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Glutamina sintetasa

La glutamina sintetasa ( GS ) ( EC 6.3.1.2) [3] es una enzima que desempeña un papel esencial en el metabolismo del nitrógeno al catalizar la condensación de glutamato y amoníaco para formar glutamina :

Glutamato + ATP + NH 3 → Glutamina + ADP + fosfato

Reacción de la glutamina sintetasa.
Reacción catalizada por glutamina sintetasa

La glutamina sintetasa utiliza amoníaco producido por la reducción de nitratos, la degradación de aminoácidos y la fotorrespiración . [4] El grupo amida del glutamato es una fuente de nitrógeno para la síntesis de metabolitos de la vía de la glutamina . [5]

Otras reacciones pueden tener lugar a través de GS. La competencia entre el ion amonio y el agua, sus afinidades de unión y la concentración del ion amonio influyen en la síntesis y la hidrólisis de la glutamina. La glutamina se forma si un ion amonio ataca al intermedio acil-fosfato, mientras que el glutamato se rehace si el agua ataca al intermedio. [6] [7] El ion amonio se une más fuertemente que el agua a GS debido a las fuerzas electrostáticas entre un catión y una bolsa cargada negativamente. [4] Otra posible reacción es que al unirse NH 2 OH a GS, en lugar de NH 4 +, se produce γ-glutamilhidroxamato. [6] [7]

Estructura

Dodecámero GS
Glutamina sintetasa, 12 subunidades [1]

La glutamina sintetasa puede estar compuesta por 8, 10 o 12 subunidades idénticas separadas en dos anillos cara a cara. [6] [8] [9] [10] Los GS bacterianos son dodecámeros con 12 sitios activos entre cada monómero . [6] Cada sitio activo crea un "túnel" que es el sitio de tres sitios de unión de sustrato distintos: nucleótido , ion amonio y aminoácido. [4] [6] [10] [11] El ATP se une a la parte superior del biembudo que se abre a la superficie externa de GS. [4] El glutamato se une en la parte inferior del sitio activo. [7] La ​​mitad del bifunnel contiene dos sitios en los que se unen cationes divalentes (Mn+2 o Mg+2). Un sitio de unión de cationes participa en la transferencia de fosforilo de ATP a glutamato, mientras que el segundo estabiliza el GS activo y ayuda con la unión de glutamato. [6]

Los enlaces de hidrógeno y las interacciones hidrofóbicas mantienen unidos los dos anillos de GS. Cada subunidad posee un extremo C y un extremo N en su secuencia. El extremo C terminal (tanga helicoidal) estabiliza la estructura GS insertándose en la región hidrofóbica de la subunidad a través del otro anillo. El extremo N está expuesto al disolvente. Además, el canal central se forma a través de seis láminas β de cuatro cadenas compuestas por bucles antiparalelos de las doce subunidades. [6]

Mecanismo

GS cataliza la condensación de glutamato con amoníaco dependiente de ATP para producir glutamina. [4] La hidrólisis del ATP impulsa [8] el primer paso de un mecanismo concertado de dos partes. [4] [6] El ATP fosforila el glutamato para formar ADP y un intermedio de acil-fosfato, γ-glutamil fosfato, que reacciona con el amoníaco, formando glutamina y fosfato inorgánico. El ADP y el Pi no se disocian hasta que se une el amoníaco y se libera glutamina. [6]

El ATP se une primero a la parte superior del sitio activo cerca de un sitio de unión de cationes, mientras que el glutamato se une cerca del segundo sitio de unión de cationes en la parte inferior del sitio activo. [5] [7] La ​​presencia de ADP provoca un cambio conformacional en GS que estabiliza el resto de γ-glutamil fosfato. El amonio se une fuertemente a GS sólo si el intermedio acil-fosfato está presente. El amonio, en lugar del amoníaco, se une a GS porque el sitio de unión es polar y está expuesto al solvente. [7] En el segundo paso, la desprotonación del amonio permite que el amoníaco ataque al intermediario desde su sitio cercano para formar glutamina. [12] El fosfato sale por la parte superior del sitio activo, mientras que la glutamina sale por la parte inferior (entre dos anillos). [13] [7]

