stringtranslate.com

Sintetasa de metionina

La metionina sintasa ( MS , MeSe , MTR ) es la principal responsable de la regeneración de metionina a partir de homocisteína en la mayoría de los individuos. En los humanos está codificada por el gen MTR (5-metiltetrahidrofolato-homocisteína metiltransferasa). [5] [6] La metionina sintasa forma parte del ciclo de biosíntesis y regeneración de S-adenosilmetionina (SAMe) , [7] y es la enzima responsable de vincular el ciclo al metabolismo de un carbono a través del ciclo del folato . Hay dos formas principales de esta enzima, la forma dependiente de la vitamina B 12 (cobalamina) (MetH) y la forma independiente (MetE), [8] aunque también se han descrito metionina sintasas de núcleo mínimo que no encajan claramente en ninguna de las categorías en algunas bacterias anaeróbicas . [9] Las dos formas dominantes de las enzimas parecen ser independientes evolutivamente y dependen de mecanismos químicos considerablemente diferentes. [10] Los mamíferos y otros eucariotas superiores expresan únicamente la forma dependiente de la cobalamina. En cambio, la distribución de las dos formas en Archaeplastida ( plantas y algas ) es más compleja. Las plantas poseen exclusivamente la forma independiente de la cobalamina, [11] mientras que las algas tienen una de las dos, dependiendo de la especie. [12] Muchos microorganismos diferentes expresan tanto la forma dependiente de la cobalamina como la forma independiente de la cobalamina. [13]

Mecanismo

La reacción catalizada por la metionina sintasa (haga clic para ampliar)

La metionina sintasa cataliza el paso final en la regeneración de metionina (Met) a partir de homocisteína (Hcy). Tanto la forma dependiente de cobalamina como la forma independiente de cobalamina de la enzima llevan a cabo la misma reacción química general, la transferencia de un grupo metilo del 5-metiltetrahidrofolato (N 5 -MeTHF) a la homocisteína, produciendo tetrahidrofolato (THF) y metionina. [8] La metionina sintasa es la única enzima de mamíferos que metaboliza N 5 -MeTHF para regenerar el cofactor activo THF. En la forma dependiente de cobalamina (MetH) de la enzima, la reacción se produce en dos pasos en un mecanismo secuencial ordenado preferido. [14] Se cree que el estado de reposo fisiológico de la enzima contiene el cofactor unido a la enzima (Cob) en la forma de metilcobalamina, con el átomo de cobalto en el estado de valencia formal +3 (Cob(III)-Me). La cobalamina es luego desmetilada por homocisteína tiolato activada con zinc , lo que genera metionina y reduce el cofactor a un estado Cob(I). Cuando está en la forma Cob(I), el cofactor unido a la enzima ahora puede abstraer un grupo metilo del 5-metiltetrahidrofolato activado (N 5 -MeTHF), lo que produce tetrahidrofolato (THF) y regenera la forma metilcoalamina de la enzima. [15]

Vía depuradora de la metionina sintasa reductasa para recuperar la metionina sintasa inactivada

En condiciones fisiológicas, aproximadamente una vez cada 2000 renovaciones catalíticas, el Co(I) puede oxidarse a Co(II) inactivo en MetH dependiente de cob. Para explicar este efecto, la proteína contiene un mecanismo de autorreactivación, un proceso de metilación reductiva que utiliza S-adenosilmetionina como un donante de metilo distinto. En los humanos, la enzima se reduce en este proceso por la metionina sintasa reductasa (MTRR), que consta de dominios similares a la flavodoxina y similares a la ferrodoxina-NADP+ oxidorreductasa (FNR). [16] En muchas bacterias, la reducción la lleva a cabo una proteína flavodoxina de dominio único. [17] La ​​proteína reductasa es responsable de la transferencia de un electrón desde un cofactor FMN reducido al Cob(II) inactivo, lo que permite la regeneración de la enzima metilcobalamina activa a través de la transferencia de metilo desde la S-adenosilmetionina al intermediario Cob(I) reducido. [18] Este proceso se conoce como ciclo de reactivación y se cree que se separa del ciclo catalítico normal mediante reordenamientos conformacionales a gran escala dentro de la enzima. [19] Debido a que la oxidación de Cob(I) inevitablemente detiene la actividad de la metionina sintasa dependiente de cob, los defectos o deficiencias en la metionina sintasa reductasa se han implicado en algunas de las asociaciones de enfermedades para la deficiencia de metionina sintasa. [20]

