En bioquímica, la adición de un grupo funcional formilo se denomina formilación . Un grupo funcional formilo consta de un carbonilo unido a hidrógeno. Cuando se une a un grupo R , un grupo formilo se llama aldehído .
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/95/FunktionelleGruppen_Aldehyde.svg/220px-FunktionelleGruppen_Aldehyde.svg.png)
La formilación se ha identificado en varios procesos biológicos críticos. Marcker y Sanger descubrieron por primera vez que la metionina estaba formilada en E. coli en 1964 [1] y más tarde se identificó que estaba involucrada en el inicio de la síntesis de proteínas en bacterias y orgánulos. [2] La formación de N -formilmetionina es catalizada por la enzima metionil-tRNA Met transformilasa . [3] Además, se producen dos reacciones de formilación en la biosíntesis de novo de purinas . Estas reacciones son catalizadas por las enzimas glicinamida ribonucleótido (GAR) transformilasa y5-aminoimidazol-4-carboxiamida ribotida (AICAR) transformilasa . [4] Más recientemente, se ha descubierto que la formilación es una modificación de la histona , que puede modular la expresión génica.
Reacción de formilación general
La formilación se refiere a cualquier proceso químico en el que un compuesto se funcionaliza con un grupo formilo (-CH = O). En química orgánica, el término se usa más comúnmente con respecto a compuestos aromáticos (por ejemplo, la conversión de benceno en benzaldehído en la reacción de Gattermann-Koch ). En bioquímica, la reacción es catalizada por enzimas como las formiltransferasas .
Reacciones de formilación en biología
Metanogénesis
La formilación del metanofurano inicia el ciclo de metanogénesis . El grupo formilo se deriva del dióxido de carbono y se convierte en metano .
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/2/29/Methanogenesis_cycle.png/320px-Methanogenesis_cycle.png)
Formilación en la síntesis de proteínas
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/b/b9/Methionyl_tRNAfMet_transformylase_complexed_with_initiator_formylmethionyl_tRNAfMet.png/220px-Methionyl_tRNAfMet_transformylase_complexed_with_initiator_formylmethionyl_tRNAfMet.png)
En bacterias y orgánulos, el inicio de la síntesis de proteínas está señalado por la formación de formil-metionil-tRNA (tRNA fMet ). Esta reacción depende del 10-formiltetrahidrofolato y de la enzima metionil-tRNA formiltransferasa. [3] Esta reacción no es utilizada por eucariotas o Archaea, ya que la presencia de tRNA fMet en células no bacterianas se denomina material intrusivo y se elimina rápidamente. Después de su producción, el tRNA fMet se envía a la subunidad 30S del ribosoma para iniciar la síntesis de proteínas. fMet posee la misma secuencia de codones que la metionina. Sin embargo, fMet solo se usa para el inicio de la síntesis de proteínas y, por lo tanto, se encuentra solo en el extremo N de la proteína. La metionina se usa durante el resto de la traducción. En E. coli , el tRNA fMet se reconoce específicamente por el factor de iniciación IF-2 , ya que el grupo formilo bloquea la formación de enlaces peptídicos en el extremo N-terminal de la metionina. [3]
Una vez que se logra la síntesis de proteínas, el grupo formilo de la metionina puede eliminarse mediante el péptido deformilasa . El residuo de metionina puede eliminarse adicionalmente mediante la enzima metionina aminopeptidasa .
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/8/89/N-formylmethionine_synthesis.png/675px-N-formylmethionine_synthesis.png)
Reacciones de formilación en la biosíntesis de purinas.