Dos vistas de la glutamina sintetasa PDB ID: 1FPY

función biológica

GS está presente predominantemente en el cerebro, los riñones y el hígado. [4] [10] GS en el cerebro participa en la regulación metabólica del glutamato, la desintoxicación del amoníaco cerebral, la asimilación del amoníaco, la reciclación de neurotransmisores y la terminación de las señales de los neurotransmisores. [4] [14] GS, en el cerebro, se encuentra principalmente en los astrocitos . [15] Los astrocitos protegen a las neuronas contra la excitotoxicidad al absorber el exceso de amoníaco y glutamato. [14] En ambientes hiperamonémicos (altos niveles de amoníaco), se produce inflamación astroglial. [14] [16] [17] Diferentes perspectivas han abordado el problema de la inflamación astroglial. Un estudio muestra que se producen cambios morfológicos que aumentan la expresión de GS en áreas glutamatérgicas u otras adaptaciones que alivian los altos niveles de glutamato y amoníaco. [14] Otra perspectiva es que la inflamación de los astrocitos se debe a la acumulación de glutamina. Para prevenir niveles elevados de glutamato cortical y contenido de agua cortical, se realizó un estudio para prevenir la actividad GS en ratas mediante el uso de MSO. [dieciséis]

Clases

Parece haber tres clases diferentes de GS: [18] [19] [20]

Las plantas tienen dos o más isoenzimas de GSII, una de las isoenzimas se transloca al cloroplasto . Otra forma es citosólica . La traducción del gen GS citosólico está regulada por su región no traducida 5' (UTR), mientras que su UTR 3' desempeña un papel en el recambio de transcripción. [23]

Si bien las tres clases de GS están claramente relacionadas estructuralmente, las similitudes de secuencia no son tan extensas.

Regulación e inhibición

GS está sujeto a modificación covalente reversible. Tyr 397 de las 12 subunidades puede sufrir adenililación o muerte por adenilil transferasa (AT), una enzima reguladora bifuncional. [25] La adenililación es una modificación postraduccional que implica la unión covalente de AMP a una cadena lateral de proteína. Cada adenililación requiere un ATP y la inhibición completa de GS requiere 12 ATP. La deadenililación por AT implica la eliminación fosforolítica de los grupos adenililo unidos a Tyr como ADP . La actividad de AT está influenciada por la proteína reguladora que está asociada a ella: P II , un trímero de 44 kD . [25] P II también sufre una modificación postraduccional por la uridilil transferasa , por lo que P II tiene dos formas. El estado de P II dicta la actividad de la adenilil transferasa. Si P II no está uridilado, tomará la forma P IIA . El complejo AT:P IIA desactivará GS mediante adenililación. Si P II está uridilado, tomará la forma P IID . El complejo AT:P IID activará GS por muerte. [25] Los complejos AT:P IIA y AT:P IID están regulados alostéricamente de forma recíproca por α-cetoglutarato (α-KG) y glutamina (Gln). Gln activará la actividad AT:P IIA e inhibirá AT:P IID , lo que provocará la adenililación y la posterior desactivación de GS. Además, Gln favorece la conversión de P IID a P IIA . Los efectos de α-KG sobre los complejos son opuestos. [25] En la mayoría de las bacterias gramnegativas, GS puede modificarse mediante adenililación (algunas cianobacterias y algas verdes o excepciones). [26]

