Glutamato racemasa
| Glutamato racemasa | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identificadores | ||||||||
| CE no. | 5.1.1.3 | |||||||
| No CAS. | 9024-08-2 | |||||||
| Bases de datos | ||||||||
| IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
| BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
| FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
| KEGG | Entrada KEGG | |||||||
| MetaCyc | camino metabólico | |||||||
| PRIAM | perfil | |||||||
| Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
| Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | |||||||
| ||||||||
En enzimología, la glutamato racemasa ( MurI con i mayúscula ) ( EC 5.1.1.3 ) es una enzima que cataliza la reacción química.
- L-glutamato D-glutamato
Por tanto, esta enzima RacE tiene un sustrato , L-glutamato , y un producto , D-glutamato.
Esta enzima pertenece a la familia de las isomerasas , específicamente a aquellas racemasas y epimerasas que actúan sobre los aminoácidos y derivados, entre ellos la prolina racemasa, la aspartato racemasa y la diaminopimelato epimerasa. [1] Esta enzima participa en el metabolismo del glutamato que es esencial para la biosíntesis de la pared celular en bacterias. [2] La glutamato racemasa realiza la función adicional de inhibición de la girasa , evitando que la girasa se una al ADN. [3]
La glutamato racemasa (MurI) tiene dos funciones metabólicas distintas: principalmente, es una enzima crítica en la biosíntesis de la pared celular, [2] pero también juega un papel en la inhibición de la girasa . [3] La capacidad de la glutamato racemasa y otras proteínas para cumplir dos funciones distintas se conoce como " pluriempleo ".
Fondo de luz de luna
Antes del descubrimiento de las proteínas del pluriempleo , los científicos generalmente creían que una enzima solo tenía una función, lo que llevó al concepto de "un gen, una enzima". Sin embargo, este concepto ya no se aplica en la ciencia después del descubrimiento de que algunas proteínas constan de funciones mayores y menores. Esto llevó a numerosos estudios que intentaron relacionar las dos funciones entre sí. Las funciones menores de estas enzimas únicas se denominan funciones de pluriempleo, en las que una proteína puede tener funciones secundarias que no dependen de la función principal. Estas dos funciones de la proteína del pluriempleo se encuentran en una sola cadena polipeptídica. Las proteínas que son multifuncionales no se incluyen debido a la fusión de genes, familias de proteínas homólogas, variantes de corte y empalme o actividades enzimáticas promiscuas. La enzima glutamato racemasa (MurI) es un ejemplo de una proteína del pluriempleo, que funciona tanto en la biosíntesis de la pared celular bacteriana como en la inhibición de la girasa.
Estructura
Las dimensiones de MurI son aproximadamente 35 Å × 40 Å × 45 Å y consta de dos dominios compactos de estructura α / β . [1] [4] Con el sitio activo entre los dos dominios, el dominio N-terminal contiene los residuos 1-97 y 207-264 mientras que el dominio C-terminal incluye los residuos 98-206. [1] Esto permite que la enzima produzca el isómero L a partir del D-glutamato. Además, el dominio N está compuesto por láminas β de cinco hebras en comparación con láminas β de cuatro hebras del dominio C. [1] Estas especificaciones estructurales no son idénticas entre MurI de diferentes especies; S. pyogenes y B. subtilisen realidad poseen las enzimas MurI estructuralmente más similares que se hayan encontrado hasta ahora. Tampoco es raro encontrar MurI como dímero .
