Una fitasa ( mioinositol hexakisfosfato fosfohidrolasa) es cualquier tipo de enzima fosfatasa que cataliza la hidrólisis del ácido fítico (mioinositol hexakisfosfato), una forma orgánica no digerible de fósforo que se encuentra en muchos tejidos vegetales, especialmente en granos y semillas oleaginosas. - y libera una forma utilizable de fósforo inorgánico. [1] Si bien se ha encontrado que las fitasas ocurren en animales, plantas, hongos y bacterias, las fitasas se han detectado y caracterizado con mayor frecuencia a partir de hongos. [2]
Historia
La primera fitasa vegetal se encontró en 1907 en el salvado de arroz [3] [4] y en 1908 en un animal ( hígado y sangre de ternero ). [4] [5] En 1962 comenzó el primer intento de comercializar fitasas con el propósito de mejorar la nutrición de alimentos para animales cuando International Minerals & Chemicals (IMC) estudió más de 2000 microorganismos para encontrar los más adecuados para la producción de fitasas. Este proyecto se lanzó en parte debido a preocupaciones sobre las fuentes extraíbles de fósforo inorgánico que eventualmente se agotan (ver fósforo máximo ), que IMC estaba suministrando para la industria de alimentos balanceados en ese momento. La cepa fúngica Aspergillus ( ficuum ) niger NRRL 3135 (ATCC 66876) se identificó como un candidato prometedor [6], ya que era capaz de producir grandes cantidades de fitasas extracelulares. [7] Sin embargo, la eficiencia del organismo no fue suficiente para la comercialización, por lo que el proyecto terminó en 1968 como un fracaso. [6]
Aún así, la identificación de A. niger condujo en 1984 a un nuevo intento con mutantes de A. niger hechos con la tecnología de ADN recombinante inventada relativamente recientemente . Este proyecto financiado por el USDA fue iniciado por el Dr. Rudy Wodzinski, quien anteriormente participó en el proyecto de IMC. [6] Este proyecto de 1984 condujo en 1991 al primer gen phyA de fitasa parcialmente clonado (de A. niger NRRL 31235) [6] [8] y más tarde en 1993 a la clonación del gen completo y su sobreexpresión en A. niger . [6] [9]
En 1991, BASF comenzó a vender la primera fitasa comercial producida en A. niger bajo la marca comercial Natuphos, que se utilizó para aumentar el contenido de nutrientes de la alimentación animal . [6]
En 1999, las fitasas bacterianas de Escherichia coli se identificaron como más eficaces que las fitasas fúngicas de A. niger . [6] [10] [11] Posteriormente, esto llevó al uso de alimento para animales de esta nueva generación de fitasas bacterianas que eran superiores a las fitasas fúngicas en muchos aspectos. [6]
Clases
En la literatura se han caracterizado cuatro clases distintas de fitasas: histidina fosfatasas ácidas (HAPS), fitasas de hélice beta (BPP), fosfatasas ácidas púrpuras (PAP), [2] y, más recientemente, fitasas similares a la proteína tirosina fosfatasa (PTP) como las fitasas). [12]
Histidina fosfatasas ácidas (HAP)
La mayoría de las fitasas conocidas pertenecen a una clase de enzimas llamadas histidina fosfatasas ácidas (HAP). Los HAP se han aislado de hongos filamentosos, bacterias, levaduras y plantas. [1] Todos los miembros de esta clase de fitasa comparten un motivo de secuencia de sitio activo común (Arg-His-Gly-X-Arg-X-Pro) y tienen un mecanismo de dos pasos que hidroliza el ácido fítico (así como algunos otros fosfoésteres ). [2] La fitasa del hongo Aspergillus niger es un HAP y es bien conocida por su alta actividad específica y su papel comercializado como aditivo alimentario animal para aumentar la biodisponibilidad del fosfato del ácido fítico en las dietas a base de cereales de aves de corral y cerdo. [13] Los HAP también se han sobreexpresado en varias plantas transgénicas como posible método alternativo de producción de fitasa para la industria de alimentos para animales [14] y, muy recientemente, el gen de la fitasa HAP de E. coli se ha expresado con éxito en un cerdo transgénico. [15]
fitasas de hélice β