El mecanismo de la forma independiente de la cobalamina (MetE), por el contrario, procede a través de una transferencia directa de metilo desde el N 5 -MeTHF activado a la homocisteína tiolato de cinc. Aunque el mecanismo es considerablemente más simple, la reacción de transferencia directa es mucho menos favorable que las reacciones mediadas por la cobalamina y, como resultado, la tasa de recambio de MetE es aproximadamente 100 veces más lenta que la de MetH. Como no contiene el cofactor cobalamina, la enzima independiente de la cobalamina no es propensa a la inactivación oxidativa [21] [8] [22] [23]

Estructura

Dominio de unión de homocisteína en la metionina sintetasa. His 618, Cys 620 y Cys 704 se unen a Zn (púrpura), que se une a la homocisteína (roja).

Se han resuelto estructuras de alta resolución mediante cristalografía de rayos X para MetE intacta tanto en ausencia como en presencia de sustratos [23] [22] y para fragmentos de MetH, [24] [25] [26] [27] aunque no existe una descripción estructural de una enzima MetH completamente intacta. Las estructuras disponibles y el análisis bioinformático que las acompaña indican una similitud mínima en la estructura general, aunque existen similitudes dentro de los propios sitios de unión del sustrato. [28] La MetH dependiente de Cob se divide en 4 dominios separados. Los dominios, desde el extremo N al C, se denominan unión de homocisteína (dominio Hcy), unión de N 5 -metilTHF (dominio MTHF), unión de cobalamina (dominio Cob) y el dominio de unión o reactivación de S-adenosimetionina. El dominio de reactivación se une a SAM y es el sitio de interacción con flavodoxina o metionina sintasa reductasa durante el ciclo de reactivación de la enzima. [17] [16] [20] El dominio de unión a la cobalamina contiene dos subdominios, con el cofactor unido al subdominio de unión B 12 del pliegue de Rossman , que a su vez está cubierto por el otro subdominio, el subdominio de tapa del haz de cuatro hélices. [25] El haz de cuatro hélices sirve para proteger al cofactor de la cobalamina de una reactividad no deseada, pero puede cambiar significativamente las conformaciones para exponer el cofactor y permitirle el acceso a los otros sustratos durante el recambio. [26] Tanto el dominio Hcy como el N 5 -MeTHF adoptan una arquitectura de barril TIM ; el dominio Hcy contiene el sitio de unión de zinc, que en MetH consta de tres residuos de cisteína coordinados a un ion zinc que a su vez se une y activa a Hcy. El dominio de unión N 5 -MeTHF se une y activa N 5 -MeTHF a través de una red de enlaces de hidrógeno con varios residuos de asparagina , arginina y ácido aspártico . Durante el recambio, la enzima sufre cambios conformacionales significativos que implican mover el dominio Cob de un lado a otro desde el dominio Hcy al dominio N 5 -MeTHF para que se lleven a cabo las dos reacciones de transferencia de metilo. [24]

La MetE independiente de cob consta de dos dominios de barril TIM que se unen a la homocisteína y al N 5 -MeTHF individualmente. Los dos dominios adoptan una arquitectura de doble barril cara a cara, que requiere un "cierre" de la estructura tras la unión de ambos sustratos para permitir la transferencia directa de metilo. [22] Las estrategias de unión al sustrato son similares a las de MetH, aunque en el caso de MetE el átomo de zinc está coordinado a dos cisteínas, una histidina y un glutamato , [23] para lo cual se muestra un ejemplo a la derecha.

Función bioquímica

La metionina sintasa es la enzima 4

En los seres humanos, el propósito principal de la enzima es regenerar Met en el ciclo de S-adenosilmetionina (SAM). El ciclo SAM en una sola rotación consume Met y ATP y genera Hcy, y puede involucrar cualquiera de una serie de reacciones enzimáticas críticas que utilizan S-adenosilmetionina como fuente de un grupo metilo activo para la metilación de ácidos nucleicos , histonas , fosfolípidos y varias proteínas . [29] [30] Como tal, la metionina sintasa cumple una función esencial al permitir que el ciclo SAM se perpetúe sin un influjo constante de Met. Como efecto secundario, la metionina sintasa también sirve para mantener niveles bajos de Hcy y, debido a que la metionina sintasa es una de las pocas enzimas que usa N 5 -MeTHF como sustrato, para mantener indirectamente los niveles de THF. [31] [32]

