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UDP-glucosa 4-epimerasa

La enzima UDP-glucosa 4-epimerasa ( EC 5.1.3.2), también conocida como UDP-galactosa 4-epimerasa o GALE , es una epimerasa homodímera que se encuentra en células bacterianas, fúngicas, vegetales y mamíferas. Esta enzima realiza el paso final en la vía de Leloir del metabolismo de la galactosa , catalizando la conversión reversible de UDP-galactosa en UDP-glucosa . [1] GALE se une firmemente al dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+), un cofactor necesario para la actividad catalítica. [2]

Además, las isoformas de GALE humanas y algunas bacterianas catalizan reversiblemente la formación de UDP -N -acetilgalactosamina (UDP-GalNAc) a partir de UDP -N -acetilglucosamina ( UDP-GlcNAc ) en presencia de NAD+, un paso inicial en la síntesis de glicoproteínas o glicolípidos . [3]

Importancia histórica

El Dr. Luis Leloir dedujo el papel de GALE en el metabolismo de la galactosa durante su estancia en el Instituto de Investigaciones Bioquímicas de la Fundación Campomar, denominando inicialmente a la enzima waldenasa. [4] El Dr. Leloir recibió el Premio Nobel de Química en 1970 por su descubrimiento de los nucleótidos de azúcar y su papel en la biosíntesis de carbohidratos. [5]

Estructura

GALE pertenece a la superfamilia de proteínas deshidrogenasa/reductasa de cadena corta (SDR). [6] Esta familia se caracteriza por un motivo Tyr-XXX-Lys conservado necesario para la actividad enzimática; uno o más andamiajes de plegamiento de Rossmann ; y la capacidad de unirse a NAD + . [6]

Estructura terciaria

La estructura de GALE se ha resuelto para varias especies, incluidas E. coli [7] y los humanos. [8] GALE existe como un homodímero en varias especies. [8]

Si bien el tamaño de las subunidades varía de 68 aminoácidos (Enterococcus faecalis) a 564 aminoácidos (Rhodococcus jostii), la mayoría de las subunidades de GALE se agrupan cerca de los 330 aminoácidos de longitud. [6] Cada subunidad contiene dos dominios distintos. Un dominio N-terminal contiene una lámina β-plegada paralela de 7 hebras flanqueada por hélices α. [1] Los pliegues de Rossmann pareados dentro de este dominio permiten que GALE se una firmemente a un cofactor NAD + por subunidad. [2] Una lámina β de 6 hebras y 5 hélices α comprenden el dominio C-terminal de GALE. [1] Los residuos C-terminales se unen a UDP, de modo que la subunidad es responsable de posicionar correctamente UDP-glucosa o UDP-galactosa para la catálisis. [1]

Sitio activo

La hendidura entre los dominios N- y C-terminales de GALE constituye el sitio activo de la enzima . Un motivo Tyr-XXX Lys conservado es necesario para la actividad catalítica de GALE; en humanos, este motivo está representado por Tyr 157-Gly-Lys-Ser-Lys 161, [6] mientras que E. coli GALE contiene Tyr 149-Gly-Lys-Ser-Lys 153. [8] El tamaño y la forma del sitio activo de GALE varía entre especies, lo que permite una especificidad de sustrato variable de GALE. [3] Además, la conformación del sitio activo dentro de un GALE específico de especie es maleable; por ejemplo, un grupo N-acetilo UDP-GlcNAc 2' voluminoso se acomoda dentro del sitio activo de GALE humano por la rotación de la cadena lateral de carboxamida Asn 207. [3]

Mecanismo

Conversión de UDP-galactosa a UDP-glucosa

GALE invierte la configuración del grupo hidroxilo 4' de la UDP-galactosa a través de una serie de 4 pasos. Al unirse a la UDP-galactosa, un residuo de tirosina conservado en el sitio activo extrae un protón del grupo hidroxilo 4'. [7] [10]

Al mismo tiempo, el hidruro 4' se añade a la cara si del NAD+, lo que genera NADH y un intermediario de 4-cetopiranosa. [1] El intermediario de 4-cetopiranosa gira 180° alrededor del enlace pirofosforilo entre el oxígeno del glicosilo y el átomo de fósforo β, presentando la cara opuesta del intermediario de cetopiranosa al NADH. [10] La transferencia de hidruro del NADH a esta cara opuesta invierte la estereoquímica del centro 4'. El residuo de tirosina conservado luego dona su protón, regenerando el grupo hidroxilo 4'. [1]

