La fumarato reductasa (quinol) ( EC 1.3.5.4, QFR, FRD , menaquinol-fumarato oxidorreductasa, quinol:fumarato reductasa ) es una enzima con nombre sistemático succinato:quinona oxidorreductasa . [1] [2] [3] Esta enzima cataliza la siguiente reacción química :
La fumarato reductasa (QFR) es una enzima clave inducida por el crecimiento anaeróbico de las bacterias. [4] Al participar en la respiración fumaratada, la fumarato reductasa realiza el último paso en la respiración anaeróbica microbiana. Es una proteína unida a la membrana capaz de oxidar una quinona y pasar los electrones liberados a un fumarato en espera de ser reducido. Se activa y sintetiza en condiciones de bajo oxígeno, cuando la respiración aeróbica no se puede realizar y la célula debe realizar respiración anaeróbica para crecer. [5] Esta reacción es opuesta a la reacción que es catalizada por el complejo II relacionado de la cadena respiratoria ( succinato deshidrogenasa (SQR)). [6] [7]
Hasta la fecha, se han cristalizado varias enzimas QFR y los detalles de la estructura enzimática varían entre organismos; sin embargo, la estructura general sigue siendo similar en diferentes especies. [1] [7] [8] Los complejos de fumarato reductasa incluyen cuatro subunidades . [1] La subunidad A contiene el sitio de reducción de fumarato y un grupo prostético de dinucleótido de flavina y adenina (FAD) unido covalentemente. Está estrechamente unido a la subunidad B, que contiene tres centros de hierro-azufre, todos colocados cerca uno del otro y de los sustratos cercanos. La subunidad C consta de segmentos principalmente helicoidales que atraviesan la membrana hidrofóbica y es el sitio de oxidación de quinol. En algunas estructuras de fumarato reductasa, uno o más grupos hemo están unidos adicionalmente a la subunidad C y participan en la transferencia de electrones. [7] [5] La subunidad D contiene hélices alfa hidrofóbicas que atraviesan la membrana, pero no participan en la acción catalítica de la enzima. Puede ser necesario anclar los componentes catalíticos del complejo fumarato reductasa a la membrana citoplasmática . [5]
La reducción del fumarato en la fumarato reductasa se logra mediante la oxidación de un quinol unido a la subunidad C y la transferencia resultante de electrones a lo largo de una cadena de grupos de hierro y azufre sobre una molécula de FAD en espera. Las distancias de borde a borde entre el quinol, los grupos de hierro y azufre y el FAD en esta enzima no superan los 12,5 angstroms y se pueden ver en la imagen siguiente. [3] Estas distancias cortas entre los receptores de electrones permiten que los electrones viajen a lo largo de la cadena en una escala de tiempo fisiológicamente razonable. Una vez que los electrones han viajado a lo largo de los grupos de hierro y azufre, pasan a la molécula de FAD unida al sitio catalítico de la enzima. La reducción final del fumarato se logra en el sitio activo donde las cargas asimétricas de los aminoácidos cercanos polarizan el fumarato y distorsionan su forma. [9] Una vez que el fumarato ya no es plano, un hidruro de la molécula de FAD unida en el sitio activo ataca el doble enlace para reducir el fumarato. [9] Por tanto, en esta reacción, el fumarato actúa como aceptor terminal de electrones .
La succinato deshidrogenasa (SQR) es una enzima clave tanto en el ciclo del ácido cítrico como en la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias de los eucariotas y los organismos unicelulares. [10] Es una enzima clave en la respiración aeróbica y realiza la reacción opuesta de la QFR, al acoplar la reducción de una quinona a la formación de succinato para su uso en el ciclo del ácido cítrico. [11]
Tanto SQR como QFR están altamente relacionados y se ha demostrado que tienen cierta superposición funcional y redundancia en varios organismos. QFR y SQR son miembros de la familia de dominios proteicos conservados SQR_QFR_TM y tienen estructuras muy similares. [12] Se ha demostrado que las subunidades A y B de ambas proteínas probablemente evolucionaron a partir de un gen ancestral común. [5] Ambas enzimas tienen una disposición de subunidades común que contiene un sitio catalítico , un grupo de hierro-azufre que contiene subunidades y una o dos subunidades transmembrana con sitios de unión de quinona y sitios de unión de hemo si corresponde. Además, basándose en un estudio realizado en E. coli , los investigadores han concluido que en algunas circunstancias la fumarato reductasa es capaz de reemplazar a la succinato deshidrogenasa oxidando succinato para producir fumarato. [13] Y se ha demostrado que en Bacillus subtilis, SQR puede realizar con éxito la función de fumarato reductasa. [14]
La fumarato reductasa participa en la respiración anaeróbica de varios organismos diferentes. La mayor parte de la información recopilada sobre la fumarato reductasa proviene de la fumarato reductasa de Escherichia coli ; sin embargo, la fumarato reductasa también se ha estudiado en otros organismos, incluidos Wolinella succinogenes, Helicobacter pylori y Bacteroides fragilis . [1] [7] [4] [15] Cada uno de estos organismos tiene una regulación y función génica ligeramente diferente, además de diferentes estructuras enzimáticas.
En E. coli, el fumarato es el aceptor terminal de electrones de la cadena de transporte de electrones productora de energía y la fumarato reductasa realiza el último paso crucial en este proceso de producción de energía que permite que E. coli crezca cuando la respiración aeróbica y/o la fermentación no son factibles. [16] Debido a su papel en la producción de energía celular, su función está estrechamente regulada por múltiples condiciones para asegurar la producción óptima de energía basada en las necesidades celulares actuales. Además de las condiciones de bajo oxígeno, los genes de la fumarato reductasa también se activan por altas concentraciones de fumarato y se reprimen en presencia de otros aceptores terminales de electrones, incluido el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) y el nitrato . [16] [17] La supresión de nitrato de la fumarato reductasa es común en E. coli y se lleva a cabo por dos genes, narL, un gen que codifica proteínas reguladoras de la nitrato reductasa , y narX, que codifica una proteína sensora de nitrato. [18] También se ha demostrado que otros antibióticos sintéticos , incluidas las chalconas, inhiben con éxito la fumarato reductasa además de otras enzimas celulares para paralizar el crecimiento bacteriano. [19]
La fumarato reductasa también produce una cantidad notablemente alta de superóxido y peróxido de hidrógeno en E. coli . La reactividad de un solo electrón de FAD, los grupos de hierro-azufre y las quinonas en la fumarato reductasa podrían contribuir a la transferencia de electrones al oxígeno. Sin embargo, se ha demostrado que FAD es la causa más importante de la formación de superóxido y peróxido en la fumarato reductasa, debido a una mayor accesibilidad al disolvente en el sitio activo que en las ubicaciones de las quinonas y los grupos de hierro-azufre. [20]
