¿Cómo puede ser importante la forma de aminoácidos ionizados para la actividad catalítica?

Las reacciones enzimáticas son reacciones químicas . Las reacciones químicas involucran transferencia de carga ("electrones") . La transferencia de carga ocurre más fácilmente si hay un gran gradiente en la densidad de carga entre el grupo del sitio activo atacante y el átomo atacado del sustrato. Muchas enzimas (sí, es bastante común) utilizan formas iónicas de aspartato o glutamato como residuo de aminoácido catalítico .

Por ejemplo, algunas enzimas que pertenecen a la familia de plegado alfa/beta-hidrolasa (p. ej., haloalcano deshalogenasas, epóxido hidrolasas) utilizan un aspartato desprotonado como nucleófilo (que ataca un átomo electrofílico del sustrato); la posición específica del nucleófilo dentro de la enzima y su interacción con otros grupos en la enzima aumentan la naturaleza nucleófila del aspartato, un fenómeno llamado "agujero de oxianión".

Ollis et al. (1992) Proteína Eng 5: 197-211. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1409539

Aunque la respuesta proporcionada por @MartinKlvana es correcta, me gustaría aclarar la cuestión de la fuerza de las interacciones no covalentes en las proteínas, ya que esta parece ser la base del problema del cartel. Como diría yo:

La vida es dinámica. Entonces, la química de la vida depende de interacciones débiles que pueden hacerse y romperse.

Las interacciones iónicas son similares en energía a otras interacciones no covalentes.

Según Berg et al. y los rangos típicos del artículo de Wikipedia para interacciones no covalentes son:

• Interacción iónica: 1,4 kcal/mol (3Å en agua, depende de la distancia y la constante dieléctrica)
• Enlace de hidrógeno: 1–3 kcal/mol (depende de la distancia y el ángulo)
• Interacción de Van der Walls: 0,5–1,0 kcal/mol (depende de la distancia)

Esto contrasta con, digamos, el enlace C-C covalente con una energía de alrededor de 100 kcal/mol según este sitio . Así, el enlace iónico es claramente un enlace relativamente débil.

El estado de carga de un residuo implicado en los mecanismos enzimáticos suele ser parcial y dinámico.

Como sabrá el lector, el porcentaje de ionización de un residuo depende de su pKa _y del medio. En una solución neutra, una cadena lateral de histidina (pK _a 6,0) estaría protonada solo al 10%. Sin embargo, en el sitio activo de una proteína las cosas pueden ser diferentes. En un entorno hidrofóbico, las cadenas laterales ácidas del ácido aspártico o glutámico pueden tener mucha menos tendencia a ionizarse y, por lo tanto, tener un pK efectivo _mucho mayor que el del agua (4.1). La proximidad de otros residuos también puede influir en la ionización o protonación al aceptar o donar un ion de hidrógeno.

El punto de esto es que los residuos involucrados en la catálisis a menudo están efectivamente menos cargados que un residuo completamente cargado en solución, y esto permite que la ionización o protonación se revierta al final de la reacción, devolviendo el catalizador enzimático a su estado original.

Algunos ejemplos

Aunque el papel funcional de Asp-27 (el presunto grupo pK _a 4.7) en la tetrahidrofolato reductasa parecería ser el de donar un protón al sustrato, los detalles de esta reacción no están completamente claros. Así que es más fácil ilustrar este punto con dos enzimas clásicas.

Serina proteasas (tripsina, etc.)

Se pueden encontrar más detalles de esto en la web y en cualquier texto bioquímico, pero la siguiente ilustración tomada de Berg et al. ilustra el punto clave que deseo hacer.

Esto es que durante la reacción la histidina es capaz de alternar entre ser protonada y no protonada, recibiendo un protón de la serina adyacente.

lisozima

Aquí el mecanismo de acción involucra dos grupos ácidos, uno cargado (Asp-52) y otro (Glu-35) sin carga. Esta diferencia se debe a que este último se encuentra en un ambiente hidrofóbico. Sin embargo, durante el curso de la reacción es capaz de ionizarse, pero vuelve a su forma protonada cuando se completa la reacción. Esto se muestra en la siguiente ilustración, tomada de un artículo de revisión de Nature Structural Biology de AJ Kirby .