La inhibición de GS se ha centrado en gran medida en los ligandos del sitio amino. [6] Otros inhibidores son el resultado del metabolismo de la glutamina: triptófano, histidina, carbamoil fosfato, glucosamina-6-fosfato, citidina trifosfato (CTP) y adenosina monofosfato (AMP). [5] [8] [27] Otros inhibidores/reguladores son la glicina y la alanina. La alanina, la glicina y la serina se unen al sitio del sustrato glutamato. GDP, AMP, ADP se unen al sitio ATP. [6] La L-serina, la L-alanina y la glicina se unen al sitio del L-glutamato en GS no adinilado. Los cuatro aminoácidos se unen al sitio mediante sus átomos comunes, "la cadena principal" de aminoácidos. [5] El glutamato es otro producto del metabolismo de la glutamina; sin embargo, el glutamato es un sustrato de GS que lo inhibe para actuar como regulador de GS.2 Cada inhibidor puede reducir la actividad de la enzima; Una vez que todos los metabolitos finales de glutamina se unen a GS, la actividad de GS se inhibe casi por completo. [8] Muchas señales de entrada inhibidoras permiten un ajuste fino de GS al reflejar los niveles de nitrógeno en el organismo.

La regulación por retroalimentación distingue la diferencia entre dos tipos eucariotas de GS: tejido cerebral y no cerebral. La GS no cerebral responde a la inhibición de la retroalimentación del producto final, mientras que la GS cerebral no. [6] Las concentraciones altas de metabolitos dependientes de glutamina deberían inhibir la actividad de GS, mientras que las concentraciones bajas deberían activar la actividad de GS. [6]

Metionina sulfoximina que actúa como inhibidor del sitio de unión del glutamato.

Inhibidores:

La investigación sobre E. coli reveló que GS se regula mediante la expresión genética. El gen que codifica la subunidad GS se denomina glnA . La transcripción de glnA depende de NRI ( un potenciador transcripcional específico ). La transcripción activa ocurre si NR I está en su forma fosforilada, denominada NR I -P . La fosforilación de NR I está catalizada por NR II , una proteína quinasa . Si NR II forma un complejo con P IIA , funcionará como una fosfatasa y NR I -P se convierte nuevamente en NR I. En este caso, cesa la transcripción de glnA . [25]

GS está sujeto a mecanismos reguladores completamente diferentes en las cianobacterias . [28] En lugar del sistema común de dos componentes NtrC-NtrB, [29] [30] las cianobacterias albergan el regulador transcripcional NtcA que está restringido a este clado y controla la expresión de GS y una multitud de genes implicados en el metabolismo del nitrógeno . [31] [32] Además, la GS en las cianobacterias no se modifica covalentemente para aumentar la sensibilidad a la inhibición por retroalimentación. [30] En cambio, la GS en las cianobacterias es inhibida por pequeñas proteínas, denominadas factores inactivadores de GS (IF), cuya transcripción está regulada negativamente por NtcA. [33] [34] Estos factores inactivantes están además regulados por diferentes ARN no codificantes : el sRNA NsiR4 interactúa con la 5'UTR del mRNA del factor inactivante GS IF7 ( gifA mRNA) y reduce su expresión. La expresión de NsiR4 está bajo control positivo del factor de transcripción de control de nitrógeno NtcA. [35] Además, la expresión del factor inactivador de GS IF17 está controlada por un riboswitch de unión a glutamina . [36]