Las fitasas de hélice β constituyen una clase de fitasa descubierta recientemente. Estos primeros ejemplos de esta clase de enzimas se clonaron originalmente a partir de especies de Bacillus , [2] pero desde entonces se han identificado numerosos microorganismos que producen fitasas de hélice β. La estructura tridimensional de la fitasa de hélice β es similar a una hélice de seis palas. La investigación actual sugiere que las fitasas de hélice β son las principales enzimas que degradan los fitatos en el agua y el suelo, y pueden desempeñar un papel importante en el ciclo fitato-fósforo. [dieciséis]
Fosfatasas ácidas púrpuras
Recientemente se ha aislado una fitasa de los cotiledones de semillas de soja en germinación que tiene el motivo del sitio activo de una fosfatasa ácida púrpura (PAP). Esta clase de metaloenzima ha sido bien estudiada y las búsquedas en bases de datos genómicas revelan secuencias similares a PAP en plantas, mamíferos, hongos y bacterias. Sin embargo, solo se ha encontrado que la PAP de la soja tiene alguna actividad fitasa significativa. La estructura tridimensional, el motivo de la secuencia del sitio activo y el mecanismo de catálisis propuesto se han determinado para las PAP. [ cita requerida ]
Fitasas de tipo proteína tirosina fosfatasa
Solo unas pocas de las fitasas conocidas pertenecen a una superfamilia de enzimas llamadas proteína tirosina fosfatasas (PTP). Las fitasas similares a PTP, una clase de fitasa descubierta relativamente recientemente, se han aislado de bacterias que normalmente habitan en el intestino de los animales rumiantes. [17] Todas las fitasas similares a PTP caracterizadas comparten un motivo de secuencia de sitio activo (His-Cys- (X) 5-Arg), un mecanismo ácido-base de dos pasos de desfosforilación y actividad hacia residuos de tirosina fosfrilados, características que son común a todas las enzimas de la superfamilia PTP. [18] [19] Al igual que muchas enzimas de la superfamilia de PTP, aún no se han identificado claramente los sustratos biológicos exactos y las funciones de las fitasas bacterianas similares a PTP. Las fitasas similares a PTP caracterizadas de bacterias ruminales comparten una secuencia y una homología estructural con la fosfoinositida / -inositol fosfatasa similar a PTP de mamíferos PTEN, [12] y una homología de secuencia significativa con el dominio PTP de una proteína de virulencia secretada de tipo III de Pseudomonas syringae ( HopPtoD2). [20]
Caracteristicas bioquimicas
Especificidad del sustrato
La mayoría de las fitasas muestran una amplia especificidad de sustrato, con la capacidad de hidrolizar muchos compuestos fosforilados que no son estructuralmente similares al ácido fítico, como ADP , ATP , fenilfosfato, fructosa 1,6-bisfosfato , glucosa 6-fosfato , glicerofosfato y 3-fosfoglicerato. . Solo unas pocas fitasas se han descrito como altamente específicas para el ácido fítico, como las fitasas de Bacillus sp. , Aspergillus sp. , E. coli [21] y las fitasas que pertenecen a la clase de fitasas similares a PTP [18]
Vías de desfosforilación del ácido fítico
El ácido fítico tiene seis grupos fosfato que las fitasas pueden liberar a diferentes velocidades y en diferente orden. Las fitasas hidrolizan los fosfatos del ácido fítico de manera escalonada, produciendo productos que nuevamente se convierten en sustratos para una mayor hidrólisis. La mayoría de las fitasas pueden escindir cinco de los seis grupos fosfato del ácido fítico. Las fitasas se han agrupado en función de la primera posición de fosfato del ácido fítico que se hidroliza. El Comité de Nomenclatura de Enzimas de la Unión Internacional de Bioquímica reconoce tres tipos de fitasas en función de la posición del primer fosfato hidrolizado, que son 3-fitasa ( EC 3.1.3.8 ), 4-fitasa ( EC 3.1.3.26 ) y 5- fitasa ( EC 3.1.3.72 ). Hasta la fecha, la mayoría de las fitasas conocidas son 3-fitasas o 4-fitasas, [21] sólo un HAP purificado a partir de polen de lirio [22] y una fitasa similar a PTP de Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica [20] se ha determinado que son 5-fitasas .
