La enoil-CoA-(∆) isomerasa ( EC 5.3.3.8, también conocida como dodecenoil-CoA-(∆) isomerasa , 3,2-trans-enoil-CoA isomerasa , ∆3(cis),∆2(trans)-enoil-CoA isomerasa o acetileno-aleno isomerasa , [1] es una enzima que cataliza la conversión de dobles enlaces cis o trans de ácidos grasos unidos a coenzima A (CoA) en el carbono gamma (posición 3) a dobles enlaces trans en el carbono beta (posición 2) como se muestra a continuación:
Esta enzima tiene un papel importante en el metabolismo de los ácidos grasos insaturados en la beta oxidación .
La enoil-CoA isomerasa está involucrada en la beta-oxidación , una de las vías más frecuentemente utilizadas en la degradación de ácidos grasos , de ácidos grasos insaturados con dobles enlaces en posiciones de carbono impares . [2] Lo hace cambiando la posición de los dobles enlaces en los intermediarios acil-CoA y convirtiendo 3-cis o trans-enoil-CoA en 2-trans-enoil-CoA. Dado que el paso clave en la degradación de ácidos grasos con dobles enlaces en posiciones de carbono pares también produce 3-trans-enoil-CoA en mamíferos y levaduras , la enoil-CoA isomerasa también es técnicamente necesaria para su metabolismo . [3] El mecanismo de reacción se detalla en la figura 1, [4] y la base que inicia la isomerización y los grupos NH que estabilizan el intermediario se encuentran en el sitio activo de la enoil-coA isomerasa .
Como funciona en el paso inmediatamente anterior a la beta-oxidación real y forma un doble enlace que se extiende desde el carbono beta (posición 2), la enoil-CoA isomerasa está involucrada tanto en las vías de beta-oxidación dependientes como independientes de NADPH . [ 5] El doble enlace sirve como objetivo de la oxidación y la escisión del enlace carbono - carbono , acortando así la cadena de ácidos grasos .
Las isomerasas de enoil-CoA se pueden clasificar en tres clases:
Las enzimas monofuncionales mitocondriales y peroxisomales se encuentran en las mitocondrias y los peroxisomas de los eucariotas , respectivamente. Las enzimas multifuncionales se encuentran en bacterias y en los peroxisomas de algunos eucariotas , pero cumplen dos funciones: el dominio N-terminal funciona igual que las otras clases de enoil-CoA isomerasas y el dominio C-terminal funciona como una deshidrogenasa , específicamente, para 3-hidroxiactil-CoA. [4] Hay dos divisiones entre la enoil Co-A isomerasa mitocondrial : de cadena corta y de cadena larga [4]. [6] En un inmunoblot, se ejecutaron anticuerpos contra todas las enoil CoA isomerasas. Sin embargo, dos de estas isomerasas tenían unión de anticuerpos : la isomerasa de cadena corta y la enzima multifuncional peroxisomal. [6] Había una enzima que no tenía especificidad de unión a este anticuerpo : la isomerasa mitocondrial de cadena larga. Se encontró isomerasa de cadena larga cuando se eluyó a una concentración de fosfato de potasio más baja en el gradiente. [6] [7] Por lo tanto, se realizó el descubrimiento de tres subclases de enoil CoA isomerasa.
