La fumarasa (o fumarato hidratasa ) es una enzima ( EC 4.2.1.2) que cataliza la hidratación / deshidratación reversible del fumarato a malato . La fumarasa se presenta en dos formas: mitocondrial y citosólica . La isoenzima mitocondrial participa en el ciclo de Krebs y la isoenzima citosólica participa en el metabolismo de los aminoácidos y el fumarato. La localización subcelular se establece por la presencia de una secuencia señal en el extremo amino en la forma mitocondrial, mientras que la localización subcelular en la forma citosólica se establece por la ausencia de la secuencia señal que se encuentra en la variedad mitocondrial. [5]
Esta enzima participa en 2 vías metabólicas : ciclo del ácido cítrico y ciclo reductor del ácido cítrico (fijación de CO 2 ), y también es importante en el carcinoma de células renales . Las mutaciones en este gen se han asociado con el desarrollo de leiomiomas en la piel y el útero en combinación con carcinoma de células renales ( síndrome HLRCC ).
Esta enzima pertenece a la familia de las liasas , concretamente a las hidroliasas, que escinden los enlaces carbono-oxígeno. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es (S)-malato hidroliasa (formadora de fumarato) . Otros nombres de uso común incluyen:
En humanos, el gen FH está localizado en la posición cromosómica 1q42.3-q43. El gen FH contiene 10 exones.
Se ha observado que las estructuras cristalinas de la fumarasa C de Escherichia coli tienen dos sitios de unión de dicarboxilato cerca uno del otro. Estos se conocen como sitio activo y sitio B. Estos sitios están conectados por una serie de enlaces de hidrógeno y el acceso a cualquiera de los sitios se realiza sólo a través de una abertura cerca de la superficie de la enzima cerca del sitio B. [6] El sitio activo se compone de tres dominios. Incluso cuando no hay ningún ligando unido al sitio activo, la bolsa de unión creada por los residuos circundantes es suficiente para unir agua en su lugar. [6] La investigación cristalográfica en el sitio B de la enzima ha observado que hay un cambio en His129 entre los estados libre y ocupado. También sugiere que el uso de una conversión imidazol - imidazolio controla el acceso al sitio B alostérico. [6]
Hay dos clases de fumarasas, clase I y clase II. [7] La clasificación depende de la disposición de sus subunidades relativas, su requerimiento de iones metálicos y su estabilidad térmica. Las fumarasas de clase I cambian de estado o se vuelven inactivas cuando se someten a calor o radiación, son sensibles al anión superóxido , dependen del hierro (Fe 2+ ) y son proteínas diméricas en las que cada subunidad consta de alrededor de 120 kD. Las fumarasas de clase II, que se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas, son enzimas tetraméricas con subunidades de 200 kD que contienen tres segmentos distintos de aminoácidos significativamente homólogos. También son independientes del hierro y térmicamente estables. Se sabe que los procariotas tienen tres formas diferentes de fumarasa: Fumarasa A, Fumarasa B y Fumarasa C. La fumarasa A y la Fumarasa B de Escherichia coli se clasifican como clase I, mientras que la Fumarasa C es parte de las fumarasas de clase II. [8]
La Figura 1 representa el mecanismo de reacción de la fumarasa. Dos residuos catalizan la transferencia de protones y el estado de ionización de estos residuos está definido en parte por dos formas de la enzima, E 1 y E 2 . En E 1 , los grupos existen en un estado AH/B: neutralizado internamente, mientras que en E 2 , ocurren en un estado zwitteriónico A − /BH + . E 1 se une al fumarato y facilita su transformación en malato, y E 2 se une al malato y facilita su transformación en fumarato. Las dos formas deben sufrir isomerización con cada recambio catalítico. [9]