En bacterias y plantas, la metionina sintasa cumple un doble propósito: perpetuar el ciclo SAM y catalizar el paso sintético final en la síntesis de novo de Met, que es uno de los 20 aminoácidos canónicos . [33] [11] Si bien la reacción química es exactamente la misma para ambos procesos, la función general es distinta de la de la metionina sintasa en humanos porque Met es un aminoácido esencial que no se sintetiza de novo en el cuerpo. [34]

Importancia clínica

Las mutaciones en el gen MTR se han identificado como la causa subyacente de la deficiencia de metilcobalamina del grupo G de complementación, o deficiencia de metilcobalamina tipo cblG. [5] La deficiencia o desregulación de la enzima debido a una deficiencia de metionina sintasa reductasa puede resultar directamente en niveles elevados de homocisteína ( hiperhomocisteinemia ), que se asocia con ceguera, síntomas neurológicos y defectos de nacimiento. [35] [36] Las deficiencias de metionina sintasa reductasa (MTRR) o metilen-tetrahidrofolato reductasa (MTHFR) también pueden resultar en la afección. La mayoría de los casos de deficiencia de metionina sintasa son sintomáticos dentro de los 2 años del nacimiento y muchos pacientes desarrollan rápidamente encefalopatía grave . [37] Una consecuencia de la actividad reducida de la metionina sintasa que se puede medir mediante análisis de sangre clínicos de rutina es la anemia megaloblástica .