El sitio activo, ya que está uniformemente entre el dominio N y el dominio C, también se encuentra entre los dos residuos de cisteína . Es accesible a los disolventes, ya que varias moléculas de agua, como W1, se encuentran en el sitio activo. En algunas especies, el sitio activo también incorpora iones sulfato para someterse a enlaces de hidrógeno en el esqueleto de la amida y las cadenas laterales . [1] [5]
Función
Síntesis de la pared bacteriana
| Glutamato racemasa | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Identificadores | ||||||
| Organismo | ||||||
| Símbolo | muri | |||||
| Entrez | 948467 | |||||
| RefSeq (Prot) | NP_418402 | |||||
| UniProt | P22634 | |||||
| Otros datos | ||||||
| Número CE | 5.1.1.3 | |||||
| Cromosoma | genoma: 4,16 - 4,16 Mb | |||||
| ||||||
La glutamato racemasa es una enzima bacteriana codificada por el gen murI . Esta enzima se conoce más comúnmente como responsable de la síntesis de las paredes celulares bacterianas. A través de la experimentación se encontró que esta enzima es capaz de construir estas paredes celulares sintetizando D-glutamato a partir de L-glutamato mediante racemización . [4] El D-glutamato es un monómero de la capa de peptidoglicano en las paredes de las células procariotas. El peptidoglicano es un componente estructural esencial de la pared celular bacteriana. La capa de peptidoglicano también es responsable de la rigidez de la pared celular. [6]Este proceso, en el que MurI ayuda a catalizar la interconversión de enantiómeros de glutamato, como L-Glutamato, en el D-glutamato esencial, también es cofactor independiente. Como tal, puede proceder sin necesidad de una fuente adicional, que se uniría a un sitio alostérico, alterando la forma de la enzima para ayudar a catalizar la reacción. [7] Murl implica un proceso de dos pasos para catalizar los enantiómeros de glutamato a D-glutamato. El primer paso es una desprotonación del sustrato para formar un anión. [7]Posteriormente, el sustrato se vuelve a protonar. Una vez que el glutamato se encuentra en el sitio activo de la enzima, sufre un cambio conformacional muy grande de sus dominios. Este cambio ayuda a superponer los dos residuos de cisteína catalítica, Cys73 y Cys184, ubicados a ambos lados del sustrato en posiciones iguales. Los dominios mencionados anteriormente son simétricos y esta simetría sugiere que esta actividad racemasa de la proteína puede haber evolucionado a partir de la duplicación de genes. [5] Debido a esta función principal de la biosíntesis de las paredes de las células bacterianas, MurI se ha apuntado como un antibacteriano en el descubrimiento de fármacos. [8]
Inhibición de girasa
Junto con su función principal de biosíntesis de la pared celular, la proteína glutamato racemasa del pluriempleo también funciona de forma independiente como un inhibidor de girasa. [2] Presente en ciertas formas de bacterias, MurI reduce la actividad de la ADN girasa al evitar que la girasa se una al ADN. [2] Cuando la girasa se une al ADN, la enzima disminuye la tensión en las hebras de ADN a medida que se desenrollan y hace que las hebras se vuelvan superenrolladas. [9] Este es un paso crítico en la replicación del ADN en estas células que resulta en la reproducción de células bacterianas. [10]La presencia de glutamato racemasa en el proceso inhibe que la girasa se una eficazmente al ADN al deformar la forma del sitio activo de la enzima. Básicamente, impide que la girasa catalice la reacción que enrolla y desenrolla las hebras de ADN. [10]
Esta función de MurI se descubrió experimentalmente. La ADN girasa se incubó con la enzima MurI y luego se añadió a una muestra de ADN; los resultados de este experimento mostraron inhibición de la actividad de superenrollamiento cuando MurI estaba presente. [2] La función de biosíntesis de la pared celular de MurI no está directamente relacionada con su función de pluriempleo. La capacidad de MurI para inhibir la unión de girasa puede proceder independientemente de su función principal. [2] Esto significa que la ADN girasa, a su vez, no tendrá ningún efecto sobre la racemización de MurI, lo que se confirmó en un estudio de racemización con y sin la presencia de ADN girasa. [2]En un análisis experimental, se determinó que MurI emplea el uso de dos sitios activos enzimáticos diferentes para sus dos funciones. Esto se demostró mediante la inclusión del sustrato de racemasa L-glutamato en un ensayo con el sitio de inhibición de girasa separado. La inhibición de la girasa se produce tanto en las actividades de superenrollamiento como de relajación de la ADN girasa, y el estudio concluyó que la actividad de inhibición podía continuar, sin cambios, en presencia del sustrato de la racemasa. [10] Esto dicta que las dos funciones se pueden llevar a cabo independientemente una de la otra, en sitios que no se superponen, lo que convierte a MurI en una verdadera proteína del pluriempleo. [2]Las formas mutantes de MurI que no pueden exhibir su función racemasa, sin importar cuán comprometidas estuvieran sus habilidades racemasa, todavía se demostró a través de un estudio que pueden realizar la inhibición de la ADN girasa, con resultados comparables a una forma no mutada de MurI. [10]
Relación entre las funciones principal y de pluriempleo
La glutamato racemasa (MurI) proporciona múltiples funciones para las células bacterianas. MurI es una enzima que se conoce principalmente por su papel en la síntesis de paredes celulares bacterianas. Mientras realiza la función de síntesis de la pared celular, MurI también actúa como un inhibidor de girasa, evitando que la girasa se una al ADN. Se ha demostrado que los dos procesos no están relacionados. [2] Para determinar los efectos de la inhibición de la girasa sobre la síntesis de la pared celular, se midió la eficiencia de la conversión de D-glutamato en L-glutamato mientras se variaba la concentración de ADN girasa. Por el contrario, los efectos de la producción de la pared celular sobre la inhibición de la girasa se descubrieron variando la concentración del sustrato de racemización. [2] Los resultados de estos experimentos concluyen que no existe un efecto significativo de la racemización sobre la inhibición de la girasa o viceversa. [2] Las dos funciones de MurI actúan independientemente una de la otra reafirmando el hecho de que MurI es una proteína del pluriempleo.
