La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa ( G6PD o G6PDH ) ( EC 1.1.1.49) es una enzima citosólica que cataliza la reacción química
Esta enzima participa en la vía de las pentosas fosfato (ver imagen), una vía metabólica que suministra energía reductora a las células (como los eritrocitos ) al mantener el nivel de la forma reducida de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). El NADPH a su vez mantiene el nivel de glutatión en estas células que ayuda a proteger a los glóbulos rojos contra el daño oxidativo de compuestos como el peróxido de hidrógeno . [1] De mayor importancia cuantitativa es la producción de NADPH para los tejidos involucrados en la biosíntesis de ácidos grasos o isoprenoides , como el hígado, las glándulas mamarias , el tejido adiposo y las glándulas suprarrenales . La G6PD reduce NADP + a NADPH mientras oxida la glucosa-6-fosfato . [2] La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa también es una enzima en la vía de Entner-Doudoroff , un tipo de glucólisis.
Clínicamente, una deficiencia genética de G6PD ligada al cromosoma X hace que un ser humano sea propenso a la anemia hemolítica no inmune . [3]
La G6PD está ampliamente distribuida en muchas especies, desde bacterias hasta humanos . La alineación de secuencias múltiples de más de 100 G6PD conocidas de diferentes organismos revela una identidad de secuencia que va del 30% al 94%. [4] La G6PD humana tiene más del 30% de identidad en la secuencia de aminoácidos con las secuencias de G6PD de otras especies. [5] Los humanos también tienen dos isoformas de un solo gen que codifica para G6PD. [6] Además, se han descubierto al menos 168 mutaciones causantes de enfermedades en este gen. [7] Estas mutaciones son principalmente mutaciones sin sentido que resultan en sustituciones de aminoácidos, [8] y mientras que algunas de ellas resultan en deficiencia de G6PD, otras no parecen resultar en ninguna diferencia funcional notable. [8] Algunos científicos han propuesto que parte de la variación genética en la G6PD humana resultó de generaciones de adaptación a la infección por malaria . [9]
Otras especies también experimentan una variación en G6PD. En plantas superiores, se han reportado varias isoformas de G6PDH, que se localizan en el citosol , el estroma plastídico y los peroxisomas . [10] Una G6PD modificada dependiente de F 420 (en oposición a la dependiente de NADP + ) se encuentra en Mycobacterium tuberculosis , y es de interés para el tratamiento de la tuberculosis . [11] Se demostró que la G6PD bacteriana encontrada en Leuconostoc mesenteroides es reactiva hacia 4-hidroxinonenal , además de G6P. [12]
La G6PD se encuentra generalmente como un dímero de dos monómeros idénticos (ver miniatura principal). [8] Dependiendo de las condiciones, como el pH , estos dímeros pueden dimerizarse para formar tetrámeros . [5] Cada monómero en el complejo tiene un sitio de unión del sustrato que se une a G6P y un sitio de unión de coenzima catalítica que se une a NADP + /NADPH usando el pliegue de Rossman . [4] Para algunos organismos superiores, como los humanos, la G6PD contiene un sitio de unión de NADP + adicional , llamado sitio estructural NADP + , que no parece participar directamente en la reacción catalizada por G6PD. Se desconoce el propósito evolutivo del sitio estructural NADP + . [4] En cuanto al tamaño, cada monómero tiene aproximadamente 500 aminoácidos de longitud (514 aminoácidos para los humanos [5] ).
La conservación funcional y estructural entre G6PD humana y G6PD de Leuconostoc mesenteroides apunta a 3 regiones ampliamente conservadas en la enzima: un péptido de 9 residuos en el sitio de unión del sustrato, RIDHYLGKE (residuos 198-206 en G6PD humana), una huella digital de unión de nucleótidos, GxxGDLA (residuos 38-44 en G6PD humana), y una secuencia parcialmente conservada EKPxG cerca del sitio de unión del sustrato (residuos 170-174 en G6PD humana), donde hemos usado "x" para denotar un aminoácido variable. [4] La estructura cristalina de G6PD revela una extensa red de interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno que involucran G6P, 3 moléculas de agua, 3 lisinas , 1 arginina , 2 histidinas , 2 ácidos glutámicos y otros aminoácidos polares.
Se cree que la prolina en la posición 172 desempeña un papel crucial en el posicionamiento correcto de Lys171 con respecto al sustrato, G6P. En las dos estructuras cristalinas de G6P humana normal, Pro172 se observa exclusivamente en la conformación cis , mientras que en la estructura cristalina de un mutante causante de la enfermedad (variante Canton R459L), Pro172 se observa casi exclusivamente en la conformación trans. [4]
Con acceso a las estructuras cristalinas, algunos científicos han intentado modelar las estructuras de otros mutantes. Por ejemplo, en ascendencia alemana, donde la enzimopatía debida a la deficiencia de G6PD es rara, se ha demostrado que los sitios de mutación en G6PD se encuentran cerca del sitio de unión de NADP + , el sitio de unión de G6P y cerca de la interfaz entre los dos monómeros. Por lo tanto, las mutaciones en estas áreas críticas son posibles sin alterar por completo la función de G6PD. [8] De hecho, se ha demostrado que la mayoría de las mutaciones causantes de enfermedades de G6PD ocurren cerca del sitio estructural de NADP + . [13]
El sitio estructural del NADP + se encuentra a más de 20Å del sitio de unión del sustrato y del sitio de unión de la coenzima catalítica NADP + . Su propósito en la reacción catalizada por la enzima no ha estado claro durante muchos años. Durante algún tiempo, se pensó que la unión del NADP + al sitio estructural era necesaria para la dimerización de los monómeros enzimáticos. Sin embargo, se demostró que esto era incorrecto. [13] Por otro lado, se demostró que la presencia de NADP + en el sitio estructural promueve la dimerización de los dímeros para formar tetrámeros enzimáticos. [13] También se pensó que el estado tetrámero era necesario para la actividad catalítica; sin embargo, esto también se demostró que era falso. [13] El sitio estructural del NADP + es bastante diferente del sitio de unión de la coenzima catalítica NADP + y contiene la huella dactilar de unión de nucleótidos.