A pesar de su importancia biológica, el mecanismo de reacción de la fumarasa no se comprende completamente. La reacción misma puede controlarse en cualquier dirección; sin embargo, es la formación de fumarato a partir de S-malato en particular la que se comprende menos debido al alto valor de pKa del átomo HR (Fig. 2) que se elimina sin la ayuda de ningún cofactor o coenzima . La reacción de fumarato a S-malato se comprende mejor e implica una hidratación estereoespecífica del fumarato para producir S-malato mediante transadición de un grupo hidroxilo y un átomo de hidrógeno. Las primeras investigaciones sobre esta reacción sugirieron que la formación de fumarato a partir de S-malato implicaba la deshidratación del malato a un intermedio carbocatiónico, que luego pierde el protón alfa para formar fumarato. Esto llevó a la conclusión de que la formación de S-malato se produce como eliminación de E1 : la protonación del fumarato para crear un carbocatión fue seguida por la adición de un grupo hidroxilo del H 2 O. Sin embargo, ensayos más recientes han proporcionado evidencia de que el mecanismo en realidad tiene lugar mediante una eliminación catalizada ácido-base mediante un intermedio carbaniónico, es decir, procede como eliminación de E1cB (Figura 1). [9] [10] [11]
La función de la fumarasa en el ciclo del ácido cítrico es facilitar un paso de transición en la producción de energía en forma de NADH . [12] En el citosol , la enzima funciona para metabolizar el fumarato, que es un subproducto del ciclo de la urea y del catabolismo de los aminoácidos. Los estudios han revelado que el sitio activo está compuesto por residuos de aminoácidos de tres de las cuatro subunidades dentro de la enzima tetramérica. [8] [9] [10] [11]
Los principales sustratos de la fumarasa son el malato y el fumarato. Sin embargo, la enzima también puede catalizar la deshidratación del D - tartrato , lo que da como resultado enoloxalacetato . El enol-oxalacetato puede luego izomerizarse en ceto-oxalacetato. Tanto la fumarasa A como la fumarasa B tienen esencialmente la misma cinética para la conversión reversible de malato en fumarasa, pero la fumarasa B tiene una eficiencia catalítica mucho mayor para la conversión de D -tartrato en oxaloacetato en comparación con la fumarasa A. [13] Esto permite que bacterias como E. coli utiliza D -tartrato para su crecimiento; el crecimiento de mutantes con un gen disruptivo fumB que codifica la fumarasa B en D -tartrato se vio gravemente afectado. [13]
La deficiencia de fumarasa se caracteriza por polihidramnios y anomalías cerebrales fetales. En el período neonatal, los hallazgos incluyen anomalías neurológicas graves, mala alimentación, retraso del crecimiento e hipotonía . Se sospecha deficiencia de fumarasa en lactantes con múltiples anomalías neurológicas graves en ausencia de una crisis metabólica aguda. La inactividad de las formas citosólica y mitocondrial de fumarasa son causas potenciales. El aumento aislado de la concentración de ácido fumárico en el análisis de ácidos orgánicos en orina es altamente sugestivo de deficiencia de fumarasa. Actualmente se encuentran disponibles pruebas genéticas moleculares para detectar la deficiencia de fumarasa. [7]
La fumarasa prevalece tanto en tejidos fetales como adultos. Un gran porcentaje de la enzima se expresa en la piel , las paratiroides , la linfa y el colon . Las mutaciones en la producción y desarrollo de la fumarasa han llevado al descubrimiento de varias enfermedades relacionadas con la fumarasa en humanos. Estos incluyen tumores mesenquimales benignos del útero, leiomiomatosis y carcinoma de células renales , y deficiencia de fumarasa . Las mutaciones germinales en la fumarasa se asocian con dos condiciones distintas. Si la enzima tiene una mutación sin sentido y deleciones en el marco del extremo 3', se produce una deficiencia de fumarasa. Si contiene mutaciones sin sentido 5' heterocigotas y deleciones (que van desde un par de bases hasta el gen completo), entonces podrían producirse leiomiomatosis y carcinoma de células renales/síndrome de Reed ( leiomiomatosis cutánea y uterina múltiple ). [8] [7]
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