El fosfato de piridoxal ( PLP , piridoxal 5'- fosfato , P5P ), la forma activa de la vitamina B 6 , es una coenzima en una variedad de reacciones enzimáticas . La Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ha catalogado más de 140 actividades dependientes de PLP, que corresponden a ~4% de todas las actividades clasificadas. [5] La versatilidad del PLP surge de su capacidad para unirse covalentemente al sustrato y luego actuar como un catalizador electrofílico, estabilizando así diferentes tipos de intermediarios de reacción carbaniónicos.
El PLP actúa como coenzima en todas las reacciones de transaminación y en ciertas reacciones de descarboxilación , desaminación y racemización de aminoácidos . [6] El grupo aldehído del PLP forma un enlace de base de Schiff ( aldimina interna ) con el grupo ε-amino de un grupo lisina específico de la enzima aminotransferasa . El grupo α-amino del sustrato de aminoácido desplaza al grupo ε-amino del residuo de lisina del sitio activo en un proceso conocido como transaldiminación. La aldimina externa resultante puede perder un protón, dióxido de carbono o una cadena lateral de aminoácidos para convertirse en un intermediario quinonoide, que a su vez puede actuar como nucleófilo en varias vías de reacción.
En la transaminación, después de la desprotonación, el intermediario quinonoide acepta un protón en una posición diferente para convertirse en una cetimina . La cetimina resultante se hidroliza de modo que el grupo amino permanece en el complejo. [7] Además, el PLP es utilizado por las aminotransferasas (o transaminasas) que actúan sobre azúcares inusuales como la perosamina y la desosamina . [8] En estas reacciones, el PLP reacciona con el glutamato , que transfiere su grupo alfa-amino al PLP para formar fosfato de piridoxamina (PMP). Luego, el PMP transfiere su nitrógeno al azúcar, formando un aminoazúcar .
El PLP también está involucrado en varias reacciones de beta-eliminación como las reacciones llevadas a cabo por la serina deshidratasa y la GDP-4-ceto-6-desoximanosa-3-deshidratasa (ColD) . [8]
También es activo en la reacción de condensación en la síntesis del hemo .
El PLP desempeña un papel en la conversión de levodopa en dopamina , facilita la conversión del neurotransmisor excitador glutamato en el neurotransmisor inhibidor GABA y permite que el SAM se descarboxile para formar propilamina , que es un precursor de las poliaminas.
El fosfato de piridoxal cumple numerosas funciones en el cuerpo humano. A continuación se muestran algunos ejemplos:
El PLP también se encuentra en la glucógeno fosforilasa del hígado, donde se utiliza para descomponer el glucógeno en la glucogenólisis cuando el glucagón o la epinefrina le indican que lo haga. Sin embargo, esta enzima no explota el grupo aldehído reactivo, sino que utiliza el grupo fosfato del PLP para realizar su reacción.
Aunque la gran mayoría de las enzimas dependientes de PLP forman una aldimina interna con PLP a través de un residuo de lisina del sitio activo, algunas enzimas dependientes de PLP no tienen este residuo de lisina, sino que tienen una histidina en el sitio activo. En tal caso, la histidina no puede formar la aldimina interna y, por lo tanto, el cofactor no se une covalentemente a la enzima. La GDP-4-ceto-6-desoximanosa-3-deshidratasa (ColD) es un ejemplo de dicha enzima. [11] La serina hidroximetiltransferasa 2 humana regula las reacciones de transferencia de un carbono necesarias para el metabolismo de aminoácidos y nucleótidos, y existe en formas diméricas y tetraméricas. La variante dimérica SHMT2 es un potente inhibidor del complejo enzimático desubiquitilasa BRISC, que regula la señalización celular basada en el sistema inmunitario. Estudios recientes muestran que la tetramerización de SJMT2 es inducida por PLP. Esto evita la interacción con el complejo desubiqutilasa BRISC, vinculando potencialmente los niveles de vitamina B6 y el metabolismo con la inflamación. [12]
Las enzimas dependientes del piridoxal-5′-fosfato (enzimas PLP) catalizan una gran cantidad de reacciones. Aunque el alcance de las reacciones catalizadas por PLP parece ser inmenso, el principio unificador es la formación de una aldimina interna derivada de la lisina. Una vez que el sustrato amino interactúa con el sitio activo, se genera una nueva base de Schiff, comúnmente denominada aldimina externa. Después de este paso, la vía para cada reacción catalizada por PLP diverge. [13]
La especificidad se confiere por el hecho de que, de los cuatro enlaces del carbono alfa del estado aldimina del aminoácido, el enlace perpendicular al anillo de piridina se romperá ( Hipótesis estereoelectrónica de Dunathan ). [14] [15] En consecuencia, la especificidad está dictada por la forma en que las enzimas se unen a sus sustratos. Un papel adicional en la especificidad lo desempeña la facilidad de protonación del nitrógeno del anillo de piridina . [16]
El PLP se retiene en el sitio activo no solo gracias a la lisina, sino también gracias a la interacción del grupo fosfato y un bolsillo de unión de fosfato y, en menor medida, gracias al apilamiento de bases del anillo de piridina con un residuo aromático que sobresale, generalmente tirosina (que también puede participar en la catálisis ácido-base). A pesar de los requisitos limitados para un bolsillo de unión de PLP, las enzimas PLP pertenecen solo a cinco familias diferentes. Estas familias no se correlacionan bien con un tipo particular de reacción. Las cinco familias se clasifican como tipos de pliegue seguidos de un número romano. [14]
Los animales son auxótrofos de este cofactor enzimático y requieren que se les suministre un complemento, de ahí su clasificación como vitamina B6 , a diferencia de MoCo o CoQ10 , por ejemplo. El PLP se sintetiza a partir del piridoxal por la enzima piridoxal quinasa , requiriendo una molécula de ATP. El PLP se metaboliza en el hígado.
