Enzimas Metalodependientes

Las enzimas metalodependientes, o metaloenzimas, son catalizadores que requieren un ion metálico en su sitio activo para funcionar. Se estima que aproximadamente un tercio de todas las enzimas utilizan un metal, y la química que el metal proporciona define la función de la enzima, desde el zinc de la anhidrasa carbónica hasta el hierro de las oxigenasas del citocromo P450.

Definition

Las enzimas metalodependientes (metaloenzimas) son enzimas cuya actividad catalítica requiere uno o más iones metálicos unidos en o cerca del sitio activo, donde el metal participa en la reacción como un ácido de Lewis, un centro redox o un organizador de la geometría del sustrato y del intermediario.

Scope

Este tema aborda cómo las enzimas emplean iones metálicos unidos para la catálisis: enzimas de zinc que actúan como ácidos de Lewis, enzimas de transferencia de fosforilo dependientes de magnesio, oxigenasas que contienen hierro y enzimas de hierro-azufre, y enzimas de cobre y manganeso. Se trata de una visión general de referencia sobre la química de las metaloenzimas, no de una guía clínica. Los metales en sí mismos y cómo las células los suministran se tratan en el tema complementario sobre cofactores de iones metálicos.

Core questions

• ¿Cómo un metal unido disminuye la energía de activación de una reacción?
• ¿Por qué el zinc es tan ampliamente utilizado en enzimas hidrolíticas y de transferencia de grupos?
• ¿Cómo los centros de hierro permiten oxidaciones difíciles como la hidroxilación de C-H?
• ¿Qué distingue a una metaloenzima fuertemente unida de una enzima activada por metal de forma laxa?

Key concepts

• El zinc como ácido de Lewis en el sitio activo
• El magnesio en la transferencia de fosforilo (quinasas, polimerasas)
• Oxigenasas hemo-hierro (citocromo P450)
• Enzimas de hierro no hemo y de hierro-azufre
• Enzimas de cobre en el manejo del oxígeno
• El manganeso en las oxidorreductasas
• Sitios metálicos catalíticos versus estructurales

Mechanisms

Las metaloenzimas explotan la química que sus metales ponen a disposición. Un ion de zinc en un sitio activo polariza una molécula de agua unida o un carbonilo del sustrato, generando un nucleófilo o estabilizando una carga negativa en desarrollo, estrategia utilizada por muchas hidrolasas y la anhidrasa carbónica (Maret, 2013; Holm et al., 1996). Los iones de magnesio coordinan grupos fosfato y los alinean para un ataque en línea en quinasas y polimerasas de ácidos nucleicos (Cowan, 2002). Las enzimas hemo-hierro, como el citocromo P450, activan el oxígeno molecular a una especie hierro-oxo de alta valencia capaz de hidroxilar enlaces C-H no reactivos (Denisov et al., 2005). Los centros de hierro-azufre y de hierro no hemo realizan la transferencia de electrones y transformaciones redox adicionales (Beinert et al., 1997). En cada caso, la proteína ajusta la reactividad del metal a través de la geometría y la identidad de sus ligandos coordinantes.

Clinical relevance

Las metaloenzimas llevan a cabo reacciones centrales para el metabolismo, el manejo del oxígeno y el procesamiento de xenobióticos (por ejemplo, las oxigenasas del citocromo P450), por lo que su bioquímica informa la farmacología y la toxicología. Esta entrada explica los mecanismos catalíticos; describe la bioquímica y no constituye una base para el diagnóstico o tratamiento individual.

History

El estudio de las metaloenzimas surgió de trabajos iniciales sobre el zinc en la anhidrasa carbónica y la caracterización estructural de los sitios metálicos, lo que demostró cómo los ligandos coordinantes ajustan el comportamiento catalítico de un metal. Estudios mecanísticos posteriores sobre la transferencia de fosforilo dependiente de magnesio, la oxigenación hemo-hierro y la química del hierro-azufre construyeron una imagen general de cómo los metales unidos permiten reacciones que de otro modo serían difíciles (Holm et al., 1996; Cowan, 2002; Denisov et al., 2005; Beinert et al., 1997).

Seminal works

• holm-1996
• denisov-2005
• cowan-2002
• beinert-1997

Frequently asked questions

¿Qué convierte a una enzima en una metaloenzima?

Requiere uno o más iones metálicos unidos en o cerca de su sitio activo para catalizar su reacción; si se elimina el metal, la enzima pierde actividad, ya que el metal aporta una química que la proteína no puede proporcionar por sí misma.

¿Por qué el zinc es un metal enzimático tan común?

El zinc es un ácido de Lewis fuerte que no experimenta química redox, por lo que puede polarizar de manera fiable el agua y los sustratos y estabilizar intermediarios cargados, lo que lo hace muy adecuado para las numerosas enzimas hidrolíticas y de transferencia de grupos que lo utilizan.