Se requieren dos reacciones de formilación en la síntesis de novo de once pasos del monofosfato de inosina (IMP) , el precursor de los ribonucleótidos de purina AMP y GMP. La transformilasa de ribonucleótido de glicinamida (GAR) cataliza la formilación de GAR a ribotido de formilglicinamidina (FGAR) en la cuarta reacción de la vía. En el penúltimo paso de la biosíntesis de novo de purinas, la 5-aminoimidazol-4-carboxiamida ribotida (AICAR) se formila a 5-formaminoimidazol-4-carboxamida ribotida (FAICAR) mediante AICAR transformilasa . [4]
GAR transformilasa
PurN GAR transformilasa se encuentra en eucariotas y procariotas. Sin embargo, se ha identificado una segunda transformilasa GAR, PurT GAR transformilasa en E. coli . Si bien las dos enzimas no tienen conservación de secuencia y requieren diferentes donantes de formilo, la actividad específica y Km para GAR son las mismas tanto en PurT como en PurN GAR transformilasa.
PurN GAR transformilasa
PurN GAR transformilasa 1CDE utiliza la coenzima N10-formiltetrahidrofolato (N10-formil-THF) como donante de formilo para formar el grupo α-amino de GAR. En eucariotas, PurN GAR transformilasa es parte de una gran proteína multifuncional, pero se encuentra como una sola proteína en procariotas. [6]
Mecanismo
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/b/b3/GAR_transformylase_active_site_with_folate_based_inhibitor.png/220px-GAR_transformylase_active_site_with_folate_based_inhibitor.png)
Se propone que la reacción de formilación se produzca a través de una reacción de transferencia directa en la que el grupo amina de GAR ataca nucleofílicamente al N10-formil-THF creando un intermedio tetraédrico. [4] Como el grupo α-amino de GAR es relativamente reactivo, se propone que la desprotonación del nucleófilo se produzca por medio del disolvente. En el sitio activo, Asn 106, His 108 y Asp 144 se colocan para ayudar con la transferencia de formilo. [6] Sin embargo, los estudios de mutagénesis han indicado que estos residuos no son esenciales individualmente para la catálisis, ya que solo las mutaciones de dos o más residuos inhiben la enzima. En base a la estructura, se cree que el Asp144 cargado negativamente aumenta el pKa de His108, permitiendo que el grupo imidazolio protonado de His108 mejore la electrofilia del grupo formilo N10-formil-THF. Además, se cree que His108 y Asn106 estabilizan el oxianión formado en el estado de transición. [7]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/0/09/PurN_GAR_transformylase_mechanism.png/675px-PurN_GAR_transformylase_mechanism.png)
PurT GAR transformilasa
PurT GAR transformilasa requiere formiato como donante de formilo y ATP para la catálisis. Se ha estimado que PurT GAR transformilasa lleva a cabo 14-50% de las formilaciones de GAR en E. coli . La enzima es un miembro de la superfamilia de proteínas ATP-grasp. [8]
Mecanismo
Se ha propuesto un mecanismo secuencial para PurT GAR transformilasa en el que se propone que se forme en primer lugar un intermedio de fosfato de formilo de vida corta. Este intermedio de fosfato de formilo luego sufre un ataque nucleófilo por la amina GAR para la transferencia del grupo formilo. Se ha detectado un intermedio de fosfato de formilo en experimentos de mutagénesis, en los que la transformada purT GAR mutante tenía una afinidad débil por el formato. [6] La incubación de PurT GAR transformilasa con formilfosfato, ADP y GAR produce tanto ATP como FGAR. Esto indica además que el fosfato de formilo puede ser un intermedio, ya que es cinética y químicamente competente para llevar a cabo la reacción de formilación en la enzima. [9] También se ha propuesto la formación de un intermedio de enzima fosfato que precede al intermedio de formilfosfato basándose en estudios de intercambio de isótopos posicionales. [9] Sin embargo, los datos estructurales indican que el formiato puede estar posicionado para un ataque directo sobre el γ-fosfato de ATP en el sitio activo de la enzima para formar el intermedio de formilfosfato. [8]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/b/b3/PurT_GAR_Transformylase_Reaction.png/675px-PurT_GAR_Transformylase_Reaction.png)