Aunque las tres clases de enzimas tienen la misma función, hay poca superposición entre sus secuencias de aminoácidos . Por ejemplo, solo 40 de 302 secuencias de aminoácidos (13%) son iguales entre las enzimas peroxisomales monofuncionales y las mitocondriales en humanos . [4] De hecho, en los mamíferos , la enzima peroxisomal tiene un dominio N-terminal adicional que no está presente en la contraparte mitocondrial . [8] Además, se ha descubierto que es una subunidad de la enzima trifuncional peroxisomal (pTFE) y contribuye solo a escisiones menores de la cadena de ácidos grasos . En ese sentido, para muchos organismos superiores, la enzima mitocondrial es esencial para derivar la máxima energía de los lípidos y alimentar los músculos . [9]
Las mitocondrias (tanto de cadena corta como de cadena larga) del hígado de rata contienen más de una enoil Co-A isomerasa. [10] Para apoyar aún más la idea de que las isomerasas de cadena corta y larga eluyen a diferentes concentraciones de fosfato de potasio, no comparten una estructura polipeptídica primaria similar, por lo tanto, no deben estar relacionadas evolutivamente. [6] [11] Los peroxisomas de las plantas y del hígado de rata son muy diferentes en la forma en que funcionan. A pesar de sus similitudes en la estructura primaria , existen diferencias entre los diferentes especímenes. Para empezar, los peroxisomas del hígado de rata son una enzima multifuncional que incluye enoil-CoA isomerasa, enoil-CoA hidratasa y L-(−)-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa . [12] Tres enzimas diferentes residen en esta entidad (proteína multifuncional) que permite que esta enzima realice isomerización, hidratación y deshidratación. [13] [14] La actividad de isomerasa en la enzima multifuncional ocurre en la mitad catalítica amino-terminal de la proteína junto con la actividad de hidratasa . [15] La actividad deshidrogenasa de enoil-CoA ocurre en el carboxilo-terminal. [15] Tras una investigación más a fondo del sitio de unión de CoA en la mitad amino-terminal de la proteína multifuncional , el sustrato de CoA no se transfiere a través de la fase acuosa desde la fase de isomerización al sitio de hidratación o no tiene una fase en masa. [11] [16] Esto elimina la necesidad de una enzima de transferencia de sustrato . [17] Por otro lado, los cotiledones convierten las especies de 3-trans-enoil-CoA de cadena larga, 3-cis-enoil-CoA de cadena larga y 3-cis-enoil-CoA de cadena corta en sus respectivas formas de 2-trans-enoil-CoA. [13] Como se mencionó anteriormente, la enoil-CoA isomerasa de la planta forma exclusivamente el isómero 2-trans como producto . No actúa sobre las especies 4-cis-enoil-CoA o 2-trans- 4-trans-dienoil-CoA. [13] Al comparar los productos del peroxisoma de la planta y la enzima multifuncional del hígado de rata , la planta no tiene actividad de hidratasa . [13]La forma de la planta no formó un isómero 2-cis (de la enoil-CoA hidratasa) o un derivado D- o L- 3 hidroxi (L-(−)-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa): productos de la enzima multifuncional del hígado de rata . [13] Las tasas de recambio de estas dos subdivisiones de los peroxisomas son muy diferentes. La relación Kcat/Km en los cotiledones es 10^6 M-1s-1, que supera la relación .07 * 10^6 M-1s-1. [13] Debido a una alta tasa de recambio, los peroxisomas de las plantas contienen una menor cantidad de enoil-CoA isomerasa que sus contrapartes en el hígado de rata . [13]
En el hígado de rata, la isomerasa de enoil CoA mitocondrial y la isomerasa de enoil CoA peroxisomal embebidas en la enzima multifuncional tienen similitudes en la secuencia de estructura primaria. [15] Al comparar la mitad amino-terminal de E. coli con la mitad amino-terminal del hígado de rata , hubo similitudes en la estructura primaria y secundaria hacia la mitad del extremo amino-terminal. [15] Esta región conservada debe ser importante para la estructura y función de esta enzima específica, ya que se muestra por igual tanto en E. coli como en el hígado de rata . [15] [18]
Todas las clases de enoil-CoA isomerasas pertenecen a una familia de enzimas , la superfamilia de las hidratasas / isomerasas o crotonasas , y cuando se examinan con cristalografía de rayos X , exhiben una característica estructural común de la familia, el núcleo N-terminal con un pliegue espiral compuesto de cuatro vueltas, cada vuelta compuesta por dos láminas beta y una hélice alfa . [19]
En la enoil-CoA isomerasa , las dos láminas beta forman parte del sitio catalítico , ya que los grupos NH de los residuos que siguen a las láminas beta se unen al oxígeno carbonílico del intermediario acil-CoA . La formación de este agujero de oxianión estabiliza el estado de transición de la reacción catalizada por la enzima . [4]
Además, también se ha identificado como parte del sitio catalítico un residuo de glutamato ubicado junto a las cavidades corporales llenas de moléculas de agua y revestidas de cadenas laterales hidrófobas o apolares . En su forma desprotonada , el glutamato puede actuar como base y eliminar un protón del intermediario acil-CoA . Las cavidades corporales ayudan a reorganizar la cadena lateral del glutamato para retener el protón y luego devolverlo al acil-CoA, en una posición de carbono diferente. [4]
Los residuos que contienen NH se han identificado como Ala70 y Leu126 y el glutamato como Glu158 en las enzimas peroxisomales de una especie de levadura , Saccharomyces cerevisiae . Sus ubicaciones relativas en la enzima se pueden comparar en la figura 2. [4]
Las enzimas de la superfamilia de las hidratasas / isomerasas o crotonasas son típicamente discos triméricos dimerizados en hexámeros . El amplio rango de su especificidad sustrato - enzima se deriva de las variaciones en las distancias entre los discos triméricos y su orientación. [20] Sin embargo, la isomerasa enoil-CoA mitocondrial humana es un trímero y orienta la cola de ácidos grasos en una dirección completamente diferente a la observada en los hexámeros . [8] El disco trimérico de enzimas peroxisomales en Saccharomyces cerevisiae se muestra en la figura 3. [20]
La enoil-CoA isomerasa se identificó y purificó por primera vez a partir de mitocondrias de hígado de rata en los años 1960 y 1970 mediante filtración en gel y cromatografía de intercambio iónico . [21] Desde entonces, se han identificado todas las clases de enoil-CoA isomerasa , mitocondrial , peroxisomal y multifuncional, en diferentes organismos, incluidos más mamíferos , plantas y organismos unicelulares .