Referencias

  1. ^ abc PDB : 1FPY ​; Gill HS, Eisenberg D (febrero de 2001). "La estructura cristalina de la fosfinotricina en el sitio activo de la glutamina sintetasa ilumina el mecanismo de inhibición enzimática". Bioquímica . 40 (7): 1903–12. doi :10.1021/bi002438h. PMID  11329256.
  2. ^ AP : 2GLS ​; Yamashita MM, Almassy RJ, Janson CA, Cascio D, Eisenberg D (octubre de 1989). "Modelo atómico refinado de glutamina sintetasa con una resolución de 3,5 A". J. Biol. química . 264 (30): 17681–90. doi :10.2210/pdb2gls/pdb. PMID  2572586.
  3. ^ Eisenberg D, Almassy RJ, Janson CA, Chapman MS, Suh SW, Cascio D, Smith WW (1987). "Algunas relaciones evolutivas de los catalizadores biológicos primarios glutamina sintetasa y RuBisCO". Puerto de primavera fría. Síntoma. Cuant. Biol . 52 : 483–90. doi :10.1101/sqb.1987.052.01.055. PMID  2900091.
  4. ^ abcdefgh Liaw SH, Kuo I, Eisenberg D (noviembre de 1995). "Descubrimiento del sitio del sustrato de amonio en la glutamina sintetasa, un tercer sitio de unión de cationes". Ciencia de las proteínas . 4 (11): 2358–65. doi :10.1002/pro.5560041114. PMC 2143006 . PMID  8563633. 
  5. ^ abcd Liaw SH, Pan C, Eisenberg D (junio de 1993). "Inhibición por retroalimentación de la glutamina sintetasa completamente nodenilada de Salmonella typhimurium por glicina, alanina y serina". Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU . 90 (11): 4996–5000. Código bibliográfico : 1993PNAS...90.4996L. doi : 10.1073/pnas.90.11.4996 . PMC 46640 . PMID  8099447. 
  6. ^ abcdefghijklmno Eisenberg D, Gill HS, Pfluegl GM, Rotstein SH (marzo de 2000). "Relaciones estructura-función de las glutamina sintetasas". Biochim Biophys Acta . 1477 (1–2): 122–45. doi :10.1016/S0167-4838(99)00270-8. PMID  10708854.
  7. ^ abcdefg Liaw SH, Eisenberg D (enero de 1994). "Modelo estructural para el mecanismo de reacción de la glutamina sintetasa, basado en cinco estructuras cristalinas de complejos enzima-sustrato". Bioquímica . 33 (3): 675–81. doi :10.1021/bi00169a007. PMID  7904828.
  8. ^ abcd Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2007). Bioquímica (6ª ed.). San Francisco: WH Freeman. págs. 679–706. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  9. ^ Goodsell DS (junio de 2002). "Glutamina sintetasa". Molécula del mes . Banco de datos de proteínas RCSB. Archivado desde el original el 31 de mayo de 2008 . Consultado el 8 de mayo de 2010 .
  10. ^ abcde Krajewski WW, Collins R, Holmberg-Schiavone L, Jones TA, Karlberg T, Mowbray SL (enero de 2008). "Las estructuras cristalinas de las glutamina sintetasas de mamíferos ilustran los cambios conformacionales inducidos por el sustrato y brindan oportunidades para el diseño de fármacos y herbicidas". J Mol Biol . 375 (1): 317–28. doi :10.1016/j.jmb.2007.10.029. PMID  18005987.
  11. ^ Ginsburg A, Yeh J, Hennig SB, Denton MD (febrero de 1970). "Algunos efectos de la adenililación sobre las propiedades biosintéticas de la glutamina sintetasa de Escherichia coli". Bioquímica . 9 (3): 633–49. doi :10.1021/bi00805a025. PMID  4906326.
  12. ^ Hunt JB, Smyrniotis PZ, Ginsburg A, Stadtman ER (enero de 1975). "Requisito de iones metálicos por la glutamina sintetasa de Escherichia coli en la catálisis de la transferencia de gamma-glutamil". Arco Biochem Biophys . 166 (1): 102–24. doi :10.1016/0003-9861(75)90370-7. PMID  235885.