Transformilasa AICAR
La transformilasa AICAR requiere la coenzima N10-formiltetrahidrofolato (N10-formil-THF) como donante de formilo para la formilación de AICAR a FAICAR. Sin embargo, la transformilasa AICAR y la transformilasa GAR no comparten una gran similitud de secuencia u homología estructural. [7]
Mecanismo
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/90/AICAR_transformylase_active_site.png/220px-AICAR_transformylase_active_site.png)
La amina en AICAR es mucho menos nucleófila que su contraparte en GAR debido a la deslocalización de electrones en AICAR a través de la conjugación. Por lo tanto, el nucleófilo N5 de AIRCAR debe activarse para que se produzca la reacción de formilación. Se ha descubierto que la histidina 268 y la lisina 267 son esenciales para la catálisis y se conservan en toda la transformilasa AICAR. La histidina 268 participa en la desprotonación del nucleófilo N5 de AICAR, mientras que se propone que la lisina 267 estabilice el intermedio tetraédrico. [7]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/8/87/AICAR_transformylase_mechanism.png/675px-AICAR_transformylase_mechanism.png)
Formilación en proteínas histonas
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/d3/Lysine_and_n-formyl_lysine.png/220px-Lysine_and_n-formyl_lysine.png)
La ε-formilación es una de las muchas modificaciones postraduccionales que se producen en las proteínas histonas, que se ha demostrado que modulan las conformaciones de la cromatina y la activación de genes.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Formation_n-formyl_lysine_and_acetyl-lysine.png/220px-Formation_n-formyl_lysine_and_acetyl-lysine.png)
Se ha identificado la formilación en el Nε de residuos de lisina en histonas y proteínas. Esta modificación se ha observado en histonas enlazadoras y proteínas del grupo de alta movilidad , es muy abundante y se cree que tiene un papel en la epigenética de la función de la cromatina. Se ha demostrado que las lisinas formiladas desempeñan un papel en la unión del ADN. Además, se ha detectado la formilación en lisinas de histonas que también se sabe que están acetiladas y metiladas. Por tanto, la formilación puede bloquear otras modificaciones postraduccionales. [10] La formilación se detecta con mayor frecuencia en 19 sitios de modificación diferentes en la histona H1. La expresión genética de la célula se ve muy alterada por la formilación, que puede causar enfermedades como el cáncer. El desarrollo de estas modificaciones puede deberse al estrés oxidativo. [10]
En las proteínas histonas, la lisina es típicamente modificada por histonas acetiltransferasas (HAT) e histonas desacetilasas (HDAC o KDAC). La acetilación de lisina es fundamental para la regulación y expresión de ciertos genes. El estrés oxidativo crea un entorno significativamente diferente en el que la acetil-lisina puede ser rápidamente superada por la formación de formil-lisina debido a la alta reactividad de las especies de formilfosfato. Actualmente se cree que esta situación es causada por daño oxidativo del ADN. Se ha propuesto un mecanismo para la formación de formilfosfato, que depende en gran medida del ADN dañado por oxidación y está impulsado principalmente por la química de los radicales dentro de la célula. [11] El formilfosfato producido se puede utilizar para formar lisina. Se cree que el estrés oxidativo juega un papel en la disponibilidad de residuos de lisina en la superficie de las proteínas y en la posibilidad de que se formulen.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/77/Formation_of_formyl_phosphate.png/400px-Formation_of_formyl_phosphate.png)
Formilación en medicina