Relevancia biológica
El ácido fítico y sus metabolitos tienen varias funciones importantes en semillas y granos, en particular, el ácido fítico funciona como depósito de fósforo, depósito de energía, fuente de cationes y fuente de mioinositol (un precursor de la pared celular). El ácido fítico es la principal forma de almacenamiento de fósforo en las semillas de las plantas y la principal fuente de fósforo en las dietas a base de cereales que se utilizan en las explotaciones ganaderas intensivas. El fosfato orgánico que se encuentra en el ácido fítico no está disponible en gran medida para los animales que lo consumen, pero el fosfato inorgánico que liberan las fitasas se puede absorber fácilmente. Los animales rumiantes pueden utilizar el ácido fítico como fuente de fósforo porque las bacterias que habitan en su intestino son productoras bien caracterizadas de muchos tipos de fitasas. Sin embargo, los animales monogástricos no son portadores de bacterias que produzcan fitasa, por lo que estos animales no pueden utilizar el ácido fítico como fuente principal de fósforo y se excreta en las heces. [23] Sin embargo, los humanos, especialmente los vegetarianos y veganos debido a una mayor adaptación del microbioma intestinal, pueden tener microbios en el intestino que pueden producir fitasa que descomponen el ácido fítico. [24]
El ácido fítico y sus metabolitos tienen otras funciones importantes en los procesos fisiológicos eucariotas . Como tales, las fitasas, que hidrolizan el ácido fítico y sus metabolitos, también tienen funciones importantes. El ácido fítico y sus metabolitos se han implicado en la reparación del ADN, el reciclaje vesicular recubierto de clatrina , el control de la neurotransmisión y la proliferación celular. [25] [26] [27] El papel exacto de las fitasas en la regulación del ácido fítico y sus metabolitos y el papel resultante en los procesos fisiológicos descritos anteriormente son todavía en gran parte desconocidos y son objeto de mucha investigación.
Se ha informado que la fitasa causa neumonitis por hipersensibilidad en un ser humano expuesto mientras se agrega la enzima a la alimentación del ganado. [28] [29]
Usos agrícolas e industriales
La fitasa es producida por bacterias que se encuentran en el intestino de los animales rumiantes (ganado vacuno, ovino), lo que les permite utilizar el ácido fítico que se encuentra en los cereales como fuente de fósforo. [30] Los no rumiantes ( animales monogástricos ) como los seres humanos, perros, cerdos, pájaros, etc. no producen fitasa. La investigación en el campo de la nutrición animal ha planteado la idea de complementar el pienso con fitasa para poner a disposición del animal nutrientes ligados al fitato como calcio , fósforo , minerales , carbohidratos , aminoácidos y proteínas . [31] En Canadá, un cerdo modificado genéticamente llamado Enviropig, que tiene la capacidad de producir fitasa principalmente a través de sus glándulas salivales, fue desarrollado y aprobado para producción limitada. [32] [33]
La fitasa se utiliza como complemento alimenticio para animales, a menudo en aves de corral y cerdos, para mejorar el valor nutritivo del material vegetal mediante la liberación de fosfato inorgánico a partir del ácido fítico (hexakisfosfato de mioinositol). La fitasa se puede purificar a partir de microbios transgénicos y se ha producido recientemente en plantas transgénicas de canola , alfalfa y arroz . [34]
Ver también
- 4-fitasa
- 3-fitasa
- 5-fitasa
- Ácido fítico
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