Relación con el sitio activo
Se sabe que la glutamato racemasa usa su sitio activo para experimentar racemización y participar en la vía de biosíntesis de la pared celular de las bacterias. [2] Basado en la homología con otras racemasas y epimerasas, se cree que la glutamato racemasa emplea dos residuos de cisteína del sitio activo como catalizadores ácido / base. [7] Sin embargo, sorprendentemente, la sustitución de cualquiera de los dos residuos con serina no cambió significativamente la velocidad de la reacción; el valor de k cat se mantuvo entre 0,3% y 3% en comparación con la enzima de tipo salvaje . [7]Según estudios previos, lo más probable es que el sitio activo de MurI que realiza la racemización no sea el mismo sitio activo que sufre la inhibición de la girasa. Para determinar los efectos de la inhibición de la girasa sobre la síntesis de la pared celular, se midió la eficiencia de la conversión de D-glutamato en L-glutamato mientras se variaba la concentración de ADN girasa. Por el contrario, los efectos de la producción de la pared celular sobre la inhibición de la girasa se descubrieron variando la concentración del sustrato de racemización. Se ha demostrado que las dos funciones son neutrales entre sí. [2] En otras palabras, los sustratos de racemización son neutrales a la inhibición de girasa, y la ADN girasa no tiene ningún efecto sobre la racemización. Esto explica cómo la glutamato racemasa en ciertas bacterias, como Glr de B. subtilis, no inhibe la girasa; [12] si un sitio activo está involucrado con ambas funciones, esta independencia no sería posible. En consecuencia, un sitio diferente de MurI, distante de su sitio activo, está involucrado en la interacción con la girasa. [2]
Regulación enzimática
Esta proteína puede utilizar el morpheein modelo de regulación alostérica . [13]
Solicitud
La glutamato racemasa se ha convertido en un posible objetivo antibacteriano ya que el producto de esta enzima, el D-glutamato, es un componente esencial de las paredes bacterianas. La inhibición de la enzima evitará la formación de la pared bacteriana y, en última instancia, dará como resultado la lisis de la célula bacteriana por presión osmótica. Además, la glutamato racemasa no se expresa ni es el producto de esta enzima, el D-glutamato se encuentra normalmente en los mamíferos, por lo que la inhibición de esta enzima no debería resultar en toxicidad para el organismo huésped de los mamíferos. [5] Los posibles inhibidores de MurI incluyen aziridino-glutamato que alquilaría las cisteínas catalíticas; N-hidroxi glutamato que imitando Wat2 (la molécula de agua unida que interactúa con el grupo amino glutamato) evitaría la unión del sustrato; [5]o análogos de ácido D-glutámico 4-sustituidos que portan sustituyentes aril-, heteroaril-, cinamil- o biaril-metilo que también evitarían la unión del sustrato. [5]
Referencias
- ^ a b c d e Kim KH, Bong YJ, Park JK, Shin KJ, Hwang KY, Kim EE (septiembre de 2007). "Base estructural para la inhibición de la glutamato racemasa". J. Mol. Biol . 372 (2): 434–43. doi : 10.1016 / j.jmb.2007.05.003 . PMID 17658548 .
