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malato sintasa
Identificadores
CE no.2.3.3.9
No CAS.9013-48-3
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MetaCyccamino metabólico
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En enzimología , una malato sintasa ( EC 2.3.3.9 ) es una enzima que cataliza la reacción química.

acetil-CoA + H 2 O + glioxilato( S ) -malato + CoA

Los 3 substratos de esta enzima son acetil-CoA , H 2 O , y glioxilato , mientras que sus dos productos son ( S ) -malato y CoA . Esta enzima participa en el metabolismo del piruvato y del glioxilato y dicarboxilato .

Nomenclatura

Esta enzima pertenece a la familia de las transferasas , específicamente las aciltransferasas que convierten los grupos acilo en grupos alquilo en la transferencia. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA: glioxilato C-acetiltransferasa (hidrolizante de tioéster, formador de carboximetilo). Otros nombres de uso común incluyen L-malato glioxilato-liasa (CoA-acetilación), glioxilato transacetilasa, glioxilato transacetasa, glioxilato transacetasa, enzima de condensación de malato, malato sintetasa, málica sintetasa y enzima de condensación málica.

Estructura

Estructura cristalográfica de la enzima malato sintasa (izquierda) y vista ampliada del sitio activo (derecha) complejado con su producto, malato y un catión de magnesio coordinado. [1]

Las malato sintasas se dividen en dos familias principales, las isoformas A y G. La isoforma G es monomérica con un tamaño de aproximadamente 80 kD y se encuentra exclusivamente en bacterias . [2] La isoforma A tiene aproximadamente 65 kD por subunidad y puede formar homomultímeros en eucariotas . [3] Esta enzima contiene un barril TIM central intercalado entre un cierre helicoidal alfa N-terminal y un dominio alfa / beta derivado de dos inserciones en la secuencia del barril TIM . La enzima termina con un conector C-terminal de cinco hélices. El sitio activo, donde la acetil-CoA y el glioxilatounirse a la enzima, se encuentra entre el cilindro TIM y el conector C-terminal . [4] Tras la unión, la molécula de acetil-CoA forma una forma de J insertada en el bolsillo de unión, mediante un enlace de hidrógeno intramolecular entre el N7 del anillo de adenina y un grupo hidroxilo en la cola de la panteteína . [4] Además, un ión de magnesio crítico dentro del sitio activo se coordina con glioxilato , ácido glutámico 427, ácido aspártico 455 y dos moléculas de agua. [4]Los aminoácidos que interactúan con acetil CoA al unirse están muy conservados. [2] La identidad de secuencia es alta dentro de cada clase de isoformas, pero entre ambas clases la identidad de secuencia cae a aproximadamente un 15%. [5] El dominio alfa / beta, que no tiene función aparente, no se ve en la isoforma A. [6]

Longitud total
Sitio activo de malato sintasa unido a piruvato y acetil-CoA (ACO), que se muestra en su configuración J doblada. El catión octaédrico de coordinación Mg 2+ se muestra en verde, las moléculas de agua como puntos rojos y los contactos polares como líneas amarillas discontinuas.

Mecanismo

El mecanismo de la malato sintasa es una reacción aldólica seguida de hidrólisis del tioéster . Inicialmente, el aspartato 631 actúa como una base catalítica, extrayendo un protón del carbono alfa de acetil-CoA y creando un enolato que es estabilizado por la arginina 338. [6] Este se considera el paso determinante de la velocidad del mecanismo. [7] Luego, el enolato recién formado actúa como un nucleófilo que ataca al aldehído del glioxilato , impartiendo una carga negativa al oxígeno.que es estabilizado por arginina 338 y el catión de magnesio coordinador . Este intermedio de malil-CoA luego se somete a hidrólisis en la porción acil-CoA , generando un anión carboxilato . [2] La enzima finalmente los estrenos de malato y coenzima A .

Función

El papel de la malato sintasa en el ciclo del glioxilato.

