Lecciones de biotecnología para la vida diaria

Una serina, una histidina y un aspartato, tres de los 20 aminoácidos con los que se construyen las enzimas, dispersos en el agua, no parecen una maquinaria bioquímica especialmente sofisticada. En cambio, cuando están en el sitio activo de la quimiotripsina, forman una tríada catalítica. La quimiotripsina es una enzima que participa en la digestión de proteínas al romper los enlaces peptídicos que mantienen unidos a sus aminoácidos.

La histidina retira un protón de la serina y convierte su oxígeno en un nucleófilo mucho más reactivo. La serina ataca entonces el enlace peptídico y queda unida temporalmente al sustrato. El aspartato no rompe ningún enlace, pero orienta y estabiliza a la histidina para que pueda cumplir su función. Ninguno de los tres aminoácidos hace la reacción por sí solo.

A esa tríada se le suma otra chulería: el hueco oxianiónico, cuyos puentes de hidrógeno estabilizan la carga negativa que surge durante la formación del intermediario tetraédrico. En un mismo sitio activo coinciden la catálisis ácido-base, la catálisis covalente, la orientación y la estabilización electrostática.

El valor de esa organización se hace evidente si la alteramos. En la tripsina, otra enzima que utiliza la misma tríada catalítica, se sustituyó el aspartato por asparagina (un aminoácido bastante similar al primero en tamaño y geometría, pero sin la misma carga), y se redujo su actividad alrededor de diez mil veces, aunque la afinidad por el sustrato prácticamente no cambió. La enzima aún reconocía al sustrato, pero ya no lo transformaba con la misma eficacia en producto.

Reconocer al sustrato no es suficiente para que la enzima funcione; también hay que organizar la química que lo transformará. El sitio activo no es solamente un huequito donde “cabe” el sustrato. Es un microambiente cuidadosamente organizado en el que ocurren auténticas chulerías: un aminoácido dona o recibe protones; otro se convierte en nucleófilo y forma temporalmente un enlace covalente con el sustrato. Un ion metálico orienta moléculas, polariza enlaces o estabiliza cargas. Los residuos colocan a los reactivos en la orientación adecuada. Los puentes de hidrógeno y campos eléctricos estabilizan cargas que apenas están apareciendo.

El microambiente también modifica el pKa de algunos residuos y consigue que se comporten de una manera que no tendrían libremente en agua. Además, el sitio activo no es eléctricamente indiferente: las cargas y los dipolos de sus residuos generan campos orientados hacia enlaces específicos del sustrato. No empujan físicamente a la molécula, pero pueden disminuir el costo de la redistribución electrónica que exige la reacción. En la cetoesteroide isomerasa se ha medido experimentalmente el campo que experimenta el enlace carbonilo, y su magnitud se correlaciona con la capacidad catalítica de distintas variantes de la enzima. La enzima organiza incluso aquello que no podemos ver.

Esto demuestra que lo extraordinario del sitio activo no siempre proviene de componentes extraordinarios, sino de cómo están colocados y relacionados. El mismo aminoácido puede adquirir propiedades diferentes dependiendo de quién lo rodea, dónde está colocado y qué tan expuesto se encuentra al agua.

Una histidina, por ejemplo, no hace chulerías solo por ser histidina. La histidina es especial porque su grupo imidazol puede encontrarse protonado o desprotonado en condiciones compatibles con la vida. Por eso puede recibir un protón y, un instante después, entregarlo. Los desplazamientos de su pKa en los sitios activos están bien documentados y dependen de las cargas vecinas, de la polaridad y del entorno dieléctrico de la proteína. Es decir, de qué tan expuesta está al agua y de cómo la orienta la estructura de la proteína. La estructura química del aminoácido dice qué posibilidades químicas posee, pero el sitio activo decide cuáles de ellas se vuelven utilizables. La histidina hace chulerías porque está en el lugar correcto, rodeada de los residuos adecuados y en el momento preciso.

Pero a veces ni siquiera la colocación más ingeniosa de los veinte aminoácidos proporciona toda la química necesaria para la catálisis. Para muchas enzimas, los cofactores son indispensables.

Un ion metálico puede polarizar el agua o estabilizar una carga; el NAD+ y el FAD participan en las transferencias de electrones; el fosfato de piridoxal permite transformar aminoácidos. La proteína reconoce y controla al cofactor, mientras que el cofactor amplía el repertorio químico de la proteína. Tampoco aquí la chulería pertenece a uno de los componentes por separado, sino a la forma en que se integran. En la anhidrasa carbónica humana II, por ejemplo, tres histidinas sujetan un ion de zinc y otra funciona como transportadora de protones.

Cuando conocemos el mecanismo, qué residuo dona protones, cuál orienta el sustrato o cuál estabiliza una carga, podemos modificar el sitio activo. Mediante el diseño de proteínas, modificamos los residuos que participan en el reconocimiento, la catálisis o la unión de un cofactor. Pero las proteínas están tan interconectadas que no siempre podemos predecir el resultado: un cambio destinado a mejorar la actividad puede reducir la estabilidad, modificar la especificidad o producir una función inesperada**. Esa imposibilidad de predecirlo todo es una poderosa lección de humildad.** La evolución dirigida explota precisamente esa posibilidad para obtener catalizadores destinados a síntesis química, combustibles y procesos más sustentables.

La tríada catalítica que describimos también está en enzimas de interés biotecnológico. La PETasa de Ideonella sakaiensis, capaz de hidrolizar (romper con agua) enlaces éster del PET, utiliza una tríada formada por Ser160, Asp206 e His237. Al sustituir cualquiera de estos residuos, la actividad esterasa prácticamente desaparece. Mediante ingeniería de proteínas, evolución dirigida y herramientas computacionales se han obtenido variantes más activas y termoestables para avanzar en el reciclaje enzimático de este plástico.

Tal vez una chulería no sea una cualidad extraordinaria que alguien posee de manera aislada. En una enzima, las relaciones no solo reúnen capacidades: las modifican. La histidina puede aceptar el protón porque otros residuos ajustan su comportamiento; la serina se vuelve suficientemente reactiva porque alguien más recibe ese protón; un cofactor aporta una química que la proteína no tenía. Ninguno pierde su identidad, pero ninguno conserva exactamente las mismas posibilidades que tendría a solas.

Más bien, las chulerías aparecen cuando capacidades bastante comunes coinciden en el lugar adecuado, encuentran el microambiente correcto y consiguen trabajar juntas. ¿Cuántas de nuestras chulerías creemos individuales cuando, en realidad, solo existen porque alguien más hizo posible su química?

Cualquier cosa que quieras preguntarme de lo que escribo, dímelo: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Y si no tengo la respuesta, sé que mis colegas de la Facultad de Ingeniería Molecular y Tecnologías Sustentables nos podrán ayudar.

Seguimos con las lecciones de biotecnología para la vida diaria.