Genética

Se han identificado varios polimorfismos asociados a cblG en el gen MTR. [38]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000116984 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000021311 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia PubMed de ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU . .
  5. ^ ab "MTR 5-metiltetrahidrofolato-homocisteína metiltransferasa (Homo sapiens)". Entrez. 19 de mayo de 2009. Consultado el 24 de mayo de 2009 .
  6. ^ Li YN, Gulati S, Baker PJ, Brody LC, Banerjee R, Kruger WD (diciembre de 1996). "Clonación, mapeo y análisis de ARN del gen de la metionina sintasa humana". Genética molecular humana . 5 (12): 1851–1858. doi : 10.1093/hmg/5.12.1851 . PMID:  8968735.
  7. ^ Banerjee RV, Matthews RG (marzo de 1990). "Metionina sintetasa dependiente de cobalamina". FASEB Journal . 4 (5): 1450–1459. doi : 10.1096/fasebj.4.5.2407589 . hdl : 2027.42/154369 . PMID  2407589. S2CID  8210250.
  8. ^ abc Matthews RG, Smith AE, Zhou ZS, Taurog RE, Bandarian V, Evans JC, Ludwig M (2003). "Metionina sintetasas dependientes e independientes de la cobalamina: ¿existen dos soluciones al mismo problema químico?". Helvetica Chimica Acta . 86 (12): 3939–3954. doi :10.1002/hlca.200390329.
  9. ^ Deobald D, Hanna R, Shahryari S, Layer G, Adrian L (febrero de 2020). "Identificación y caracterización de una metionina sintasa de núcleo bacteriano". Scientific Reports . 10 (1): 2100. Bibcode :2020NatSR..10.2100D. doi :10.1038/s41598-020-58873-z. PMC 7005905 . PMID  32034217. 
  10. ^ Pejchal R, Ludwig ML (febrero de 2005). Stroud RM (ed.). "Metionina sintasa independiente de cobalamina (MetE): un doble cañón cara a cara que evolucionó por duplicación génica". PLOS Biology . 3 (2): e31. doi : 10.1371/journal.pbio.0030031 . PMC 539065 . PMID  15630480. 
  11. ^ ab Ravanel S, Gakière B, Job D, Douce R (junio de 1998). "Las características específicas de la biosíntesis y el metabolismo de la metionina en las plantas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 95 (13): 7805–7812. Bibcode :1998PNAS...95.7805R. doi : 10.1073/pnas.95.13.7805 . PMC 22764 . PMID  9636232. 
  12. ^ Helliwell KE, Wheeler GL, Leptos KC, Goldstein RE, Smith AG (octubre de 2011). "Información sobre la evolución de la auxotrofia de la vitamina B12 a partir de genomas de algas secuenciados". Biología molecular y evolución . 28 (10): 2921–2933. doi : 10.1093/molbev/msr124 . PMID  21551270.
  13. ^ Zydowsky TM (1986). "Análisis estereoquímico de la transferencia de metilo catalizada por la sintetasa de metionina dependiente de cobalamina de Escherichia coli B". Journal of the American Chemical Society . 108 (11): 3152–3153. doi :10.1021/ja00271a081.
  14. ^ Banerjee RV, Frasca V, Ballou DP, Matthews RG (diciembre de 1990). "Participación de la cob(I) alamina en la reacción catalizada por la metionina sintasa de Escherichia coli: un análisis cinético de reacción rápida y en estado estable". Bioquímica . 29 (50): 11101–11109. doi :10.1021/bi00502a013. PMID  2271698.
  15. ^ Ruma Banerjee, ed. (1999). Química y bioquímica de la vitamina B12 . Nueva York: Wiley. ISBN 0-471-25390-1.OCLC 40397055  .
  16. ^ ab Yamada K, Gravel RA, Toraya T, Matthews RG (junio de 2006). "La metionina sintasa reductasa humana es una chaperona molecular para la metionina sintasa humana". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (25): 9476–9481. Bibcode :2006PNAS..103.9476Y. doi : 10.1073/pnas.0603694103 . PMC 1480432 . PMID  16769880. 
  17. ^ ab Hall DA, Jordan-Starck TC, Loo RO, Ludwig ML, Matthews RG (septiembre de 2000). "Interacción de la flavodoxina con la sintetasa de metionina dependiente de cobalamina". Bioquímica . 39 (35): 10711–10719. doi :10.1021/bi001096c. PMID  10978155.
  18. ^ Jarrett JT, Hoover DM, Ludwig ML, Matthews RG (septiembre de 1998). "El mecanismo de activación de la metionina sintasa dependiente de adenosilmetionina: un análisis cinético rápido de intermediarios en la metilación reductora de la enzima Cob(II)alamina". Biochemistry . 37 (36): 12649–12658. doi :10.1021/bi9808565. PMID  9730838.
  19. ^ Jarrett JT, Huang S, Matthews RG (abril de 1998). "La sintetasa de metionina existe en dos conformaciones distintas que difieren en la reactividad hacia el metiltetrahidrofolato, la adenosilmetionina y la flavodoxina". Biochemistry . 37 (16): 5372–5382. doi :10.1021/bi9730893. PMID  9548919.
  20. ^ ab Wolthers KR, Scrutton NS (junio de 2007). "Interacciones proteicas en el complejo metionina sintasa-metionina sintasa reductasa humana e implicaciones para el mecanismo de reactivación enzimática". Bioquímica . 46 (23): 6696–6709. doi :10.1021/bi700339v. PMID  17477549.
  21. ^ Zhang Z, Tian C, Zhou S, Wang W, Guo Y, Xia J, et al. (diciembre de 2012). "Diseño basado en mecanismos, síntesis y estudios biológicos de análogos de tetrahidrofolato N⁵-sustituidos como inhibidores de la sintasa de metionina dependiente de cobalamina y posibles agentes anticancerígenos". Revista Europea de Química Medicinal . 58 : 228–236. doi :10.1016/j.ejmech.2012.09.027. PMID  23124219.
