¿Por qué algunas enzimas, como la pepsina, no se desnaturalizan a un pH bajo? ¿Su estructura terciaria está más basada en enlaces covalentes que los enlaces de hidrógeno? ¿O está la proteína construida para que el sitio activo solo sea funcional en presencia de iones H +?

Resumen:

• Bajar el pH no desnaturaliza muchas proteínas. Despliegue, sí; desnaturalización, no.
• Los enlaces de hidrógeno juegan un papel importante en la estabilización de la pepsina. La reducción del pH no rompe necesariamente la red de enlaces de hidrógeno.
• Al menos un residuo de aspartilo en el sitio catalítico necesita ser protonado para la acción catalítica, de ahí la función a pH bajo.
• No comprendemos por completo la estabilidad de las proteasas aspartato o pepsina.

Gran pregunta, ¡hablemos de enzimas!

En primer lugar, la actividad y la estabilidad son dos propiedades muy diferentes. Cuando habla de * desnaturalización *, se refiere a la estabilidad, y * actividad * se refiere a la función. Una enzima es estable dentro de un rango de pH (y temperatura), pero la estabilidad no necesita dar como resultado una actividad completa (o cualquiera).

La pepsina es más activa entre pH 1.5-2.5, pero es estable entre 1-7.5 unidades de pH. Entre pH 5/6 a 7.5, la enzima es estable pero muestra actividad CERO. Sin embargo, puede disminuir el pH a 2 en este estado y recuperar la actividad completa. Imagen de: Página en bmj.com

Entonces, voy a dividir tu pregunta en dos:

1. ¿Cómo afecta el pH la estabilidad de la pepsina?
2. ¿Por qué la pepsina necesita iones de [math] H ^ + [/ math] para funcionar?

Las proteasas en general son difíciles de estudiar, el sitio activo generalmente está mutado y se estudian los mutantes. Esto también significa que no sabemos demasiado sobre las proteasas en general, y mucho menos sobre las activas a pH más bajo.

¿Cómo afecta el pH la estabilidad de la pepsina?

• Las proteínas son estables en un rango de pH, y este rango es específico para cada proteína y depende de las interacciones cargadas / distribuciones de carga / puentes sal / interacciones disulfuro, etc.
• Cuando el pH es bajo, los grupos cargados son protonados, lo que a su vez puede interrumpir las interacciones presentes en el estado nativo de la proteína.
• Entonces, técnicamente, la fuerza motriz para la desnaturalización es la repulsión electrostática.
• Sin embargo, esta repulsión no siempre gana otras fuerzas, como la hidrofobicidad o los puentes disulfuro.
• De hecho, hay muchas proteínas que mantienen su estado nativo a pH tan bajo como 0.5. Algunas proteínas también se despliegan un poco y vuelven a plegarse, con una disminución en el pH (a menudo referido como el estado A / glóbulo fundido). [Página 237.112.247]].
• Aquí hay una representación completamente engañosa , ya que un estado plegado es impulsado por una serie de interacciones.

Imagen de: Reglas de estructura de proteínas

• Muchas enzimas retienen la estructura a pH bajo, estas incluyen anhidrasa carbónica, beta-Iactamasa, nucleasa estafilocócica, ribonucleasa, quimotripsinógeno. [Revisión anual de bioquímica]
• En el caso de la pepsina, hay cierta cantidad de despliegue a un pH más bajo. Esto expone el sitio catalítico, haciéndolo funcional, (es decir, escisión del proseguimiento N terminal de 44 residuos del zimógeno). Esto es cierto para muchas aspartil proteasas. [Dinámica de estados de pepsina termodinámicamente estables, atrapados cinéticamente y unidos a inhibidor]
• La pepsina también tiene menos residuos básicos, por lo tanto, una carga positiva menor para impulsar las repulsiones electrostáticas.

Imagen de: Página en nih.gov

• Sin embargo, no sabemos demasiado acerca de la estabilidad, por ejemplo: ¿qué la hace estable a bajo pH? ¿Qué interacciones cambian con el cambio en el pH? ¿El bolsillo hidrofóbico no se ve afectado? ¿si es así por qué? ¿Cuál es el efecto de la temperatura? ¿Cuáles son los efectos de los iones a pH bajo? ¿Cuál es el papel de la entropía conformacional? y así.

Otras lecturas:
Clasificación de la desnaturalización ácida de las proteínas: intermedios y estados desplegados
Revisión anual de bioquímica

¿Por qué la pepsina necesita iones de [math] H ^ + [/ math] para funcionar?

• La pepsina es activa a pH ácido ya que la enzima catalíticamente competente tiene un Asp protonado (Asp 32) y un Asp desprotonado (Asp 215) en el sitio activo. Este estado se logra típicamente a un pH ácido, y es consistente para muchas aspartil proteasas [Unión de un inhibidor peptídico reducido a la proteinasa aspártica f …, la estructura y función de las proteinasas aspárticas. ]
• Asp 215 sabe que está involucrado en un enlace H con una treonina vecina y Asp 32, protonado. Se sabe que esta distinción y la protonación de Asp32 son críticas para la unión del sustrato y, posteriormente, la catálisis.
• Entonces, sí, la proteína * es * catalíticamente activa solo en presencia de iones [matemáticos H ^ + [/ math].

Thr 218 hidroxilo ocupa una posición de guardia cerca del carboxilo Asp 215 a una distancia de un enlace de hidrógeno, como en la pepsina porcina. Este enlace de hidrógeno utiliza los electrones par anti solitario del oxígeno [math] o ^ {delta ^ {2}} [/ math] externo, mientras que el par sinusoidal de este oxígeno participa en el enlace de hidrógeno con la molécula de agua W1. . Como resultado, la capacidad del oxígeno externo de Asp 215 para unir protones del disolvente voluminoso se vuelve bastante baja. Al mismo tiempo, la distancia entre el átomo de Ser 35 Oγ y el carboxilo Asp 32 es demasiado grande para la formación de un enlace de hidrógeno. De: Página en nih.gov

Para lectura adicional:
Efecto de las mutaciones en la estabilidad del dímero y el pH óptimo de la proteasa del virus espumoso humano
Descripción general de las peptidasas aspárticas similares a la pepsina.
Página en www.enzim.hu