se numește teoria generală a acidului și teoria generală a bazelor. Cel mai simplu mod de a le deosebi este de a vedea dacă viteza de reacție este determinată de concentrațiile totalului de acid și bază. Dacă da, atunci răspunsul este general. Deoarece majoritatea enzimelor au un pH optim de 6 până la 7, aminoacizii din lanțul lateral au de obicei un pKa de 4 ~ 10. Candidații includ aspartat , glutamat , histidină , cisteină . Acești acizi și baze pot stabiliza nucleofilul sau electrofilul format în timpul catalizei, furnizând sarcini pozitive și negative [6] :164–70 .
Studiile cantitative ale reacțiilor enzimatice au descoperit adesea că accelerarea vitezei unei reacții chimice nu poate fi explicată pe deplin prin teorii existente, cum ar fi aproximarea, cataliza acido-bazică și cataliza electrofilă/nucleofilă. Și aici apare un paradox evident: într-o reacție enzimatică reversibilă, dacă locul activ este ideal pentru substraturi, reacția inversă va fi încetinită, deoarece produsele nu se pot potrivi perfect în locul activ. Astfel, a fost introdus conceptul de „distorsiune conformațională” și se argumentează că atât locul activ, cât și substratul pot suferi modificări conformaționale pentru a se conforma unul cu celălalt tot timpul [6] :170–5 .
Această teorie este oarecum similară cu teoria blocării și cheii, dar în ea site-ul activ este pre-programat pentru a se lega perfect de substrat în starea de tranziție, mai degrabă decât în starea fundamentală. Formarea unei stări de tranziție în soluție necesită multă energie pentru a deplasa moleculele de solvent, iar reacția încetinește. Astfel, situsul activ poate înlocui moleculele de solvent și înconjoară substraturile pentru a minimiza efectul contraproductiv cauzat de soluție. Prezența grupărilor încărcate în locul activ va atrage substraturi și va oferi complementaritate electrostatică [6] :176–8 .
De fapt, majoritatea mecanismelor enzimatice implică o combinație de mai multe tipuri diferite de cataliză.
Rolul glutationului (GSH) este de a elimina speciile reactive de oxigen acumulate care pot deteriora celulele. În timpul acestui proces, lanțul său lateral de tiol este oxidat și două molecule de glutation sunt unite printr-o legătură disulfură pentru a forma un dimer (GSSG). Pentru a regenera glutationul, este necesar să se rupă legătura disulfurică. În celulele umane, acest lucru este realizat de glutation reductază (GR).
Glutation reductază este un dimer care conține două subunități identice. Un NADP și un FAD sunt necesari ca cofactori . Locul activ se află în joncțiunea dintre două subunități. NADPH este implicat în generarea FADH - . Există două reziduuri de cisteină în locul activ în plus față de cofactorul FAD, care sunt folosite pentru a rupe legătura disulfură în timpul reacției catalitice. NADPH se leagă la trei reziduuri încărcate pozitiv: Arg-218, His-219 și Arg-224.
Procesul catalitic începe atunci când FAD este redus de NADPH pentru a accepta un electron, devenind FADH - . Apoi atacă legătura disulfurică dintre cele 2 reziduuri de cisteină, formând o legătură SH și o grupă S. Acest grup S va acționa ca un nucleofil pentru a ataca legătura disulfură din glutationul oxidat (GSSG), rupându-l și formând un complex cisteină-SG. Primul anion SG este eliberat și apoi primește un proton din grupul SH adiacent de la primul monomer de glutation. Apoi gruparea S adiacentă atacă legătura disulfură din complexul cisteină-SG și eliberează al doilea anion SG . Primește un proton în soluție și formează un al doilea monomer de glutation [1] :137–9 .
Chimotripsina este o serin endopeptidază prezentă în sucul pancreatic care ajută la hidroliza proteinelor și peptidelor [1] :84–6 . Catalizează hidroliza legăturilor peptidice din izomerii L ai tirozinei , fenilalaninei și triptofanului . În locul activ al acestei enzime, trei reziduuri de aminoacizi lucrează împreună pentru a forma o triadă catalitică care formează locul catalitic. În chimotripsină, aceste resturi sunt Ser-195, His-57 și Asp-102.