  13. ^ Goodsell, DS (junio de 2002). "Glutamina sintetasa". Banco de datos de proteínas RCSB. Archivado desde el original el 31 de mayo de 2008 . Consultado el 8 de mayo de 2010 .
  14. ^ abcd Suárez I, Bodega G, Fernández B (agosto-septiembre de 2002). "Glutamina sintetasa en el cerebro: efecto del amoníaco". Neuroquímica. En t . 41 (2–3): 123–42. doi :10.1016/S0197-0186(02)00033-5. PMID  12020613. S2CID  24661063.
  15. ^ Venkatesh K, Srikanth L, Vengamma B, Chandrasekhar C, Sanjeevkumar A, Mouleshwara Prasad BC, Sarma PV (2013). "Diferenciación in vitro de células CD34 + humanas cultivadas en astrocitos". Neurol India . 61 (4): 383–8. doi : 10.4103/0028-3886.117615 . PMID  24005729.
  16. ^ ab Willard-Mack CL, Koehler RC, Hirata T, et al. (Marzo de 1996). "La inhibición de la glutamina sintetasa reduce la inflamación de los astrocitos inducida por el amoníaco en ratas". Neurociencia . 71 (2): 589–99. doi :10.1016/0306-4522(95)00462-9. PMID  9053810. S2CID  31674240.
  17. ^ Tanigami H, Rebel A, Martin LJ, Chen TY, Brusilow SW, Traystman RJ, Koehler RC (2005). "Efecto de la inhibición de la glutamina sintetasa sobre la inflamación de los astrocitos y la expresión alterada de la proteína astroglial durante la hiperamonemia en ratas". Neurociencia . 131 (2): 437–49. doi :10.1016/j.neuroscience.2004.10.045. PMC 1819407 . PMID  15708485. 
  18. ^ Kumada Y, Benson DR, Hillemann D, Hosted TJ, Rochefort DA, Thompson CJ, Wohlleben W, Tateno Y (abril de 1993). "Evolución del gen de la glutamina sintetasa, uno de los genes más antiguos existentes y en funcionamiento". Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU . 90 (7): 3009–13. Código bibliográfico : 1993PNAS...90.3009K. doi : 10.1073/pnas.90.7.3009 . PMC 46226 . PMID  8096645. 
  19. ^ Shatters RG, Kahn ML (noviembre de 1989). "Glutamina sintetasa II en Rhizobium: reexamen de la transferencia horizontal propuesta de ADN de eucariotas a procariotas". J. Mol. Evolución . 29 (5): 422–8. Código Bib : 1989JMolE..29..422S. doi :10.1007/BF02602912. PMID  2575672. S2CID  36704558.
  20. ^ Brown JR, Masuchi Y, Robb FT, Doolittle WF (junio de 1994). "Relaciones evolutivas de genes de glutamina sintetasa bacteriana y arqueal". J. Mol. Evolución . 38 (6): 566–76. Código Bib : 1994JMolE..38..566B. doi :10.1007/BF00175876. PMID  7916055. S2CID  21493521.
  21. ^ "Estructura GSI". Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2008 . Consultado el 31 de marzo de 2009 .
  22. ^ InterPro: IPR001637 Glutamina sintetasa clase I, sitio de adenilación
  23. ^ Ortega JL, Wilson OL, Sengupta-Gopalan C (diciembre de 2012). "La región 5 'no traducida del gen de la glutamina sintetasa citosólica β (1) de la soja contiene señales de iniciación de la traducción procariótica y actúa como un potenciador de la traducción en las plantas". Genética y Genómica Molecular . 287 (11–12): 881–93. doi :10.1007/s00438-012-0724-6. PMC 3881598 . PMID  23080263. 
  24. ^ van Rooyen JM, Abratt VR, Sewell BT (agosto de 2006). "Estructura tridimensional de una glutamina sintetasa tipo III mediante reconstrucción de una sola partícula". J. Mol. Biol . 361 (4): 796–810. doi :10.1016/j.jmb.2006.06.026. hdl : 11394/1617 . PMID  16879836.
  25. ^ abcde Garrett, Grisham (2017). Bioquímica (6ª ed.). Estados Unidos de América: Cengage Learning. págs. 886–889. ISBN 978-1-305-57720-6.
