La enzima descarboxilasa de arginina inducida por ácido (AdiA) ( EC 4.1.1.19), también conocida comúnmente como arginina descarboxilasa , cataliza la conversión de L-arginina en agmatina y dióxido de carbono . El proceso consume un protón en la descarboxilación y emplea un cofactor piridoxal-5'-fosfato (PLP) , similar a otras enzimas involucradas en el metabolismo de aminoácidos , como la ornitina descarboxilasa y la glutamina descarboxilasa. [1] Se encuentra en bacterias y virus , aunque la mayoría de las investigaciones hasta ahora se han centrado en las formas de la enzima en bacterias. Durante la descarboxilación de arginina catalizada por AdiA, el protón necesario se consume del citoplasma celular , lo que ayuda a prevenir la sobreacumulación de protones dentro de la célula y sirve para aumentar el pH intracelular. [2] La arginina descarboxilasa es parte de un sistema enzimático en Escherichia coli ( E. coli ) , [3] Salmonella Typhimurium , [4] y la bacteria productora de metano Methanococcus jannaschii [5] que hace que estos organismos sean resistentes a los ácidos y les permite sobrevivir en un medio altamente ácido.
La arginina descarboxilasa es un multímero de subunidades proteicas. Por ejemplo, la forma de esta enzima en E. coli es un decámero de aproximadamente 800 kDa de subunidades idénticas , y está compuesta como un pentámero de dímeros . [6] Cada subunidad se puede dividir en cinco dominios : (1) el dominio del ala amino-terminal, (2) el dominio de enlace, (3) el dominio de unión a PLP, (4) el dominio pequeño similar a la aspartato aminotransferasa (AspAT) y (5) el dominio carboxi-terminal . [3] El dominio pequeño similar a AspAT, el dominio de unión a PLP y el dominio carboxi-terminal forman una estructura abierta similar a un cuenco. El dominio del ala se extiende desde los otros tres dominios como un asa del cuenco, y el dominio de enlace conecta estas dos partes entre sí. En conjunto, los cinco dominios se asocian entre sí a través de enlaces de hidrógeno e interacciones electrostáticas . [3]
En la arginina descarboxilasa de E. coli , cada homodímero tiene dos sitios activos que están enterrados a unos 30 Å de la superficie del dímero. El sitio activo, que se encuentra en el dominio de unión de PLP, consiste en el cofactor PLP unido a un residuo de lisina en forma de una base de Schiff . El grupo fosfato de PLP se mantiene en su lugar a través de enlaces de hidrógeno con las cadenas laterales alcohólicas de varios residuos de serina y treonina , así como a través de enlaces de hidrógeno con la cadena lateral de imidazol de un residuo de histidina . El nitrógeno protonado en el anillo aromático de PLP está unido por enlace de hidrógeno a un carboxilato en una cadena lateral aspártica. [3]
El mecanismo de la arginina descarboxilasa es análogo a otras enzimas desaminadoras y descarboxiladoras de PLP en su uso de un intermediario de base de Schiff . [7] Inicialmente, el residuo Lys386 es desplazado en una reacción de transaminación por el sustrato L-arginina, formando una base de Schiff de arginina con el cofactor PLP. [8] Luego ocurre la descarboxilación del grupo carboxilato de arginina, donde se plantea la hipótesis de que el enlace CC roto es perpendicular al anillo de piridina PLP . [9] El grupo de nitrógeno de piridina actúa como un grupo aceptor de electrones que facilita la ruptura del enlace CC. La protonación del aminoácido conduce a la formación de una nueva base de Schiff que posteriormente sufre una reacción de transaminación por el residuo de lisina de la arginina descarboxilasa, regenerando el PLP catalíticamente activo y liberando agmantina como producto. Aunque se ha planteado la hipótesis de que un residuo de histidina protonado interviene en el paso de protonación como fuente de protones, [10] la identidad del residuo donador de protones en la arginina descarboxilasa aún debe confirmarse.
La arginina descarboxilasa es uno de los principales componentes de la resistencia ácida dependiente de arginina (AR3) [11] que permite a E. coli sobrevivir el tiempo suficiente en el entorno altamente ácido del estómago para pasar a través del tracto digestivo e infectar a un huésped humano. La enzima consume un protón citoplasmático en la reacción de descarboxilación, lo que evita que el pH de la célula se vuelva demasiado ácido. La actividad de la enzima depende del pH circundante. En niveles de pH celular más básicos, la enzima existe en una forma de homodímero inactivo, ya que la repulsión electrostática entre residuos ácidos cargados negativamente en los dominios del ala evita que los homodímeros se ensamblen en el decámero catalíticamente activo. A medida que el entorno celular se vuelve más ácido, estos residuos se cargan de forma neutra a través de la protonación. Con menos repulsión electrostática entre homodímeros, la enzima puede ensamblarse como el decámero catalíticamente activo. [12] Esta estrategia de ensamblaje particular utilizada por la arginina descarboxilasa de E. coli también es utilizada comúnmente por otros organismos acidófilos para hacer frente a condiciones de crecimiento ácidas. [13] En general, la actividad de resistencia a los ácidos de la arginina descarboxilasa es doble. Los residuos de proteína de superficie del homodímero consumen protones, lo que lleva a la formación de decámeros activos que aumentan aún más el consumo de protones a través de la reacción de descarboxilación. La arginina descarboxilasa trabaja en conjunto con los antiportadores de la arginina descarboxilasa (AdiC), otro componente de AR3, que intercambian el sustrato de arginina extracelular por el subproducto intracelular de la descarboxilación. [14] [15]