Tríade catalítica

[miniatura|360px|O encima [protease TEV contén un exemplo de tríade catalítica de residuos de aminoácidos (en vermello) no seu sitio activo. A tríade consiste en aspartato (ácido), histidina (base) e serina (nucleófilo). O substrato (en negro) é unido ao sitio de unión para orientalo cara ás proximidades da tríade. ()]]

Unha **tríade catalítica** é un conxunto de tres aminoácidos coordinados que se poden encontrar no sitio activo dalgúns encimas. As tríades catalíticas encóntranse máis comunmente en encimas hidrolases e transferases (por exemplo, proteases, amidases, esterases, acilases, lipases e β-lactamases). Unha tríade formada por ácido-base-nucleófilo é un motivo común para xerar un residuo nucleófilo para a catálise covalente. Os residuos de aminoácidos forman unha rede de relevo de carga para polarizar e activar o nucleófilo, o cal ataca o substrato, formando un intermediario covalente que é despois hidrolizado para liberar o produto e rexenerar o encima libre. O nucleófilo adoita ser unha serina ou cisteína, pero ocasionalmente é unha treonina ou mesmo unha selenocisteína. A estrutura tridimensional do encima fai que os residuos da tríade estean xuntos e cunha orientación precisa, incluso se ditos residuos están moi afastados na estrutura primaria do encima.

Ademais de teren unha evolución diverxente na función (e incluso no nucleófilo da tríade), as tríades catalíticas son algúns dos mellores exemplos de evolución converxente. As restricións químicas sobre a catálise conduciron á mesma solución catalítica que evolucionou independentemente en polo menos 23 superfamilias de proteínas.

## Historia 
Os encimas tripsina e quimotripsina foron purificados na década de 1930 por primeira vez. Na década de 1950 identificouse que unha serina na tripsina e quimotripsina era o nucleófilo catalítico (por modificación de diisopropil fluorofosfato). Resolveuse a estrutura da quimotripsina por cristalografía de raios X na década de 1960, que mostrou a orientación da tríade catalítica no sitio activo. Secuenciáronse outras proteases e aliñáronse descubrindo unha nova familia de proteases relacionadas, agora chamada familia S1. Simultaneamente, descubriuse que as estruturas das proteases non relacionadas evolutivamente papaína e subtilisina conteñen tríades análogas. O mecanismo de  'relevo de carga' (*charge-relay*) para a activación do nucleófilo polos outros membros da tríade propúxose a finais da década de 1960. A medida que se foron resolvendo máis estruturas de protease por cristalografía de raios X nas décadas de 1970 e 80, foron atopándose tríades homólogas (como a da protease TEV) e análogas (como a da papaína). O sistema de clasificación MEROPS nas décadas de 1990 e 2000 empezou a clasificar as proteínas en superfamilias de encimas estruturalmente relacionados e funciona como unha base de datos da evolución converxente das tríades nunhas 20 superfamilias. Comprender como as restricións químicas na evolución levaron a que se producise esta converxencia de tantas familias de encimas nas mesmas xeometrías de tríades foi un traballo que se desenvolveu ao longo da década de 2010. ou se o enlace de hidróxeno ordinario era suficiente para explicar o mecanismo. A gran cantidade de traballos realizados sobre o relevo de carga, fixo que a catálise covalente utilizada polas tríades catalíticas sexa o mecanismo mellor coñecido en toda a bioquímica. son controvertidas.

A segunda etapa da catálise é a resolución do intermediario acil-encima polo ataque dun segundo substrato. Se este substrato é a auga, entón o resultado é unha hidrólise; pero se é unha molécula orgánica, entón o resultado é a transferencia desa molécula ao primeiro substrato. O ataque por este segundo substrato forma un novo intermediario tetraédrico, que se resolve ao exectar o nucleófilo do encima, liberando o segundo produto e rexenerando o encima libre.

## Identidade dos membros da tríade 
[miniatura|300px|Un sistema de relevo de carga de tríade catalítica como o que se adoita encontrar nas proteases. O residuo ácido (normalmente [glutamato ou aspartato) alinea e polariza a base (xeralmente histidina), que activa o nucleófilo (que adoita ser serina ou cisteína, máis raramente treonina). A tríade reduce o p*K*a do residuo nucleófilo, o cal despois ataca o substrato. Un burato de oxianión xeralmente de amidas cargadas positivamente do esqueleto da molécula (ás veces de cadeas laterais) estabiliza a carga acumulada no estado de transición do substrato.]]