Reacciones de formilación como diana farmacológica
La inhibición de las enzimas implicadas en la biosíntesis de purinas se ha aprovechado como posible objetivo farmacológico para la quimioterapia.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/79/Lometrexol.png/220px-Lometrexol.png)
Las células cancerosas requieren altas concentraciones de purinas para facilitar la división [6] y tienden a depender de la síntesis de novo en lugar de la vía de rescate de nucleótidos . [7] [12] Se han desarrollado varios inhibidores basados en folato para inhibir las reacciones de formilación por la transformilasa GAR y la transformilasa AICAR. [13] El primer inhibidor de la transformilasa GAR Lometrexol [(6R) 5,10-dideazatetrahydrofolate] se desarrolló en la década de 1980 a través de una colaboración entre Eli Lilly y laboratorios académicos. [14]
Aunque es similar en estructura al N10-formil-THF, el lometrexol es incapaz de llevar a cabo reacciones de transferencia de carbono. [13] Además, también se han sintetizado varios inhibidores GAR de la transformilasa GAR. [13] Se ha encontrado que el desarrollo de inhibidores basados en folato es particularmente desafiante ya que los inhibidores también regulan negativamente la enzima folipoliglutamato sintasa , que agrega γ-glutamatos adicionales a los folatos y antifolatos monoglutamato después de ingresar a la célula para aumentar la afinidad enzimática. Esta mayor afinidad puede conducir a una resistencia a los antifolatos. [12]
Síndrome de Leigh
El síndrome de Leigh es un trastorno neurodegenerativo que se ha relacionado con un defecto en una reacción de formilación enzimática. El síndrome de Leigh se asocia típicamente con defectos en la fosforilación oxidativa, que ocurre en las mitocondrias. [15] La secuenciación del exoma se ha utilizado para identificar una mutación en el gen que codifica la metionil-tRNA formiltransferasa mitocondrial (MTFMT) en pacientes con síndrome de Leigh. Se cree que la mutación c.626C> T identificada en MTFMT que produce síntomas del síndrome de Leigh altera el corte y empalme del exón que conduce a una mutación por desplazamiento del marco de lectura y un codón de parada prematuro. Se encontró que los individuos con la mutación MTFMT c.626C> T tenían niveles reducidos de fMet-tRNAMet y cambios en el nivel de formilación de COX1 traducida mitocondricamente. Este vínculo proporciona evidencia de la necesidad de metionina formilada en el inicio de la expresión de ciertos genes mitocondriales. [dieciséis]
Referencias
- ^ Marcker, K; Sanger, F. (1964). "N-formil-metionil-S-ARN". J. Mol. Biol . 8 (6): 835–840. doi : 10.1016 / S0022-2836 (64) 80164-9 . PMID 14187409 .
- ^ Adams, JM; Capecchi, MR (1966). "N-formilmetionil-sRNA como iniciador de la síntesis de proteínas" . PNAS . 55 (1): 147-155. Código Bibliográfico : 1966PNAS ... 55..147A . doi : 10.1073 / pnas.55.1.147 . PMC 285768 . PMID 5328638 .
- ^ a b c Kozak, M. (1983). "Comparación de la iniciación de la síntesis de proteínas en procariotas, eucariotas y orgánulos" . Revisiones microbiológicas . 47 (1): 1–45. doi : 10.1128 / MMBR.47.1.1-45.1983 . PMC 281560 . PMID 6343825 .
- ^ a b c Voet y Voet (2008). Fundamentos de Bioquímica 3ª edición . Nueva York: Wiley.
- ^ Thauer, RK (1998). "Bioquímica de la metanogénesis: un tributo a Marjory Stephenson" . Microbiología . 144 : 2377–2406. doi : 10.1099 / 00221287-144-9-2377 . PMID 9782487 .
- ^ a b c d Warren, MS; KM Mattia; AE Marolewski; SJ Benkovic (1996). "Las enzimas transformilasa de la biosíntesis de purina de novo" (PDF) . Pure Appl. Chem . 68 (11): 2029-2036. doi : 10.1351 / pac199668112029 . S2CID 39555269 . Consultado el 24 de febrero de 2013 .
- ^ a b c d Wolan, D; Greasley, SE; Beardsley, P .; Wilson, IA (2002). "Perspectivas estructurales en el mecanismo aviar AICAR Transformilasa". Bioquímica . 41 (52): 15505-15513. doi : 10.1021 / bi020505x . PMID 12501179 .