En 1994, utilizando el ADNc de la enoil-CoA isomerasa de rata como sonda de hibridación , se pudo secuenciar y clonar el ADNc de la enoil-CoA isomerasa humana . [2] En el mismo año, se aisló la proteína en sí, no por afinidad con el anticuerpo de rata o las sondas de ADNc , [3] sino por copurificación con una transferasa , la glutatión S-transferasa humana. [22]
En los intentos de examinar en detalle la enoil-CoA isomerasa humana , la enzima mitocondrial en el hígado de los mamíferos fue identificada como un marcador biológico potencial para enfermedades metabólicas debido a sus niveles elevados en células defectuosas , y se vincularon los defectos en la beta-oxidación de ácidos grasos con enfermedades humanas , [22] que se especificarán en la siguiente sección.
En los seres humanos , los defectos en el mecanismo de beta-oxidación dan lugar a hiperglucemia hipocetósica , un síntoma de inanición , debido a la utilización ineficiente de los ácidos grasos como fuente primaria de energía . [9] Se descubrió que la enfermedad metabólica era a nivel genético : las ratas sin los genes de la enoil-CoA isomerasa también mostraban un nivel alto de glucosa en sangre . Además, es posible que se haya identificado un marcador biológico de esta afección, ya que la orina de estas ratas incluía altas concentraciones de ácidos dicarboxílicos insaturados de cadena media , una afección denominada aciduria dicarboxílica. [9]
Estudios más recientes vinculan la infección por el virus de la hepatitis C (VHC) con defectos en la degradación de los ácidos grasos , específicamente, en la enoil-CoA isomerasa . [23] El VHC es la principal causa de hepatitis crónica , cirrosis y cáncer de hígado , y más de 180 millones de personas están afectadas en todo el mundo. [24] Debido a la latencia prolongada del virus y a que no existen curas para eliminarlo específicamente , [25] el VHC es un problema grave que está causando más muertes que el VIH/SIDA en los Estados Unidos , [26] pero su amenaza aún no recibe la atención adecuada. La necesidad de un tratamiento específico para el VHC es esencial y, según John Ward, director de la División de Hepatitis de los CDC , puede salvar hasta 120.000 vidas. [26]
Según el perfil de proteínas en las biopsias de hígado humano de pacientes con VHC , se descubrió inicialmente una correlación entre los procesos mitocondriales disfuncionales, que incluyen la beta-oxidación , y el VHC . [27] De hecho, los lípidos juegan un papel importante en el ciclo de replicación del VHC , y en las muestras " in vivo " de pacientes con VHC , se encontraron muchos lípidos en abundancia para ayudar al VHC en la captación del virus , la replicación del ARN y la secreción de las células huésped . Las enzimas que regulan el metabolismo de los ácidos grasos , incluida la enoil-CoA isomerasa , también se regularon positivamente de manera similar . [23] Las técnicas de silenciamiento genético revelaron que la enoil-CoA isomerasa es esencial en la replicación del ARN del VHC y abrieron caminos para detener la infección por VHC a nivel intracelular . [23]
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