El sitio estructural unido al NADP + posee interacciones favorables que lo mantienen fuertemente unido. En particular, existe una fuerte red de enlaces de hidrógeno con cargas electrostáticas que se difunden a través de múltiples átomos a través de enlaces de hidrógeno con 4 moléculas de agua (ver figura). Además, existe un conjunto extremadamente fuerte de interacciones de apilamiento hidrofóbicas que dan como resultado sistemas π superpuestos.
Se ha demostrado que el sitio estructural es importante para mantener la estabilidad a largo plazo de la enzima. [13] Más de 40 mutaciones graves de clase I implican mutaciones cerca del sitio estructural, lo que afecta la estabilidad a largo plazo de estas enzimas en el cuerpo, lo que finalmente resulta en una deficiencia de G6PD. [13] Por ejemplo, dos mutaciones graves de clase I, G488S y G488V, aumentan drásticamente la constante de disociación entre NADP + y el sitio estructural en un factor de 7 a 13. Con la proximidad del residuo 488 a Arg487, se cree que una mutación en la posición 488 podría afectar el posicionamiento de Arg487 en relación con NADP + , [13] y, por lo tanto, interrumpir la unión.
La G6PD convierte la G6P en 6-fosfoglucono-δ-lactona y es la enzima limitante de la velocidad de la vía de las pentosas fosfato . Por lo tanto, la regulación de la G6PD tiene consecuencias posteriores para la actividad del resto de la vía de las pentosas fosfato .
La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es estimulada por su sustrato G6P. La proporción habitual de NADPH/NADP + en el citosol de los tejidos que participan en la biosíntesis es de aproximadamente 100/1. El aumento de la utilización de NADPH para la biosíntesis de ácidos grasos aumentará drásticamente el nivel de NADP + , estimulando así la G6PD para producir más NADPH. La G6PD de la levadura es inhibida por los ácidos grasos de cadena larga según dos publicaciones anteriores [14] [15] y podría ser la inhibición del producto en la síntesis de ácidos grasos que requiere NADPH.
La G6PD está regulada negativamente por la acetilación de la lisina 403 (Lys403), un residuo conservado evolutivamente. La G6PD acetilada por K403 es incapaz de formar dímeros activos y muestra una pérdida completa de actividad. Mecanísticamente, la acetilación de Lys403 impide estéricamente que el NADP + entre en el sitio estructural del NADP + , lo que reduce la estabilidad de la enzima. Las células detectan los estímulos oxidativos extracelulares para disminuir la acetilación de G6PD de una manera dependiente de SIRT2 . La desacetilación y activación de G6PD mediada por SIRT2 estimula la vía de las pentosas fosfato para suministrar NADPH citosólico para contrarrestar el daño oxidativo y proteger los eritrocitos del ratón . [16]
La regulación también puede ocurrir a través de vías genéticas. La isoforma G6PDH está regulada por factores de transcripción y postranscripcional. [17] Además, la G6PD es una de varias enzimas glucolíticas activadas por el factor de transcripción factor inducible por hipoxia 1 (HIF1). [18]
La G6PD es notable por su diversidad genética. Se han descrito muchas variantes de G6PD, en su mayoría producidas a partir de mutaciones sin sentido , con niveles de actividad enzimática y síntomas clínicos asociados muy variados . Se han encontrado dos variantes de transcripción que codifican diferentes isoformas para este gen. [19]
La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es muy común en todo el mundo y causa anemia hemolítica aguda en presencia de una infección simple, ingestión de habas o reacción con ciertos medicamentos, antibióticos, antipiréticos y antipalúdicos. [3]
El crecimiento y la proliferación celular se ven afectados por la G6PD. [20] Se ha demostrado que la ablación farmacológica de la G6PD supera la tolerancia cruzada de las células de cáncer de mama a las antraciclinas. [21] Los inhibidores de la G6PD están bajo investigación para tratar cánceres y otras afecciones. [18] El ensayo de proliferación celular in vitro indica que los inhibidores de la G6PD, DHEA (dehidroepiandrosterona) y ANAD (6-aminonicotinamida), disminuyen eficazmente el crecimiento de las líneas celulares de LMA. [20] [22] La G6PD está hipometilada en K403 en la leucemia mieloide aguda , SIRT2 activa la G6PD para mejorar la producción de NADPH y promover la proliferación de células leucémicas. [22]