Mecanismul de acțiune al chimotripsinei poate fi împărțit în două faze. În primul rând, Ser-195 atacă nucleofil carbonul legăturii peptidice din substrat pentru a forma un intermediar tetraedric. Nucleofilitatea Ser-195 este îmbunătățită de His-57, care extrage un proton din Ser-195 și este, la rândul său, stabilizat de gruparea carboxilat încărcată negativ (RCOO- ) din Asp-102. În plus, oxianionul tetraedric intermediar format în această etapă este stabilizat prin legături de hidrogen de la Ser-195 și Gly-193.
În a doua etapă, gruparea R'NH este protonată de His-57 pentru a forma R'NH2 și lasă un intermediar, lăsând Ser-195 acilat. His-57 acționează apoi ca bază din nou pentru a elimina un proton din molecula de apă. Anionul hidroxid rezultat atacă nucleofil complexul acil-enzimă pentru a forma un al doilea intermediar oxianion tetraedric, care este din nou stabilizat prin legături H. În cele din urmă, Ser-195 părăsește intermediarul tetraedric, rupând legătura CO care a legat enzima de substratul peptidic. Protonul este transferat către Ser-195 prin His-57, astfel încât toți cei trei aminoacizi să revină la starea lor inițială.
Desprinderea substratului este influențată de diverși factori. Liganzii mai mari tind să rămână mai mult timp în situsul activ [12] la fel ca liganzii cu legături mai rotative (deși acesta poate fi un efect secundar al mărimii) [13] . Când solventul este îndepărtat din situsul activ, proteinele mai puțin „flexibile” rămân în situsul activ mai mult timp. Un număr mare de legături de hidrogen protejate de solvent încetinesc, de asemenea, clivajul [12] .
Enzimele pot folosi cofactorii ca „molecule ajutătoare”. Coenzimele se referă la acele molecule non-proteice care se leagă de enzime pentru a le ajuta să-și facă treaba. Ele sunt legate în principal de situsul activ prin legături necovalente, cum ar fi legăturile de hidrogen sau interacțiunea hidrofobă . Dar uneori se poate forma și o legătură covalentă între ele. De exemplu, hemul din citocromul C este legat de o proteină printr-o legătură tioeter . În unele cazuri, coenzimele pot lăsa enzimele în urmă după terminarea reacției. În caz contrar, sunt asociate permanent cu enzima [6] :69 . Coenzima este un concept larg care include ioni metalici, diverse vitamine și ATP . Dacă o enzimă are nevoie de o coenzimă pentru a funcționa singură, se numește apoenzimă. De fapt, nu poate cataliza corect reacțiile de la sine. Numai atunci când cofactorul său intră și se leagă de locul activ pentru a forma o holoenzimă funcționează corect.
Un exemplu de coenzimă este flavina . Conține un sistem inelar izoaloxazin conjugat separat. Flavinul are mai multe stări redox și poate fi utilizat în procese care implică transferul unuia sau doi electroni. Poate acționa ca un acceptor de electroni într-o reacție cum ar fi oxidarea NAD la NADH, poate accepta doi electroni și poate forma 1,5-dihidroflavină. Pe de altă parte, poate forma semichinonă ( un radical liber ) acceptând un electron și apoi se transformă în forma complet redusă prin adăugarea unui electron suplimentar. Această proprietate îi permite să fie utilizat în procesul de oxidare cu un electron.
Inhibitorii perturbă interacțiunea dintre enzimă și substrat, încetinind viteza reacției. Există diferite tipuri de inhibitori, inclusiv forme reversibile și ireversibile.
Inhibitorii competitivi sunt inhibitori care vizează numai molecule de enzime libere. Ele concurează cu substraturile pentru un acceptor de enzimă liberă și influența lor poate fi depășită prin creșterea concentrației substratului. Au două mecanisme de acțiune. Inhibitorii competitivi au de obicei asemănări structurale cu substraturile și/sau cu complexul ES. Ca rezultat, ele se pot potrivi în locul activ și pot iniția interacțiuni pentru a umple spațiul enzimatic și a bloca intrarea substraturilor. Ele pot provoca, de asemenea, modificări conformaționale temporare în locul activ, astfel încât substraturile să nu se potrivească perfect cu acesta. După o perioadă scurtă de timp, inhibitorii competitivi vor cădea și vor lăsa enzima intactă.
Inhibitorii sunt clasificați ca inhibitori necompetitivi dacă se leagă atât de enzima liberă, cât și de complexul ES. Deoarece nu concurează cu substraturile pentru locul activ, ele nu pot fi depășite prin simpla creștere a concentrației substratului. Ele se leagă de obicei la un alt situs al enzimei și modifică structura tridimensională a locului activ pentru a bloca intrarea sau ieșirea substraturilor din enzimă.