- ^ a b Thoden, JB; Firestine, S .; Nixon, A .; Benkovic, SJ; Holden, HM (2000). "Estructura molecular de Escherichia coli Glycinamida Ribonucleótido Transformilasa codificada por PurT". Bioquímica . 39 (30): 8791–8802. doi : 10.1021 / bi000926j . PMID 10913290 .
- ^ a b Marolewski, AE; Mattia, KM; Warren, MS; Benkovic, SJ (1997). "Fosfato de formilo: un intermedio propuesto en la reacción catalizada por Escherichia coli PurT GAR transformilasa". Bioquímica . 36 (22): 6709–6716. doi : 10.1021 / bi962961p . PMID 9184151 .
- ^ a b Wisniewski, JR; Zougman, A .; Mann, M. (2002). "La N-formilación de lisina es una modificación postraduccional generalizada de proteínas nucleares que se produce en los residuos implicados en la regulación de la función de la cromatina" . Investigación de ácidos nucleicos . 36 (2): 570–577. doi : 10.1093 / nar / gkm1057 . PMC 2241850 . PMID 18056081 .
- ^ Jiang, T; Zhou, X .; Taghizadeh, K .; Dong, M .; Dedon, PC. (2007). "N-formilación de lisina en proteínas histonas como una modificación secundaria derivada del daño oxidativo del ADN" . PNAS . 104 (1): 60–65. Código bibliográfico : 2007PNAS..104 ... 60J . doi : 10.1073 / pnas.0606775103 . PMC 1765477 . PMID 17190813 .
- ^ a b DeMartino, JK; Hwang, I .; Xu, L .; Wilson, IA; Boger, DL (2006). "Descubrimiento de un inhibidor potente, no poliglutamatizable de glicinamida ribonucleótido transformilasa" . Revista de química medicinal . 49 (10): 2998–3002. doi : 10.1021 / jm0601147 . PMC 2531195 . PMID 16686541 .
- ^ a b c Christopherson, RI; Lyons, SD; Wilson, PK (2002). "Inhibidores de la biosíntesis de nucleótidos de novo como fármacos". Acc. Chem. Res . 35 (11): 961–971. doi : 10.1021 / ar0000509 . PMID 12437321 .
- ^ Wang, L; Desmoulin, SK; Cherian, C .; Polin, L .; White, K .; Kushner, J .; Fulterer, A .; Chang, M .; Mitchell, S .; Stout, M .; Romero, MF; Hou, Z .; Matherly, LH; Gangjee, A (2011). "Síntesis, actividad biológica y antitumoral de un inhibidor antifolato de pirrolo [2,3-d] pirimidina tienoilo 6-sustituido altamente potente con transportador de folato acoplado a protones y selectividad del receptor de folato sobre el portador de folato reducido que inhibe la β-glicinamida ribonucleótido formiltransferasa" . Revista de química medicinal . 54 (20): 7150–7164. doi : 10.1021 / jm200739e . PMC 3209708 . PMID 21879757 .
- ^ "Síndrome de Leigh" . Herencia mendeliana en línea en el hombre . Consultado el 24 de febrero de 2013 .
- ^ Tucker EJ, Hershman SG, Köhrer C, Belcher-Timme CA, Patel J, Goldberger OA, Christodoulou J, Silberstein JM, McKenzie M, Ryan MT, Compton AG, Jaffe JD, Carr SA, Calvo SE, RajBhandary UL, Thorburn DR, Mootha VK (2011). "Las mutaciones en MTFMT son la base de un trastorno humano de formilación que causa alteración de la traducción mitocondrial" . Cell Metab . 14 (3): 428–434. doi : 10.1016 / j.cmet.2011.07.010 . PMC 3486727 . PMID 21907147 .
Ver también
- N- formilmetionina