En enzimología , una homoserina deshidrogenasa ( EC 1.1.1.3) es una enzima que cataliza la reacción química
Los 2 sustratos de esta enzima son L-homoserina y NAD + (o NADP + ), mientras que sus 3 productos son L-aspartato 4-semialdehído, NADH (o NADPH ) y H + .
Esta enzima pertenece a la familia de las oxidorreductasas , específicamente aquellas que actúan sobre el grupo CH-OH del donador con NAD + o NADP + como aceptor. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es L-homoserina:NAD(P) + oxidorreductasa . Otros nombres de uso común son HSDH y HSD .
La homoserina deshidrogenasa cataliza el tercer paso en la vía del aspartato : la reducción dependiente de NAD(P) del aspartato beta-semialdehído en homoserina . [1] [2] La homoserina es un intermediario en la biosíntesis de treonina , isoleucina y metionina . [3]
La enzima se puede encontrar en forma monofuncional en algunas bacterias y levaduras . El análisis estructural de la enzima monofuncional de levadura indica que la enzima es un dímero compuesto de tres regiones distintas: un dominio de unión de nucleótidos N-terminal, una región de dimerización central corta y un dominio catalítico C-terminal. [4] El dominio N-terminal forma un pliegue de Rossmann modificado , mientras que el dominio catalítico forma una nueva lámina mixta alfa-beta.
La enzima también se puede encontrar en una forma bifuncional que consiste en un dominio aspartoquinasa N-terminal y un dominio homoserina deshidrogenasa C-terminal , como se encuentra en bacterias como Escherichia coli y en plantas . [5]
La enzima aspartato quinasa-homoserina deshidrogenasa bifuncional (AK-HSD) tiene un dominio regulador que consta de dos subdominios con un motivo común bucle - hélice alfa -bucle - hebra beta bucle-hebra beta. Cada subdominio contiene un dominio ACT que permite la regulación compleja de varias funciones proteicas diferentes. [5] El gen AK-HSD codifica para la aspartato quinasa, un dominio intermedio (que codifica para la región de enlace entre las dos enzimas en la forma bifuncional) y, finalmente, la secuencia codificante para la homoserina deshidrogenasa. [6] [7]
A finales de 2007, se han resuelto cuatro estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB 1EBF, 1EBU, 1Q7G y 1TVE.
La homoserina deshidrogenasa cataliza la reacción del aspartato-semialdehído (ASA) a homoserina . La reacción global reduce el grupo funcional de ácido carboxílico C4 del ASA a un alcohol primario y oxida el aldehído C1 a un ácido carboxílico. Se cree que los residuos Glu 208 y Lys 117 están involucrados en el sitio catalítico activo de la enzima. Se ha demostrado que Asp 214 y Lys 223 son importantes para la transferencia de hidruro en la reacción catalizada. [4]
Una vez que el ácido carboxílico C4 se reduce a un aldehído y el aldehído C1 se oxida a un ácido carboxílico, los experimentos sugieren que Asp 219, Glu 208 y una molécula de agua se unen al ASA en el sitio activo mientras que Lys 223 dona un protón al oxígeno C4 del aspartato-semialdehído. La homoserina deshidrogenasa tiene un cofactor NAD(P)H , que luego dona un hidrógeno al mismo carbono, reduciendo efectivamente el aldehído a un alcohol . [4] (Consulte las figuras 1 y 2).
Sin embargo, el mecanismo preciso de la catálisis completa de la homoserina deshidrogenasa sigue siendo desconocido. [4]
Se ha postulado que la reacción catalizada por la homoserina deshidrogenasa se lleva a cabo a través de un mecanismo cinético bi-bi , donde el cofactor NAD(P)H se une a la enzima primero y es el último en disociarse de la enzima una vez que la reacción se completa. [6] [8] Además, si bien tanto el NADH como el NADPH son cofactores adecuados para la reacción, se prefiere el NADH. La K m de la reacción es cuatro veces menor con NADH y la K cat /K m es tres veces mayor, lo que indica una reacción más eficiente. [9]
La homoserina deshidrogenasa también exhibe una cinética de múltiples órdenes en niveles subsaturados de sustrato. Además, la cinética variable de la homoserina deshidrogenasa es un artefacto de la disociación más rápida del sustrato de aminoácidos del complejo enzimático en comparación con la disociación del cofactor . [8] [10]
La vía metabólica del aspartato está involucrada tanto en el almacenamiento de asparagina como en la síntesis de aminoácidos de la familia del aspartato . [11] La homoserina deshidrogenasa cataliza un paso intermedio en esta vía de almacenamiento y utilización de nitrógeno y carbono . [12] (Consulte la figura 3).
