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Sintetasa de biotina

La biotina sintasa (BioB) ( EC 2.8.1.6) es una enzima que cataliza la conversión de detiobiotina (DTB) a biotina; este es el paso final en la vía biosintética de la biotina . La biotina , también conocida como vitamina B7, es un cofactor utilizado en las reacciones de carboxilación , descarboxilación y transcarboxilación en muchos organismos, incluidos los humanos. [1] La biotina sintasa es una enzima dependiente de S-adenosilmetionina (SAM) que emplea un mecanismo radical para tiolarla , convirtiéndola así en biotina.

Esta enzima radical SAM pertenece a la familia de las transferasas , específicamente a las sulfurtransferasas, que transfieren grupos que contienen azufre. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es destiobiotina:azufre sulfurtransferasa . Esta enzima participa en el metabolismo de la biotina . Emplea un cofactor , el hierro-azufre .

Estructura

Se muestra el sitio activo de la biotina sintasa con grupos [2Fe-2S] y [4Fe-4S] junto con detiobiotina (púrpura) y S-adenosilmetionina (rojo).

En 2004, se determinó la estructura cristalina de la biotina sintasa en complejo con SAM y detiobiotina con una resolución de 3,4 angstroms. [2] El código de acceso PDB para esta estructura es 1R30. La proteína es un homodímero , lo que significa que está compuesta por dos cadenas de aminoácidos idénticas que se pliegan para formar la biotina sintasa. Cada monómero en la estructura que se muestra en la figura contiene un barril TIM con un grupo [4Fe-4S] 2+ , SAM, y un grupo [2Fe-2S] 2+ .

El grupo [4Fe-4S] 2+ se utiliza como cofactor catalítico, coordinando directamente al SAM. Se ha observado una superposición orbital entre el SAM y un átomo de Fe único en el grupo [4Fe-4S] 2+ . [3] La función prevista del cofactor [4Fe-4S] 2+ es transferir un electrón al SAM a través de un mecanismo de esfera interna, lo que lo obliga a entrar en un estado inestable de alta energía que finalmente conduce a la formación del radical 5'desoxiadenosilo . [4]

Se cree que el grupo [2Fe-2S] 2+ proporciona una fuente de azufre a partir de la cual se puede tiolar el DTB. El etiquetado isotópico [5] y los estudios espectroscópicos [6] muestran que la destrucción del grupo [2Fe-2S] 2+ acompaña la renovación de BioB, lo que indica que es probable que el azufre del [2Fe-2S] 2+ se incorpore al DTB para formar biotina.

Mecanismo

En la imagen se muestra el mecanismo detallado propuesto para la biotina sintasa.

La reacción catalizada por la biotina sintasa se puede resumir de la siguiente manera:

detiobiotina + azufre + 2 S-adenosil-L-metionina biotina + 2 L-metionina + 2 5'-desoxiadenosina

El mecanismo propuesto para la biotina sintasa comienza con una transferencia de electrones de la esfera interna desde el azufre en SAM, reduciendo el grupo [4Fe-4S] 2+ . Esto da como resultado una escisión espontánea del enlace CS , generando un radical 5'-desoxiadenosilo (5'-dA). [7] Este radical de carbono abstrae un hidrógeno de la destiobiotina, formando un radical de carbono C9 destiobiotinilo, que se extingue inmediatamente al unirse a un átomo de azufre en el [2Fe-2S] 2+ . Esto reduce uno de los átomos de hierro de Fe III a Fe II . En este punto, el 5'-desoxiadenosilo y la metionina formados anteriormente se intercambian por un segundo equivalente de SAM. La escisión reductora genera otro radical 5'-desoxiadenosilo, que abstrae un hidrógeno del C6 de la destiobiotina. Este radical ataca el azufre unido a C9 y forma el anillo de tiofan de la biotina, dejando atrás un grupo diferroso inestable que probablemente se disocia. [8] [9]

El uso de una fuente de azufre inorgánico es bastante inusual para las reacciones biosintéticas que involucran azufre. Sin embargo, la destiobiotina contiene átomos de carbono no polares e inactivados en los lugares donde se desea la formación del enlace CS. La formación del radical 5'-dA permite la abstracción de hidrógeno de los carbonos inactivados en DTB, dejando atrás radicales de carbono activado listos para ser funcionalizados. Por naturaleza, la química radical permite reacciones en cadena porque los radicales se extinguen fácilmente a través de la formación del enlace CH, lo que resulta en otro radical en el átomo del que proviene el hidrógeno. Podemos considerar la posibilidad de que se utilice un sulfuro libre, un tiol de alcano o un persulfuro de alcano como donante de azufre para DTB. A pH fisiológico, todos estos estarían protonados y el radical de carbono probablemente se extinguiría por transferencia de átomos de hidrógeno en lugar de por formación de enlaces CS. [10]