Inhibitorii ireversibili sunt similari cu inhibitorii competitivi prin faptul că ambii se leagă de situsul activ. Cu toate acestea, inhibitorii ireversibili formează legături covalente ireversibile cu reziduurile de aminoacizi din situsul activ și nu dispar niciodată. Prin urmare, locul activ este ocupat și substratul nu poate pătrunde. Uneori inhibitorul pleacă, dar forma centrului catalitic rămâne modificată. Acești inhibitori conțin de obicei grupări electrofile, cum ar fi înlocuitori de halogen și epoxizi . De-a lungul timpului, tot mai multe enzime sunt legate de inhibitori ireversibili și nu mai funcționează.
| Exemplu | Leagă centrul activ? | Încetinește reacția? | |
|---|---|---|---|
| Inhibitor reversibil competitiv | inhibitori de protează HIV | da | da |
| Inhibitor reversibil necompetitiv | Metale grele precum plumbul și mercurul | Nu | da |
| inhibitor ireversibil | Cianură | da | da |
Inhibitorii de protează HIV sunt utilizați pentru a trata pacienții infectați cu virusul SIDA , împiedicând replicarea ADN-ului acestuia . Proteaza HIV este folosită de virus pentru a scinda poliproteina Gag-Pol în 3 proteine mai mici care sunt responsabile pentru asamblarea, ambalarea și maturarea virionului. Această enzimă vizează un site specific de scindare a fenilalaninei și a prolinei în proteina țintă [14] . Dacă proteaza HIV este oprită, particula de virion își va pierde funcția și nu va putea infecta pacienții. Deoarece este esențial pentru replicarea virală și este absent la indivizii sănătoși, este o țintă ideală pentru dezvoltarea medicamentelor.
Proteaza HIV aparține familiei proteazelor aspartice și are un mecanism similar. În primul rând, reziduul de aspartat activează molecula de apă și o transformă într-un nucleofil . Apoi atacă gruparea carbonil din legătura peptidică (NH-CO) pentru a forma un intermediar tetraedric. Atomul de azot din intermediar primește un proton, formând o grupare amidă, iar rearanjarea ulterioară rupe legătura dintre acesta și intermediar și formează doi produși [15] .
Inhibitorii conțin de obicei grupări hidroxietilenă sau hidroxietilamină nehidrolizabile, mimând intermediarul tetraedric. Deoarece au o structură și o aranjare electrostatică similară cu starea de tranziție a substraturilor, ele pot încă încadra în locul activ, dar nu pot fi distruse, astfel încât hidroliza nu poate avea loc.
Stricnina este o neurotoxină care provoacă moartea prin afectarea nervilor care controlează contracția musculară și provoacă dificultăți de respirație. Impulsul este transmis între sinapse printr-un neurotransmițător numit acetilcolină . Intră în sinapsa dintre celulele nervoase și se leagă de receptorii de pe celula postsinaptică. Un potențial de acțiune este apoi generat și transmis prin celula postsinaptică pentru a începe un nou ciclu.
Glicina poate inhiba activitatea receptorilor de neurotransmițători, astfel încât este necesară mai multă acetilcolinesterază pentru a declanșa un potențial de acțiune. Acest lucru asigură că generarea impulsurilor nervoase este strâns controlată. Cu toate acestea, acest control este încălcat atunci când se adaugă stricnina. Inhibă receptorii de glicină ( canalul de clorură ) și o concentrație mult mai mică a neurotransmițătorului poate declanșa un potențial de acțiune. Nervii transmit acum semnale în mod constant și provoacă contracție musculară excesivă, ducând la sufocare și moarte [16] .
Diizopropilfluorofosfatul (DIFP) este un inhibitor ireversibil care blochează acțiunea serin proteazei . Când se leagă de enzimă, are loc o reacție de substituție nucleofilă , eliberând o moleculă de fluorură de hidrogen. Gruparea OH de la locul activ acționează ca un nucleofil, atacând fosforul din DIFP, formând un intermediar tetraedric și eliberând un proton. Apoi legătura PF este ruptă, un electron este transferat atomului F și părăsește compusul intermediar sub forma anionului F. Se combină cu un proton în soluție pentru a forma o moleculă de HF. Se formează o legătură covalentă între situsul activ și DIFP, astfel încât lanțul lateral de serină nu mai este disponibil pentru substrat [17] .