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs) es utilizado por organismos aeróbicos para producir energía a través de la oxidación de acetil-CoA , que se deriva del piruvato (un producto de la glucólisis ). El ciclo del ácido cítrico acepta acetil-CoA y lo metaboliza para formar dióxido de carbono . Un ciclo relacionado, llamado ciclo de glioxilato , se encuentra en muchas bacterias y plantas. En las plantas, el ciclo del glioxilato tiene lugar en los glioxisomas . [8] En este ciclo, isocitrato liasay la malato sintasa se saltan los pasos de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico. En otras palabras, la malato sintasa trabaja junto con la isocitrato liasa en el ciclo del glioxilato para evitar dos pasos oxidativos del ciclo de Krebs y permitir la incorporación de carbono del acetato o ácidos grasos en muchos microorganismos. [9] Juntas, estas dos enzimas sirven para producir succinato (que sale del ciclo para ser utilizado para la síntesis de azúcares) y malato (que permanece en el ciclo del glioxilato). Durante este proceso, se utilizan acetil-CoA y agua como sustratos. Como resultado, la célula no pierde 2 moléculas de dióxido de carbono como lo hace en elCiclo de Krebs . El ciclo del glioxilato, facilitado por la malato sintasa y la isocitrato liasa, permite que las plantas y las bacterias subsistan con acetil-CoA u otros dos compuestos de carbono. Por ejemplo, Euglena gracilis , un unicelular eucariota alga , consume etanol a la forma de acetil-CoA y, posteriormente, los hidratos de carbono . [10] Dentro de las plantas en germinación , el ciclo del glioxilato permite la conversión de los lípidos de reserva en carbohidratos dentro de los glioxisomas . [11]

Historia evolutiva

La malato sintasa se encuentra como un octámero de subunidades idénticas (cada una de aproximadamente 60 kDa) en algunas plantas, incluido el maíz. Se encuentra como homotetrámero en el hongo Candida y como homodímero en eubacterias . La malato sintasa se fusiona con el extremo C de la isocitrato liasa en C. elegans , lo que da como resultado una única proteína bifuncional. Si bien actualmente no hay suficiente información de secuencia para determinar la historia evolutiva exacta de la malato sintasa, las secuencias de plantas, hongos y C. elegans son distintas y no muestran homólogos de las arqueobacterias . [12]

Actividad en humanos

Tradicionalmente, las malato sintasas se describen en bacterias como parte del ciclo del glioxilato, y la actividad malato sintasa no se había informado para una proteína humana antes de un estudio de Strittmatter, et al. En este estudio, se descubrió que CLYBL es una enzima mitocondrial humana con actividad malato sintasa. Se encuentra en múltiples taxones eucariotas y se conserva en bacterias. CLYBL se diferencia de otras malato sintasas en que carece de una gran parte del dominio C-terminal y muestra una menor actividad y eficiencia específicas. [13] CLYBL está vinculado a la vía del metabolismo de la vitamina B12 porque se coexpresa fuertemente con MUT, MMAA y MMAB, tres miembros de la vía mitocondrial B12. [13]Además, un polimorfismo de pérdida de función , que conduce a una pérdida de la proteína CLYBL, se asocia simultáneamente con niveles bajos de B12 en el plasma humano. [13] Si bien no se comprende bien el mecanismo exacto de la participación de CLYBL en el metabolismo de B12, se cree que convierte citramalyl-CoA en piruvato y acetil-CoA. Sin esta conversión, la itaconil-CoA, un precursor de citramalyl-CoA, se acumula en la célula y conduce a la inactivación de la vitamina B12. Esta inactivación inhibe el ciclo de la metionina, lo que conduce a un metabolismo reducido de serina , glicina , un carbono y folato . [14] [15]

Importancia clínica

Debido a que el ciclo del glioxilato ocurre en bacterias y hongos, el estudio de los mecanismos de la malato sintasa (así como de la isocitrato liasa) es importante para comprender la patogénesis humana, animal y vegetal . El estudio de la malato sintasa puede arrojar luz sobre las vías metabólicas que permiten que los patógenos sobrevivan dentro de un huésped y dilucidar posibles tratamientos. [16] Se han realizado muchos estudios sobre la actividad de la malato sintasa en patógenos, incluidos Mycobacterium tuberculosis , Pseudomonas aeruginosa , Brucella melitensis y Escherichia coli .