Conversión de UDP-GlcNAc a UDP-GalNAc

Las isoformas de GALE humanas y algunas bacterianas catalizan reversiblemente la conversión de UDP-GlcNAc a UDP-GalNAc a través de un mecanismo idéntico, invirtiendo la configuración estereoquímica en el grupo hidroxilo 4' del azúcar. [3] [11]

Función biológica

Pasos en la vía Leloir del metabolismo de la galactosa.
Intermediarios y enzimas en la vía Leloir del metabolismo de la galactosa. [1]

Metabolismo de la galactosa

No existen vías catabólicas directas para el metabolismo de la galactosa. Por lo tanto, la galactosa se convierte preferentemente en glucosa-1-fosfato , que puede desviarse hacia la glucólisis o hacia la vía de síntesis de inositol . [12]

GALE funciona como una de las cuatro enzimas en la vía Leloir de conversión de galactosa de glucosa-1-fosfato. Primero, la galactosa mutarotasa convierte β-D-galactosa en α-D-galactosa. [1] Luego, la galactoquinasa fosforila α-D-galactosa en el grupo hidroxilo 1', produciendo galactosa-1-fosfato . [1] En el tercer paso, la galactosa-1-fosfato uridiltransferasa cataliza la transferencia reversible de una fracción UMP de UDP-glucosa a galactosa-1-fosfato, generando UDP-galactosa y glucosa-1-fosfato. [1] En el paso final de Leloir, GALE regenera UDP-glucosa a partir de UDP-galactosa; la UDP-glucosa vuelve al tercer paso de la vía. [1] Como tal, GALE regenera un sustrato necesario para el ciclo continuo de la vía Leloir.

La glucosa-1-fosfato generada en el paso 3 de la vía de Leloir puede ser isomerizada a glucosa-6-fosfato por la fosfoglucomutasa . La glucosa-6-fosfato entra fácilmente en la glucólisis, lo que conduce a la producción de ATP y piruvato. [13] Además, la glucosa-6-fosfato puede ser convertida a inositol-1-fosfato por la inositol-3-fosfato sintasa , generando un precursor necesario para la biosíntesis de inositol . [14]

Síntesis de UDP-GalNAc

Las isoformas de GALE humanas y bacterianas seleccionadas se unen a UDP-GlcNAc, catalizando reversiblemente su conversión a UDP-GalNAc. Una familia de glicosiltransferasas conocidas como UDP -N -acetilgalactosamina:polipéptido N-acetilgalactosamina transferasas (ppGaNTasas) transfiere GalNAc desde UDP-GalNAc a residuos de glicoproteína serina y treonina. [15] La glicosilación mediada por ppGaNTasa regula la clasificación de proteínas, [16] [17] [18] [19] [20] la señalización de ligandos, [21] [22] [23] la resistencia al ataque proteolítico, [24] [25] y representa el primer paso comprometido en la biosíntesis de mucina. [15]

Papel en la enfermedad

La deficiencia o disfunción de GALE humana da lugar a galactosemia tipo III , que puede presentarse en forma leve (periférica) o más grave (generalizada). [12]

Referencias

  1. ^ abcdefghijk Holden HM, Rayment I, Thoden JB (noviembre de 2003). "Estructura y función de las enzimas de la vía de Leloir para el metabolismo de la galactosa". J. Biol. Chem . 278 (45): 43885–8. doi : 10.1074/jbc.R300025200 . PMID  12923184.
  2. ^ ab Liu Y, Vanhooke JL, Frey PA (junio de 1996). "UDP-galactosa 4-epimerasa: contenido de NAD+ y una banda de transferencia de carga asociada con la transición conformacional inducida por sustrato". Bioquímica . 35 (23): 7615–20. doi :10.1021/bi960102v. PMID  8652544.
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Lectura adicional

Enlaces externos

  1. ^ Beebe, Jane A.; Frey, Perry A. (1998-10-01). "Galactosa mutarotasa: purificación, caracterización e investigaciones de dos importantes residuos de histidina". Bioquímica . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN  0006-2960.