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n Sengupta S, Ghosh S, Nagaraja V (septiembre de 2008). "Función de pluriempleo de la glutamato racemasa de Mycobacterium tuberculosis: la inhibición de la racemización y la ADN girasa son dos actividades independientes de la enzima" . Microbiología . 154 (Parte 9): 2796–803. doi : 10.1099 / mic.0.2008 / 020933-0 . PMID 18757813 .
- ↑ a b Reece RJ, Maxwell A (1991). "ADN girasa: estructura y función". Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol . 26 (3–4): 335–75. doi : 10.3109 / 10409239109114072 . PMID 1657531 .
- ^ a b Hwang KY, Cho CS, Kim SS, Sung HC, Yu YG, Cho Y (mayo de 1999). "Estructura y mecanismo de la glutamato racemasa de Aquifex pyrophilus". Nat. Struct. Biol . 6 (5): 422–6. doi : 10.1038 / 8223 . PMID 10331867 .
- ↑ a b c d e Ruzheinikov SN, Taal MA, Sedelnikova SE, Baker PJ, Rice DW (noviembre de 2005). "Cambios conformacionales inducidos por sustrato en Bacillus subtilis glutamato racemasa y sus implicaciones para el descubrimiento de fármacos" . Estructura . 13 (11): 1707-13. doi : 10.1016 / j.str.2005.07.024 . PMID 16271894 .
- ^ Schleifer KH, Kandler O (diciembre de 1972). "Tipos de peptidoglicanos de paredes celulares bacterianas y sus implicaciones taxonómicas" . Bacteriol Rev . 36 (4): 407–77. doi : 10.1128 / MMBR.36.4.407-477.1972 . PMC 408328 . PMID 4568761 .
- ↑ a b c d Glavas S, Tanner ME (mayo de 2001). "Residuos del sitio activo de la glutamato racemasa". Bioquímica . 40 (21): 6199-204. doi : 10.1021 / bi002703z . PMID 11371180 .
- ^ Lundqvist T, Fisher SL, Kern G, Folmer RH, Xue Y, Newton DT, Keating TA, Alm RA, de Jonge BL (junio de 2007). "Explotación de la diversidad estructural y reguladora en racemasas de glutamato". Naturaleza . 447 (7146): 817–22. doi : 10.1038 / nature05689 . PMID 17568739 .
- ^ Sengupta S, Shah M, Nagaraja V (2006). "La glutamato racemasa de Mycobacterium tuberculosis inhibe la ADN girasa al afectar su unión al ADN" . Ácidos nucleicos Res . 34 (19): 5567–76. doi : 10.1093 / nar / gkl704 . PMC 1635304 . PMID 17020913 .
- ↑ a b c d Sengupta S, Nagaraja V (febrero de 2008). "Inhibición de la actividad de la ADN girasa por Mycobacterium smegmatis MurI" . FEMS Microbiol. Lett . 279 (1): 40–7. doi : 10.1111 / j.1574-6968.2007.01005.x . PMID 18177305 .
- ^ PDB : 2OHV ; Kim KH, Bong YJ, Park JK, Shin KJ, Hwang KY, Kim EE (septiembre de 2007). "Base estructural para la inhibición de la glutamato racemasa". J. Mol. Biol . 372 (2): 434–43. doi : 10.1016 / j.jmb.2007.05.003 . PMID 17658548 .
- ^ Ashiuchi M, Kuwana E, Komatsu K, Soda K, Misono H (junio de 2003). "Diferencias en los efectos sobre la actividad de la ADN girasa entre dos racemasas de glutamato de Bacillus subtilis, la enzima Glr de enlace de síntesis de poli-gamma-glutamato y la isoenzima YrpC (MurI)" . FEMS Microbiol. Lett . 223 (2): 221–5. doi : 10.1016 / s0378-1097 (03) 00381-1 . PMID 12829290 .
- ^ T. Selwood; EK Jaffe. (2011). "Homooligómeros de disociación dinámica y control de la función de las proteínas" . Arco. Biochem. Biophys . 519 (2): 131–43. doi : 10.1016 / j.abb.2011.11.020 . PMC 3298769 . PMID 22182754 .
Otras lecturas
- Glaser L. (1960). "Racemasa del ácido glutámico de Lactobacillus arabinosus". J. Biol. Chem . 235 : 2095–8. PMID 13828348 .
- EC 5.1.1
- Proteínas de luz de luna