  22. ^ abc Ubhi DK, Robertus JD (febrero de 2015). "La enzima metionina sintasa independiente de cobalamina capturada en una conformación cerrada inducida por sustrato". Journal of Molecular Biology . 427 (4): 901–909. doi : 10.1016/j.jmb.2014.12.014 . PMID  25545590.
  23. ^ abc Koutmos M, Pejchal R, Bomer TM, Matthews RG, Smith JL, Ludwig ML (marzo de 2008). "Elasticidad del sitio activo del metal vinculada a la activación de la homocisteína en las sintetasas de metionina". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (9): 3286–3291. Bibcode :2008PNAS..105.3286K. doi : 10.1073/pnas.0709960105 . PMC 2265165 . PMID  18296644. 
  24. ^ ab Evans JC, Huddler DP, Hilgers MT, Romanchuk G, Matthews RG, Ludwig ML (marzo de 2004). "Las estructuras de los módulos N-terminales implican grandes movimientos de dominio durante la catálisis por la metionina sintasa". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 101 (11): 3729–3736. Bibcode :2004PNAS..101.3729E. doi : 10.1073/pnas.0308082100 . PMC 374312 . PMID  14752199. 
  25. ^ ab Drennan CL, Huang S, Drummond JT, Matthews RG, Ludwig ML (diciembre de 1994). "Cómo una proteína se une a la vitamina B12: estructura de rayos X de 3,0 A de los dominios de unión a la vitamina B12 de la metionina sintasa". Science . 266 (5191): 1669–1674. doi :10.1126/science.7992050. PMID  7992050.
  26. ^ ab Bandarian V, Pattridge KA, Lennon BW, Huddler DP, Matthews RG, Ludwig ML (enero de 2002). "La alternancia de dominios cambia la sintasa de metionina dependiente de B(12) a la conformación de activación". Nature Structural Biology . 9 (1): 53–56. doi :10.1038/nsb738. PMID  11731805. S2CID  10529695.
  27. ^ Datta S, Koutmos M, Pattridge KA, Ludwig ML, Matthews RG (marzo de 2008). "Un confórmero estabilizado por disulfuro de la sintasa de metionina revela un papel inesperado para el ligando de histidina del cofactor de cobalamina". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (11): 4115–4120. Bibcode :2008PNAS..105.4115D. doi : 10.1073/pnas.0800329105 . PMC 2393809 . PMID  18332423. 
  28. ^ Pejchal R, Ludwig ML (febrero de 2005). "Metionina sintasa independiente de cobalamina (MetE): un doble cañón cara a cara que evolucionó por duplicación génica". PLOS Biology . 3 (2): e31. doi : 10.1371/journal.pbio.0030031 . PMC 539065 . PMID  15630480. 
  29. ^ Broderick JB, Duffus BR, Duschene KS, Shepard EM (abril de 2014). "Enzimas radicales S-adenosilmetionina". Chemical Reviews . 114 (8): 4229–4317. doi :10.1021/cr4004709. PMC 4002137 . PMID  24476342. 
  30. ^ Shane B (junio de 2008). "Metabolismo del folato y la vitamina B12: descripción general e interacción con la riboflavina, la vitamina B6 y los polimorfismos". Boletín de alimentos y nutrición . 29 (2 Suppl): S5–S16. doi :10.1177/15648265080292S103. PMID  18709878. S2CID  21493797.
  31. ^ Watkins D, Ru M, Hwang HY, Kim CD, Murray A, Philip NS, et al. (julio de 2002). "Hiperhomocisteinemia debida a deficiencia de metionina sintasa, cblG: estructura del gen MTR, diversidad de genotipos y reconocimiento de una mutación común, P1173L". American Journal of Human Genetics . 71 (1): 143–153. doi :10.1086/341354. PMC 384971 . PMID  12068375. 
  32. ^ Ghergurovich JM, Xu X, Wang JZ, Yang L, Ryseck RP, Wang L, Rabinowitz JD (noviembre de 2021). "La sintetasa de metionina respalda los depósitos de tetrahidrofolato tumoral". Nature Metabolism . 3 (11): 1512–1520. doi :10.1038/s42255-021-00465-w. PMC 9284419 . PMID  34799699. S2CID  244450216. 
  33. ^ Ferla MP, Patrick WM (agosto de 2014). "Biosíntesis de metionina bacteriana". Microbiología . 160 (Pt 8): 1571–1584. doi : 10.1099/mic.0.077826-0 . PMID  24939187.
  34. ^ Hesse H, Hoefgen R (junio de 2003). "Aspectos moleculares de la biosíntesis de metionina". Tendencias en la ciencia vegetal . 8 (6): 259–262. doi :10.1016/S1360-1385(03)00107-9. PMID  12818659.
  35. ^ Banerjee RV, Matthews RG (marzo de 1990). "Metionina sintetasa dependiente de cobalamina". FASEB Journal . 4 (5): 1450–1459. doi : 10.1096/fasebj.4.5.2407589 . hdl : 2027.42/154369 . PMID  2407589. S2CID  8210250.
  36. ^ Kim J, Kim H, Roh H, Kwon Y (abril de 2018). "Causas de la hiperhomocisteinemia y su importancia patológica". Archivos de investigación farmacéutica . 41 (4): 372–383. doi :10.1007/s12272-018-1016-4. PMID  29552692. S2CID  3986295.
  37. ^ Outteryck O, de Sèze J, Stojkovic T, Cuisset JM, Dobbelaere D, Delalande S, et al. (julio de 2012). "Deficiencia de metionina sintasa: una causa poco frecuente de leucoencefalopatía de inicio en la edad adulta". Neurología . 79 (4): 386–388. doi :10.1212/WNL.0b013e318260451b. PMID  22786600. S2CID  207121496.
  38. ^ Gulati S, Baker P, Li YN, Fowler B, Kruger W, Brody LC, Banerjee R (diciembre de 1996). "Defectos en la metionina sintasa humana en pacientes con cblG". Human Molecular Genetics . 5 (12): 1859–1865. doi : 10.1093/hmg/5.12.1859 . PMID  8968736.

Lectura adicional

Enlaces externos