Identificarea siturilor active este esențială în procesul de descoperire a medicamentelor. Structura tridimensională a enzimei este analizată pentru a determina reziduurile de aminoacizi ale situsului activ și pentru a dezvolta medicamente care să se potrivească în ele. Enzimele proteolitice sunt ținte pentru unele medicamente, cum ar fi inhibitorii de protează, care includ medicamente pentru SIDA și hipertensiune arterială [18] . Acești inhibitori de protează se leagă de locul activ al enzimei și blochează interacțiunea cu substraturile naturale [19] . Un factor important în dezvoltarea medicamentului este puterea legării dintre situsul activ și inhibitorul enzimatic [20] . Dacă enzima găsită în bacterii este semnificativ diferită de enzima umană, atunci este posibil să se dezvolte un inhibitor împotriva acelei bacterii, fără a afecta enzima umană. Dacă un tip de enzimă este prezent într-un singur tip de organism, inhibitorul său poate fi folosit pentru a le ucide.
Siturile active pot fi cartografiate pentru a ajuta la dezvoltarea de noi medicamente, cum ar fi inhibitorii de enzime. Aceasta include o descriere a dimensiunii site-ului activ, numărul și proprietățile subsite-urilor, cum ar fi detaliile interacțiunii de legare [18] . Cu toate acestea, tehnologia modernă a bazelor de date numită CPASS (Protein Active Site Structure Comparison) permite compararea mai detaliată a site-urilor active și găsirea asemănărilor structurale folosind software-ul [21] .
| Exemplu | Mecanism de acțiune | |
|---|---|---|
| Agent antibacterian | Penicilină | Peretele celular bacterian este compus din peptidoglican . În timpul creșterii bacteriene, reticularea existentă a fibrei de peptidoglican este întreruptă, astfel încât noul monomer al peretelui celular poate fi integrat în peretele celular. Penicilina funcționează prin inhibarea transpeptidazei, care este necesară pentru reticulare, astfel încât peretele celular este slăbit și rupt din cauza presiunii turgenței . |
| agent antifungic | Azol | Ergosterolul este un sterol care formează membrana de suprafață a ciupercilor . Azolul își poate suprima biosinteza prin inhibarea lanosterol-14-alfa-demetilaza, astfel încât ergosterol nou nu este produs și 14-alfa-lanosterol dăunător se acumulează în celulă. În plus, azolul poate genera specii reactive de oxigen . |
| Agent antiviral | Saquinavir | Proteaza HIV este necesară pentru a scinda poliproteina Gag-Pol în 3 proteine separate, astfel încât acestea să poată funcționa corect și să înceapă procesul de ambalare a virusului. Inhibitorii de protează HIV, cum ar fi saquinavirul, o inhibă astfel încât o nouă particulă virală matură nu poate fi recoltată. |
| Insecticide | Fizostigmină | În sistemul nervos animal , acetilcolinesteraza este necesară pentru a descompune neurotransmițătorul acetilcolina în acetat și colină . Fizostigmina se leagă de locul său activ și îl suprimă, astfel încât semnalul de impuls nu poate fi transmis de-a lungul nervilor. Acest lucru duce la moartea insectelor, deoarece acestea pierd controlul asupra muncii mușchilor și inimii. |
| erbicide | Ciclohexandionă | Ciclohexandiona vizează acetil-CoA carboxilaza, care este implicată în prima etapă în sinteza grăsimilor: carboxilarea dependentă de ATP a acetil-CoA la malonil-CoA. Lipidele joacă un rol important în compoziția membranei celulare. |
Un situs alosteric este un situs al unei enzime, care nu este asociat cu situsul său activ, care poate lega o moleculă efectoră. Această interacțiune este un alt mecanism de reglare a enzimelor. Modificarea alosterică are loc de obicei în proteinele cu mai mult de o subunitate. Interacțiunile alosterice sunt adesea prezente în căile metabolice și sunt utile prin faptul că permit unui pas de reacție să regleze un alt pas [19] . Ele permit enzimei să aibă un număr de interacțiuni moleculare suplimentare în plus față de situsul activ foarte specific [19] .
| Enzime | |
|---|---|
| Activitate | |
| Regulament | |
| Clasificare | |
| Tipuri |
|