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Serina hidroximetiltransferasa

PyMol representa la estructura cristalina de la serina hidroximetiltransferasa

La serina hidroximetiltransferasa (SHMT) es una enzima dependiente de piridoxal fosfato (PLP) (vitamina B 6 ) ( EC 2.1.2.1) que desempeña un papel importante en las vías celulares de un carbono al catalizar las conversiones reversibles y simultáneas de L - serina en glicina y tetrahidrofolato (THF) a 5,10-metilenetetrahidrofolato (5,10-CH2 - THF). [1] Esta reacción proporciona la mayor parte de las unidades de un carbono disponibles para la celda. [2]

Estructura

La estructura del monómero SHMT es similar en procariotas y eucariotas , pero mientras que la enzima activa es un dímero en procariotas, la enzima existe como un tetrámero en células eucariotas, aunque se desconoce la base evolutiva de esta diferencia en la estructura. [1] Sin embargo, el camino evolutivo tomado por SHMT al pasar de la forma dimérica procariótica a la forma tetramérica eucariota puede verse fácilmente como una especie de evento de duplicación. En otras palabras, el tetrámero SHMT eucariótico se asemeja a dos dímeros procarióticos que se han empaquetado juntos, formando lo que se ha descrito como un "dímero de dímeros". [3] Se ha descubierto que la interacción entre dos monómeros dentro de una subunidad de dímero ocurre en un área de contacto mayor y, por lo tanto, es mucho más estrecha que la interacción entre los dos dímeros. [3] La serina hidroximetiltransferasa 2 humana (SHMT2) regula las reacciones de transferencia de un carbono necesarias para el metabolismo de aminoácidos y nucleótidos, y recientemente se ha demostrado el cambio regulado entre las formas diméricas y tetraméricas de SHMT2, que es inducido por el fosfato de piridoxal , [4]. participar en la regulación del complejo deubiquitilasa BRISC, vinculando el metabolismo con la inflamación. El dímero SHMT2, pero no el tetrámero unido a PLP, es un potente inhibidor del complejo multimérico BRISC, lo que revela un mecanismo potencial para la regulación de la inflamación por parte de SHMT2. [5]

Un único monómero SHMT se puede subdividir en tres dominios: un "brazo" N-terminal , un dominio "grande" y un dominio "pequeño". [3] El brazo N-terminal parece mantener la estrecha interacción entre dos monómeros. El brazo, que consta de dos hélices alfa y una lámina beta , envuelve al otro monómero cuando está en forma oligomérica. [3] El dominio "grande" contiene el sitio de unión de PLP , como se ve en otras proteínas dependientes de PLP, como la aspartato aminotransferasa . [3] El dominio grande en la forma eucariota también contiene una histidina que es esencial para la estabilidad del tetrámero. [3] Las cuatro histidinas de estos residuos, una de cada monómero, se ubican en el centro del complejo tetramérico, donde dos histidinas de una subunidad dimérica participan en interacciones de apilamiento con las histidinas de la otra subunidad. [3] La SHMT procariótica tiene un residuo de prolina en lugar de histidina en la posición equivalente, lo que explicaría en parte por qué la SHMT procariótica no forma tetrámeros. [6]

La estructura del sitio activo está altamente conservada en formas eucariotas y procarióticas. El PLP se ancla mediante una lisina , que forma un enlace de base de aldimina Schiff con el aldehído del PLP . [7] Se ha planteado la hipótesis de que una tirosina cercana funciona como donante y aceptor de protones durante el paso de transadiminación, así como en el paso de transferencia de formilo , y que un residuo de arginina se une a la cadena lateral de tirosina en una interacción catión-π , lo que ayuda a reducir el pK a de la tirosina, reduciendo la barrera para la transferencia de protones. [7]

Mecanismo

El mecanismo comúnmente atribuido a la actividad enzimática SHMT es una transamidación seguida de una escisión de la cadena lateral de aminoácidos de la columna vertebral. [7] La ​​amina N-terminal de la serina realiza un ataque nucleofílico a la aldimina entre la lisina SHMT (aldimina interna) y el aldehído PLP para formar una gemdiamina, y luego el par solitario de amina N-terminal desciende para desplazar la lisina, formando una nueva aldimina, esta vez con la serina (External Aldimine). [7] [8] Se cree que una tirosina cercana es responsable de gran parte de las transferencias de protones que ocurren durante la transaldiminación. [7] [9] [10]

Un glutamato en el sitio activo SHMT desprotona el hidroxilo de serina de la aldimina externa formando un intermediario de formaldehído. Luego, el tetrahidrofolato (THF) ataca el formaldehído formando una carbinolamina seguida de varias transferencias de protones y deshidratación de la carbinolamina, todos pasos facilitados por la enzima. El intermedio metileno-THF se cicla a 5,10-CH2 - THF. Por último, la aldimina externa de glicina se reforma antes de la hidrólisis y la liberación del sitio activo. [8] [11] [12]