En los organismos fotosintéticos, la glutamina , el glutamato y el aspartato se acumulan durante el día y se utilizan para sintetizar otros aminoácidos. Por la noche, el aspartato se convierte en asparagina para su almacenamiento. [12] Además, el gen de la aspartato quinasa-homoserina deshidrogenasa se expresa principalmente en tejidos de plantas jóvenes en crecimiento activo, particularmente en los meristemos apicales y laterales . [13]
Los mamíferos carecen de las enzimas implicadas en la vía metabólica del aspartato, incluida la homoserina deshidrogenasa. Como la lisina , la treonina , la metionina y la isoleucina se producen en esta vía, se consideran aminoácidos esenciales para los mamíferos. [6]
Tanto la homoserina deshidrogenasa como la aspartato quinasa están sujetas a una regulación significativa (consulte la figura 3). La HSD es inhibida por productos derivados de la vía metabólica del aspartato, principalmente la treonina . La treonina actúa como un inhibidor competitivo tanto para la HSD como para la aspartato quinasa. [14] En los organismos que expresan AK-HSD, uno de los sitios de unión de la treonina se encuentra en la región de enlace entre AK y HSD, lo que sugiere una posible inhibición alostérica de ambas enzimas. [6]
Sin embargo, existen algunas formas de HSD resistentes a la treonina que requieren concentraciones de treonina mucho mayores que las fisiológicamente presentes para su inhibición. Estas formas de HSD insensibles a la treonina se utilizan en plantas modificadas genéticamente para aumentar la producción tanto de treonina como de metionina y lograr un mayor valor nutricional. [6]
La homoserina deshidrogenasa también está sujeta a regulación transcripcional . Su secuencia promotora contiene una secuencia del elemento regulador cis TGACTC, que se sabe que está involucrado en otras vías de biosíntesis de aminoácidos . El elemento regulador Opaque2 también ha sido implicado en la regulación de la homoserina deshidrogenasa, pero sus efectos aún no están bien definidos. [7]
En las plantas, también existe una regulación ambiental de la expresión del gen AK-HSD . Se ha demostrado que la exposición a la luz aumenta la expresión del gen AK-HSD, presumiblemente relacionado con la fotosíntesis . [12] [13]
En los seres humanos, ha habido un aumento significativo de enfermedades causadas por hongos patógenos , por lo que el desarrollo de fármacos antimicóticos es una tarea bioquímica importante. [15] Como la homoserina deshidrogenasa se encuentra principalmente en plantas, bacterias y levaduras , pero no en mamíferos, es un objetivo fuerte para el desarrollo de fármacos antimicóticos . [16] Recientemente, se descubrió que la 5-hidroxi-4-oxonorvalina (HON) ataca e inhibe la actividad de la HSD de forma irreversible. La HON es estructuralmente similar al aspartato semialdehído, por lo que se postula que sirve como inhibidor competitivo de la HSD. Asimismo, también se ha demostrado que el ácido (S) 2-amino-4-oxo-5-hidroxipentanoico (RI-331), otro análogo de aminoácido , inhibe la HSD. [16] Ambos compuestos son eficaces contra Cryptococcus neoformans y Cladosporium fulvum , entre otros. [17]
Además de los análogos de aminoácidos, se ha demostrado que varios compuestos fenólicos inhiben la actividad de la HSD. Al igual que HON y RI-331, estas moléculas son inhibidores competitivos que se unen al sitio activo de la enzima. Específicamente, el grupo hidroxilo fenólico interactúa con el sitio de unión del aminoácido . [15] [18]