  26. ^ Ivanovsky RN, Khatipov EA (1994). "Evidencia de modificación covalente de la glutamina sintetasa en la bacteria del azufre púrpura". Cartas de microbiología FEMS . 122 (1–2): 115–119. doi : 10.1111/j.1574-6968.1994.tb07153.x .
  27. ^ Krishnan IS, Singhal RK, Dua RD (abril de 1986). "Purificación y caracterización de glutamina sintetasa de Clostridium pasturianum". Bioquímica . 25 (7): 1589–99. doi :10.1021/bi00355a021. PMID  2871863.
  28. ^ Bolay P, Muro-Pastor M, Florencio F, Klähn S (27 de octubre de 2018). "La regulación distintiva de la glutamina sintetasa de cianobacterias". Vida . 8 (4): 52. Bibcode : 2018Vida....8...52B. doi : 10.3390/life8040052 . PMC 6316151 . PMID  30373240. 
  29. ^ Merrick MJ, Edwards RA (diciembre de 1995). "Control de nitrógeno en bacterias". Revisiones microbiológicas . 59 (4): 604–22. doi :10.1128/MR.59.4.604-622.1995. PMC 239390 . PMID  8531888. 
  30. ^ ab Fisher R, Tuli R, Haselkorn R (junio de 1981). "Un gen de cianobacteria clonado para la glutamina sintetasa funciona en Escherichia coli, pero la enzima no está adenilada". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 78 (6): 3393–7. Código bibliográfico : 1981PNAS...78.3393F. doi : 10.1073/pnas.78.6.3393 . PMC 319574 . PMID  6115380. 
  31. ^ Vega-Palas MA, Flores E, Herrero A (julio de 1992). "NtcA, un regulador global de nitrógeno de la cianobacteria Synechococcus que pertenece a la familia de reguladores bacterianos Crp". Microbiología Molecular . 6 (13): 1853–9. doi :10.1111/j.1365-2958.1992.tb01357.x. PMID  1630321. S2CID  32757978.
  32. ^ Reyes JC, Muro-Pastor MI, Florencio FJ (abril de 1997). "La transcripción de los genes de la glutamina sintetasa (glnA y glnN) de la cepa PCC 6803 de la cianobacteria Synechocystis sp. se regula de manera diferente en respuesta a la disponibilidad de nitrógeno". Revista de Bacteriología . 179 (8): 2678–89. doi :10.1128/jb.179.8.2678-2689.1997. PMC 179018 . PMID  9098067. 
  33. ^ García-Domínguez M, Reyes JC, Florencio FJ (junio de 1999). "Inactivación de la glutamina sintetasa por interacción proteína-proteína". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 96 (13): 7161–6. Código bibliográfico : 1999PNAS...96.7161G. doi : 10.1073/pnas.96.13.7161 . PMC 22038 . PMID  10377385. 
  34. ^ García-Domínguez M, Reyes JC, Florencio FJ (marzo de 2000). "NtcA reprime la transcripción de gifA y gifB, genes que codifican inhibidores de la glutamina sintetasa tipo I de Synechocystis sp. PCC 6803". Microbiología Molecular . 35 (5): 1192–201. doi :10.1046/j.1365-2958.2000.01789.x. PMID  10712699. S2CID  23804565.
  35. ^ Klähn S, Schaal C, Georg J, Baumgartner D, Knippen G, Hagemann M, Muro-Pastor AM, Hess WR (noviembre de 2015). "El sRNA NsiR4 participa en el control de la asimilación de nitrógeno en cianobacterias al apuntar al factor inactivador de glutamina sintetasa IF7". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 112 (45): E6243-52. Código Bib : 2015PNAS..112E6243K. doi : 10.1073/pnas.1508412112 . PMC 4653137 . PMID  26494284. 
  36. ^ Klähn S, Bolay P, Wright PR, Atilho RM, Brewer KI, Hagemann M, Breaker RR, Hess WR (agosto de 2018). "Un riboswitch de glutamina es un elemento clave para la regulación de la glutamina sintetasa en cianobacterias". Investigación de ácidos nucleicos . 46 (19): 10082–10094. doi : 10.1093/nar/gky709. PMC 6212724 . PMID  30085248. 

enlaces externos