Relevancia para los humanos

La biotina sintasa no se encuentra en los seres humanos . Dado que la biotina es un cofactor importante para muchas enzimas, los seres humanos deben consumir biotina a través de su dieta de fuentes microbianas y vegetales . [11] Sin embargo, se ha demostrado que el microbioma intestinal humano contiene Escherichia coli que sí contiene biotina sintasa, [12] lo que proporciona otra fuente de biotina para uso catalítico. La cantidad de E. coli que produce biotina es significativamente mayor en adultos que en bebés, lo que indica que el microbioma intestinal y la etapa de desarrollo deben tenerse en cuenta al evaluar las necesidades nutricionales de una persona. [13]

Referencias

  1. ^ Roth KS (septiembre de 1981). "Biotina en medicina clínica: una revisión". The American Journal of Clinical Nutrition . 34 (9): 1967–74. doi :10.1093/ajcn/34.9.1967. PMID  6116428.
  2. ^ Berkovitch F, Nicolet Y, Wan JT, Jarrett JT, Drennan CL (enero de 2004). "Estructura cristalina de la biotina sintasa, una enzima radical dependiente de la S-adenosilmetionina". Science . 303 (5654): 76–9. Bibcode :2004Sci...303...76B. doi :10.1126/science.1088493. PMC 1456065 . PMID  14704425. 
  3. ^ Cosper MM, Jameson GN, Davydov R, Eidsness MK, Hoffman BM, Huynh BH, Johnson MK (noviembre de 2002). "El grupo [4Fe-4S](2+) en la biotina sintasa reconstituida se une a la S-adenosil-L-metionina". Journal of the American Chemical Society . 124 (47): 14006–7. doi :10.1021/ja0283044. PMID  12440894.
  4. ^ Ollagnier-de Choudens S, Sanakis Y, Hewitson KS, Roach P, Münck E, Fontecave M (abril de 2002). "Escisión reductora de S-adenosilmetionina por la biotina sintasa de Escherichia coli". Revista de química biológica . 277 (16): 13449–54. doi : 10.1074/jbc.M111324200 . PMID  11834738.
  5. ^ Bui BT, Florentin D, Fournier F, Ploux O, Méjean A, Marquet A (noviembre de 1998). "Mecanismo de la biotina sintasa: sobre el origen del azufre". FEBS Letters . 440 (1–2): 226–30. doi :10.1016/S0014-5793(98)01464-1. PMID  9862460. S2CID  33771553.
  6. ^ Ugulava NB, Sacanell CJ, Jarrett JT (julio de 2001). "Cambios espectroscópicos durante un único recambio de la biotina sintasa: la destrucción de un grupo [2Fe-2S] acompaña la inserción de azufre". Bioquímica . 40 (28): 8352–8. doi :10.1021/bi010463x. PMC 1489075 . PMID  11444982. 
  7. ^ Wang SC, Frey PA (marzo de 2007). "S-adenosilmetionina como oxidante: la superfamilia radical SAM". Tendencias en ciencias bioquímicas . 32 (3): 101–10. doi :10.1016/j.tibs.2007.01.002. PMID  17291766.
  8. ^ Lotierzo M, Tse Sum Bui B, Florentin D, Escalettes F, Marquet A (agosto de 2005). "Mecanismo de la biotina sintasa: una descripción general". Biochemical Society Transactions . 33 (Pt 4): 820–3. doi :10.1042/BST0330820. PMID  16042606.
  9. ^ Jameson GN, Cosper MM, Hernández HL, Johnson MK, Huynh BH (febrero de 2004). "Función del grupo [2Fe-2S] en la biotina sintasa recombinante de Escherichia coli". Bioquímica . 43 (7): 2022–31. doi :10.1021/bi035666v. PMID  14967042.
  10. ^ Fugate CJ, Jarrett JT (noviembre de 2012). "Biotina sintetasa: perspectivas sobre la formación de enlaces carbono-azufre mediada por radicales". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1824 (11): 1213–22. doi :10.1016/j.bbapap.2012.01.010. PMID  22326745.
  11. ^ Zempleni J, Wijeratne SS, Hassan YI (enero de 2009). "Biotina". BioFactores . 35 (1): 36–46. doi :10.1002/biof.8. PMC 4757853 . PMID  19319844. 
  12. ^ Lin S, Cronan JE (junio de 2011). "Cerca de las vías completas de la biosíntesis de biotina". Molecular BioSystems . 7 (6): 1811–21. doi :10.1039/c1mb05022b. PMID  21437340.
  13. ^ Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, et al. (mayo de 2012). "Microbioma intestinal humano visto a través de la edad y la geografía". Nature . 486 (7402): 222–7. Bibcode :2012Natur.486..222Y. doi :10.1038/nature11053. PMC 3376388 . PMID  22699611. 

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