Actualmente se conocen dos vías naturales para la PLP: una requiere desoxixilulosa 5-fosfato (DXP), mientras que la otra no, por lo que se las conoce como dependientes de DXP e independientes de DXP. Estas vías se han estudiado ampliamente en Escherichia coli y Bacillus subtilis , respectivamente. A pesar de la disparidad en los compuestos iniciales y el diferente número de pasos necesarios, las dos vías poseen muchos puntos en común. [17]
La ruta biosintética dependiente de DXP requiere varios pasos y una convergencia de dos ramas, una que produce fosfato de 3-hidroxi-1-aminoacetona a partir de eritrosa 4-fosfato , mientras que la otra (enzima única) produce desoxixilulosa 5-fosfato (DXP) a partir de gliceraldehído 3-fosfato (GAP) y piruvato . El producto de condensación de fosfato de 3-hidroxi-1-aminoacetona y desoxixilulosa 5-fosfato es piridoxina 5'-fosfato. La condensación es catalizada por la PNP sintasa , codificada por pdxJ , que crea PNP (piridoxina 5' fosfato). [18] La enzima final es la PNP oxidasa ( pdxH ), que cataliza la oxidación del grupo hidroxilo 4' a un aldehído usando dioxígeno, lo que resulta en peróxido de hidrógeno.
La primera rama es catalizada en E. coli por enzimas codificadas por epd , pdxB , serC y pdxA . Estas comparten similitudes mecanísticas y homología con las tres enzimas en la biosíntesis de serina ( serA (homólogo de pdxB ), serC , serB — sin embargo, epd es un homólogo de gap ), lo que apunta hacia un origen evolutivo compartido de las dos vías. [19] En varias especies hay dos homólogos del gen serC de E. coli , generalmente uno en un operón ser ( serC ), y el otro en un operón pdx , en cuyo caso se llama pdxF .
Se encontró una "vía fortuita" en una biblioteca de sobreexpresión que podría suprimir la auxotrofia causada por la eliminación de pdxB (que codifica la eritronato 4 fosfato deshidrogenasa) en E. coli . La vía fortuita fue muy ineficiente, pero fue posible debido a la actividad promiscua de varias enzimas. Comenzó con 3-fosfohidroxipiruvato (el producto de la enzima codificada por serA en la biosíntesis de serina) y no requirió eritronato-4-fosfato. El 3PHP se desfosforiló, lo que resultó en un intermediario inestable que se descarboxila espontáneamente (de ahí la presencia del fosfato en la vía biosintética de la serina) a glicolaldehído. El glicolaldehído se condensó con glicina y el producto fosforilado fue 4-fosfohidroxitreonina (4PHT), el sustrato canónico para la 4-PHT deshidrogenasa ( pdxA ). [20]
La ruta biosintética de PLP independiente de DXP consiste en un paso catalizado por la PLP-sintasa, una enzima compuesta por dos subunidades. PdxS cataliza la condensación de ribulosa 5-fosfato, gliceraldehído-3-fosfato y amoníaco , esta última molécula es producida por PdxT que cataliza la producción de amoníaco a partir de glutamina . PdxS es un barril (β/α)8 (también conocido como barril TIM) que forma un dodecámero. [21]
El uso generalizado de PLP en el metabolismo central, especialmente en la biosíntesis de aminoácidos, y su actividad en ausencia de enzimas, sugiere que PLP puede ser un compuesto "prebiótico", es decir, uno que es anterior al origen de la vida orgánica (no debe confundirse con los compuestos prebióticos , sustancias que sirven como fuente de alimento para las bacterias beneficiosas). [22] De hecho, calentar NH3 y glicolaldehído forma espontáneamente una variedad de piridinas, incluido el piridoxal. [22] En ciertas condiciones, PLP se forma a partir de cianoacetileno, diacetileno, monóxido de carbono, hidrógeno, agua y un ácido fosfórico. [23]
Se conocen varios inhibidores de las enzimas PLP.
Un tipo de inhibidor forma un electrófilo con PLP, lo que hace que reaccione irreversiblemente con la lisina del sitio activo. Los compuestos acetilénicos (por ejemplo, propargilglicina) y los compuestos vinílicos (por ejemplo, vinilglicina) son tales inhibidores. Un tipo diferente de inhibidor inactiva PLP, y tales son los análogos de sustratos α-metil y amino-oxi (por ejemplo, α-metilglutamato). Aún otros inhibidores tienen buenos grupos salientes que atacan nucleofílicamente al PLP. Tal es el caso de la cloroalanina , que inhibe una gran cantidad de enzimas. [14]
Ejemplos de inhibidores:
Las enzimas dependientes de piridoxal-5-fosfato (vitamina B6) tienen múltiples orígenes evolutivos. Las enzimas B6 en general divergieron en cuatro líneas evolutivas independientes: familia α (es decir, aspartato aminotransferasa ), familia β ( serina deshidratasa ), familia D- alanina aminotransferasa y la familia alanina racemasa . Un ejemplo de la similitud evolutiva en la familia Beta se ve en el mecanismo. Las enzimas β son todas liasas y catalizan reacciones en las que participan Cα y Cβ. En general, en las enzimas dependientes de PLP , el PLP en todos los casos está unido covalentemente a través de un enlace imina al grupo amino en el sitio activo. [28]