Mycobacterium tuberculosis

La malato sintasa y la vía del glioxilato son especialmente importantes para M. tuberculosis , ya que permiten la persistencia a largo plazo de su infección. [2] Cuando las células de M. tuberculosis se fagocitan , la bacteria regula al alza los genes que codifican las enzimas de derivación de glioxilato . [17] Mycobacterium tuberculosis es uno de los patógenos mejor estudiados en relación con la enzima malato sintasa. La estructura y la cinética de la malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis se han categorizado bien. [18] [2] La malato sintasa es esencial para Mycobacterium tuberculosissupervivencia porque permite que las bacterias asimilen acetil-CoA en carbohidratos de cadena larga y sobrevivan en ambientes hostiles. Más allá de esto, la malato sintasa evita la toxicidad de la acumulación de glioxilato producido por la isocitrato liasa . [19] La regulación a la baja de la malato sintasa da como resultado una reducción de la tolerancia al estrés, la persistencia y el crecimiento de Mycobacterium tuberculosis dentro de los macrófagos. [20] La enzima puede ser inhibida por moléculas pequeñas (aunque la inhibición depende del microambiente), lo que sugiere que estas pueden usarse como nuevas quimioterapias. [21]

Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas aeruginosa causa infecciones graves en humanos y la Organización Mundial de la Salud la considera una amenaza críticadebido a su resistencia a múltiples terapias. La derivación de glioxilato es esencial para elcrecimientode Pseudomonas aeruginosa en un organismo huésped. En 2017, McVey, et al. examinaron la estructura 3D de lamalato sintasa Gde P. aeruginosa . Encontraron que es un monómero compuesto por cuatro dominios y está altamente conservado en otros patógenos. Además, utilizaron el análisis computacional para identificar dos bolsas de unión que pueden servir como objetivos de fármacos. [22]

Brucella melitensis

Brucella melitensis es una bacteria patógena que causa fiebre e inflamación del epidídimo en ovinos y bovinos y puede transmitirse a los humanos a través del consumo deleche no pasteurizada. La malato sintasa se ha identificado como un factor de virulencia potencialen esta bacteria. En 2016, Adi, et al. construyó una estructura cristalizada en 3D de la proteína para identificar dominios catalíticos e investigar inhibidores potenciales. Identificaron cinco inhibidores con toxicidad no oral que sirvieron como medicamentos contra la bacteria, lo que sugiere posibles vías de tratamiento para la brucelosis . [23]

Escherichia coli

En Escherichia coli , los genes que codifican las enzimas necesarias para el ciclo del glioxilato se expresan a partir del operón ace policistrónico . Este operón contiene genes que codifican malato sintasa (aceB), isocitrato liasa (aceA) e isocitrato deshidrogenasa quinasa / fosfatasa (aceK). [24]

Estudios estructurales

A principios de 2018, se han resuelto varias estructuras para las malato sintasas, incluidas aquellas con códigos de acceso PDB 2GQ3 , 1D8C , 3OYX , 3PUG , 5TAO , 5H8M , 2JQX , 1P7T y 1Y8B . [25]

Referencias

  1. ^ PDB : 5T8G ; Huang HL, Krieger IV, Parai MK, Gawandi VB, Sacchettini JC (diciembre de 2016). "Estructuras de malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis con fragmentos revelan un portal para el intercambio de sustrato / producto" . La revista de química biológica . 291 (53): 27421–32. doi : 10.1074 / jbc.m116.750877 . PMC  5207166 . PMID  27738104 .
  2. ↑ a b c d e Smith CV, Huang CC, Miczak A, Russell DG, Sacchettini JC, Höner zu Bentrup K (enero de 2003). "Estudios bioquímicos y estructurales de malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis" . La revista de química biológica . 278 (3): 1735–43. doi : 10.1074 / jbc.M209248200 . PMID 12393860 . 
  3. ^ Durchschlag H, Biedermann G, Eggerer H (febrero de 1981). "Purificación a gran escala y algunas propiedades de la malato sintasa de la levadura de pan" . Revista europea de bioquímica . 114 (2): 255–62. doi : 10.1111 / j.1432-1033.1981.tb05144.x . PMID 7011808 . 
  4. ↑ a b c Anstrom DM, Kallio K, Remington SJ (septiembre de 2003). "Estructura de la malato sintasa G de Escherichia coli: piruvato: complejo ternario abortivo acetil-coenzima A con una resolución de 1,95 A" . Ciencia de las proteínas . 12 (9): 1822–32. doi : 10.1110 / ps.03174303 . PMC 2323980 . PMID 12930982 .  
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