### Nucleófilo 
A cadea lateral do residuo nucleófilo realiza unha catálise covalente sobre o substrato. O par solitario de electróns presente no oxíxeno ou xofre ataca o carbono do carbonilo electropositivo. e menos forte, o que lle permite formar enlaces máis longos (dC-X é 1,3 veces maior que dX-H), e dálle un menor p*K*a (5 unidades máis). A serina é, por tanto, máis dependente que a cisteína da orientación óptima dos membros da tríade ácido-base para reducir o seu p*K*a As β-lactamases como a TEM-1 usan como base un residuo de lisina. Como o p*K*a da lisina é moi alto (p*K*a=11), un glutamato e outros varios residuos actúan como ácido para estabilizar o seu estado desprotonado durante o ciclo catalítico. As treonina proteases usan a súa amida *N*-terminal como base, porque o ateigamento estérico do metilo da súa treonina catalítica impide que outros residuos estean o suficientemente próximos. Ademais, a acetil hidrolase cerebral (que ten o mesmo pregamento que unha pequena proteína G) ten  tamén esta tríade. A tríade equivalente Ser-His-*Glu* aparece na acetilcolinesterase.

### Cys-His-Asp 
A segunda tríade mellor estudada é o motivo cisteína-histidina-aspartato. Algunhas amidases utilizan tamén esta tríade, como a *N*-glicanase para hidrolizar enlaces C-N non peptídicos.

### Ser-His-His 
A tríade da protease do citomegalovirus  utiliza a histidina como membro ácido e básico da tríade. Retirar a histidina ácida ten como resultado un perda de actividade, que se divide por 10, (comparado cun aumento de >10000 cando se retira o aspartato da quimotripsina). Esta tríade foi interpretada como unha vía posible de xerar un encima menos activo que sirva para controlar a velocidade de clivaxe.

### Ser-Glu-Asp 
Unha tríade pouco común é a que se encontra nas seldolisina proteases. O baixo p*K*a do grupo carboxilato do glutamato significa que só actúa como unha base na tríade a pH  moi baixo. Hipotetízase que a tríade é unha adaptación a ambientes específicos como as fontes termais ácidas (por exemplo, a kumamolisina) ou o  lisosoma da célula (por exemplo, a tripeptidil peptidase). A pesar de que a serina ten pouco carácter de ácida, é de todos modos efectiva para orientar a histidina da tríade catalítica. Porén, debido á interferencia estérica do grupo metilo extra da treonina, o membro que fai de base na tríade é a amida *N*-terminal, que polariza unha molécula ordenada de auga, a cal, á súa vez, desprotona o hidroxilo catalítico para incrementar a súa reactividade. A serina situada no medio forma despois dous fortes enlaces de hidróxeno coa serina nucleofílica para activala (unha coa cadea lateral hidroxilo e a outra coa amida do esqueleto peptídico). Os enlaces de hidróxeno da serina central están nunha orientación pouco común *cis* para facilitar contactos precisos cos outros dous residuos da tríade. A tríade é tamén peculiar porque a lisina e a *cis*-serina actúan ambas como base que activa a serina catalítica, pero a mesma lisina tamén realiza o papel de membro ácido da tríade así como establece contactos estruturais clave.

### Sec-His-Glu 
O aminoácido pouco común, pero natural selenocisteína (Sec), pode tamén facer de nucleófilo nalgunhas tríades catalíticas. A selenocisteína é similar á cisteína, pero contén un átomo de selenio en lugar dun xofre. Un exemplo é o sitio activo da tiorredoxina redutase, a cal usa o selenio para a redución do disulfuro na tiorredoxina. As tríades catalíticas foron tamén inseridas en proteínas que non eran orixinalmente catalíticas ou selenio, ou telurio. A cisteína e a selenocisteína foron inseridas por mutaxénese, mentres que o aminoácido non natural telurocisteína foi inserido usando células auxotróficas alimentadas con telurocisteína sintética. Estes elementos químicos están todos na 16ª columna da táboa periódica (a dos calcóxenos), así que teñen propiedades similares. En cada caso, cambiar o nucleófilo reducía a actividade de protease do encima, pero incrementaba outra actividade diferente. Un nucleófilo xofre melloraba a actividade de transferase dos encimas (ás veces chamada subtiligase). Os nucleófilos selenio e telurio convertían o encima nunha oxidorredutase.

Utilizando proteínas non catalíticas como armazóns, inseríronse tríades catalíticas nelas, que foron despois melloradas por evolución dirixida. Inseriuse a tríade Ser-His-Asp nun anticorpo, e tamén noutras diversas proteínas. Igualmente, creáronse imitacións da tríade catalítica en pequenas moléculas orgánicas como o diaril diseleniuro, e dispostos en polímeros máis grandes como as resinas Merrifield, e nanoestruturas péptidos curtos autoensamblados.