Una vez que la serina se une al PLP, el PLP desencadena la eliminación α del grupo hidroximetilo del sustrato (serina). Este grupo se libera como una molécula de formaldehído porque un glutamato cercano extrae el protón del grupo hidroxilo. Posteriormente, la amina nucleofílica del THF ataca al intermediario de formaldehído libre para producir el intermediario de carbinolamina . [8] [12] En el segundo caso, las aminas nucleofílicas del THF atacan el carbono de la cadena lateral de la serina, formando simultáneamente un intermedio de carbinolamina en el THF y un intermedio quinoide con el PLP. [8] [13] Sin embargo, el THF no es un sustrato obligado para la SHMT, lo que significa que la escisión de la serina y otros β-hidroxiaminoácidos (como la treonina ) puede ocurrir sin la presencia de THF y, en este caso, el mecanismo es una escisión retro-aldólica. [14] Además, parece que la deshidratación posterior del intermediario carbinolamina para formar el puente de metileno y ciclarse completamente en 5,10-CH 2 -THF no está catalizada por la enzima y esta reacción puede ocurrir espontáneamente . [8] De hecho, esta conversión podría ocurrir fuera de la enzima, pero un estudio muestra que esta reacción es más rápida y termodinámicamente favorable cuando ocurre dentro del SHMT con la ayuda del residuo Glu57. Además, la ciclación del intermedio carbinolamina para formar 5,10-CH 2 -THF es esencial para que Glu57 restablezca su protón que se utiliza para protonar el intermedio quinonoide y completar el ciclo catalítico. [12]

Significación clínica

El metabolismo del folato ya ha sido objeto de estrategias quimioterapéuticas , pero la inhibición de SHMT , aunque se ha investigado, en realidad no se ha aprovechado en los fármacos anticancerígenos comerciales. [15] Sin embargo, debido a que los folatos utilizados por las enzimas metabólicas y dependientes de folato son muy similares en estructura y los imitadores de folato ya son comunes en el uso médico, no ha sido difícil encontrar estructuras moleculares potenciales que puedan inhibir la SHMT. [15] Por ejemplo, el pemetrexed ya se utiliza como antifolato para tratar el mesotelioma y se descubrió que es un inhibidor eficaz de SHMT [15] y la detección de otros antifolatos reveló que el lometrexol es otro inhibidor eficaz de SHMT. [dieciséis]

SHMT también ha sido objeto de investigación como objetivo potencial para medicamentos antipalúdicos . Las investigaciones indican que el entorno del sitio activo de Plasmodium SHMT (PSHMT) difiere del de SHMT citosólico humano, lo que permite la posibilidad de inhibición selectiva de PSHMT y, por tanto, el tratamiento de infecciones por malaria . [17] En particular, se ha demostrado que ciertas moléculas de pirazolopirano tienen una eficacia nanomolar selectiva contra los PSHMT. Sin embargo, una mala farmacocinética ha impedido que estos pirazolopiranos sean eficaces en modelos vivos. [18]

Isoformas

Bacterias como Escherichia coli y Bacillus stearothermophilus tienen versiones de esta enzima y parece haber dos isoformas de SHMT en los mamíferos, una en el citoplasma (cSHMT) y otra en las mitocondrias (mSHMT). [1] Las plantas pueden tener una isoforma SHMT adicional dentro de los cloroplastos . [19]

En los mamíferos, la enzima es un tetrámero de cuatro subunidades idénticas de aproximadamente 50.000 daltons cada una. La holoenzima intacta tiene un peso molecular de aproximadamente 200.000 daltons e incorpora cuatro moléculas de PLP como coenzima . [20]

Otras reacciones

Además de su papel principal en el metabolismo del folato, SHMT también cataliza otras reacciones que pueden ser biológicamente significativas, incluida la conversión de 5,10-meteniltetrahidrofolato en 10-formiltetrahidrofolato . [2] Cuando se combina con C 1 -tetrahidrofolato sintasa y tetrahidropteroato, cSHMT también cataliza la conversión de formiato en serina. [2]

Papel en el síndrome de Smith-Magenis

El síndrome de Smith-Magenis (SMS) es un trastorno poco común que se manifiesta como un conjunto complejo de rasgos que incluyen anomalías faciales, comportamientos inusuales y retraso en el desarrollo. [21] Resulta de una deleción intersticial dentro del cromosoma 17p11.2, incluido el gen cSHMT, y un pequeño estudio mostró que la actividad de SHMT en pacientes con SMS era ~50% de lo normal. [21] La reducción de la SHMT daría como resultado una reducción de la reserva de glicina, lo que podría afectar el sistema nervioso al reducir el funcionamiento de los receptores NMDA . Este podría ser un mecanismo potencial para explicar los SMS. [21]

Cifras

Papel biológico de SHMT:
a ) Interconversión serina-glicina catalizada por SHMT. THF = tetrahidrofolato, CH2-THF = N-5,N-10-metilenetetrahidrofolato. El punto rojo resalta el carbono que se transfiere de Ser a THF.
b ) Descripción esquemática de la función SHMT humana (hSHMT). MTHFD = metilentetrahidrofolato deshidrogenasa-ciclohidrolasa, CH2-THF = N-5,N-10-metilentetrahidrofolato, CH+-THF = 5,10-meteniltetrahidrofolato, CHO-THF = 10-formiltetrahidrofolato, NADP+ = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, NADPH = NADP+ reducido forma.
c ) SHMT, dihidrofolato reductasa (DHFR) y timidilato sintasa (TS) en el ciclo del folato. THF = tetrahidrofolato, CH2-THF = 5,10-metilentetrahidrofolato, DHF = dihidrofolato, FdUMP = fluorodesoxiuridina-5′-monofosfato, dUMP = monofosfato de desoxiuridina, dTMP = monofosfato de desoxitimidina.
De Nonaka et al., 2019. [22]

Referencias

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Otras lecturas

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