## Evolución diverxente 
A sofisticación da rede de residuos que forma este sitio activo fixo que os residuos implicados na catálise (e os residuos en contacto con eles) estean moi conservados evolutivamente. Porén, tamén hai exemplos de evolución diverxente nas tríades catalíticas, tanto na reacción catalizada coma nos residuos usados na catálise. A tríade segue sendo o núcleo do centro activo, mais adaptouse evolutivamente para realizar diferentes funcións. Algunhas proteínas, chamadas pseudoencimas, non teñen funcións catalíticas (por exemplo, realizan regulación por unión inhibitoria) e acumularon mutacións que inactivaron as súas tríades catalíticas.

### Cambios na reacción 
As tríades catalíticas realizan unha catálise covalente por medio dun intermediario acil-encima. Se este intermediario é resolto pola auga, o resultado é a hidrólise do substrato. Pero se o intermediario é resolto polo ataque dun segundo substrato, entón o encima actúa como transferase. Por exemplo, o ataque por un grupo acilo ten como resultado unha reacción de aciltransferase. A partir de hidrolases evolucionaron varias familias de encimas transferases por adaptación para excluír a auga en favor do ataque por un segundo substrato. En diferentes membros da superfamilia das α/β-hidrolases, a tríade Ser-His-Asp é axustada polos residuos que a rodean para realizar polo menos 17 reaccións distintas segundo o caso. Algunhas destas reaccións tamén se conseguen con mecanismos que alteraron a formación ou resolución do intermediario acil-encima, ou que non se realizan por medio dun intermediario acil-encima.

### Cambios no nucleófilo 
[thumb|500px|Evolución diverxente das [Clan PA|proteases do clan PA para usar diferentes nucleófilos nas súas tríades catalíticas. Móstranse a tríade de serina da quimotripsina e a tríade de cisteína da protease TEV. ()]]
A evolución diverxente de residuos de sitios activos é lenta, debido a fortes restricións químicas. Non obstante, algunhas superfamilias de proteases evolucionaron pasando dun nucleófilo a outro. Isto pode inferirse cando unha superfamilia (co mesmo pregamento) contén familias que usan diferentes nucleófilos. Por exemplo, a proteína que se liga á heparina azurocidina é membro do clan PA, pero cunha glicina en lugar do nucleófilo e unha serina en lugar da histidina. De xeito similar, a RHBDF1 é un homólogo das proteases romboides da familia S54 cunha alanina no sitio do nucleófilo serina. Nalgúns casos, os pseudoencimas poden ter unha tríade catalítica aínda intacta pero sufriron mutacións no resto da proteína que suprimiron a súa actividade catalítica. O clan CA contén membros inactivos cataliticamente con tríades mutadas (a calpamodulina ten lisina en lugar do seu nucleófilo cisteína) e con tríades intactas pero mutacións inactivantes noutras partes (a testina de rata conserva a tríade Cys-His-Asn).

## Evolución converxente 
A encimoloxía das proteases proporciona algúns dos máis claros exemplos de evolución converxente. O mesmo arranxo xeométrico dos residuos da tríade aparece nunhas 20 superfamilias de encimas distintas. Cada unha destas superfamilias é o resultado da evolución converxente que deu lugar ao mesmo arranxo da tríade dentro dun pregamento estrutural diferente. Isto débese a que os modos produtivos para colocar os tres residuos da tríade, o esqueleto peptídico do encima e o substrato son limitados. Estes exemplos reflicten as restricións químicas e físicas que teñen os encimas, que os levan a evolucionar converxendo de forma repetida e independentemente en solucións equivalentes. En consecuencia, o residuo catalítico dunha treonina protease está localizado no seu *N*-terminal.

Sábese que dúas superfamilias de encimas evolutivamente independentes con diferentes pregamentos da proteína usan o residuo *N*-terminal como nucleófilo, que son: superfamilia PB (proteosomas que usan o pregamento Ntn) e superfamilia PE (acetiltransferases que usan o pregamento DOM) Esta semellanza na estrutura do sitio activo en pregamentos proteicos completamente diferentes indica que o sitio activo evolucionou converxentemente en ditas superfamilias.

**Familias de treonina&nbsp;proteases**

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
*Sitio activo
*Evolución converxente
*Evolución diverxente
*Catálise encimática
*Superfamilia de encimas
*Grupos funcionais
*Clan PA
*Protease
*Proteólise