La cistationina-β-sintasa , también conocida como CBS , es una enzima ( EC 4.2.1.22) que en los humanos está codificada por el gen CBS . Cataliza el primer paso de la vía de transulfuración , de homocisteína a cistationina : [5]
La CBS utiliza el cofactor piridoxal-fosfato (PLP) y puede ser regulada alostéricamente por efectores como el ubicuo cofactor S -adenosil- L -metionina (adoMet). Esta enzima pertenece a la familia de las liasas , en concreto, a las hidroliasas, que rompen los enlaces carbono-oxígeno.
La CBS es una enzima multidominio compuesta por un dominio enzimático N-terminal y dos dominios CBS . El gen CBS es el locus más común de mutaciones asociadas con la homocistinuria . [6]
El nombre sistemático de esta clase de enzimas es L -serina hidroliasa (que añade homocisteína; formadora de L -cistationina). Otros nombres de uso común son:
En 1961, a la metilcisteína sintasa se le asignó el número EC 4.2.1.23. Esto se debió a una reacción secundaria del CBS. El número EC 4.2.1.23 se eliminó en 1972. [7]
La enzima humana cistationina β-sintasa es un tetrámero y comprende 551 aminoácidos con un peso molecular de subunidad de 61 kDa. Muestra una organización modular de tres módulos con el dominio hemo N-terminal seguido de un núcleo que contiene el cofactor PLP . [9] El cofactor está en lo profundo del dominio hemo y está unido por una base de Schiff. [10] Una base de Schiff es un grupo funcional que contiene un enlace C=N con el átomo de nitrógeno conectado a un grupo arilo o alquilo . El dominio hemo está compuesto de 70 aminoácidos y parece que el hemo solo existe en CBS de mamíferos y está ausente en CBS de levaduras y protozoos . En el extremo C, el dominio regulador de CBS contiene una repetición en tándem de dos dominios CBS de β-α-β-β-α, un motivo de estructura secundaria que se encuentra en otras proteínas. [9] CBS tiene un dominio inhibidor C-terminal. El dominio C-terminal de la cistationina β-sintasa regula su actividad a través de efectos tanto intrastéricos como alostéricos y es importante para mantener el estado tetramérico de la proteína. [9] Esta inhibición se alivia mediante la unión del efector alostérico , adoMet , o mediante la eliminación del dominio regulador; sin embargo, la magnitud de los efectos difiere. [9] Las mutaciones en este dominio están correlacionadas con enfermedades hereditarias . [11]
El dominio hemo contiene un bucle N-terminal que se une al hemo y proporciona los ligandos axiales C52 y H65. La distancia del hemo desde el sitio de unión de PLP sugiere que no tiene papel en la catálisis, sin embargo, la eliminación del dominio hemo provoca la pérdida de la sensibilidad redox , por lo tanto, se plantea la hipótesis de que el hemo es un sensor redox. [10] La presencia de protoporfirina IX en CBS es una enzima única dependiente de PLP y solo se encuentra en el CBS de mamíferos. D. melanogaster y D. discoides tienen extensiones N-terminales truncadas y, por lo tanto, previenen los residuos conservados de histidina y cisteína del ligando hemo . Sin embargo, la secuencia de Anopheles gambiae tiene una extensión N-terminal más larga que la enzima humana y contiene los residuos conservados de histidina y cisteína del ligando hemo como el hemo humano . Por lo tanto, es posible que las CBS en los mohos mucilaginosos y los insectos sean hemoproteínas que sugieren que el dominio hemo es una innovación evolutiva temprana que surgió antes de la separación de los animales y los mohos mucilaginosos. [9] El PLP es una aldimina interna y forma una base de Schiff con K119 en el sitio activo. Entre los dominios catalítico y regulador existe un sitio hipersensible que causa la escisión proteolítica y produce una enzima dimérica truncada que es más activa que la enzima original. Tanto la enzima truncada como la enzima que se encuentra en la levadura no están reguladas por adoMet. La enzima de la levadura también se activa mediante la eliminación del C-terminal para producir la enzima dimérica. [9]
A finales de 2007, se han resuelto dos estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB 1JBQ y 1M54.
La transulfuración, catalizada por CBS, convierte la homocisteína en cistationina , que la cistationina gamma liasa convierte en cisteína . [12]
El CBS ocupa una posición central en el metabolismo del azufre en los mamíferos en la unión de la homocisteína , donde se toma la decisión de conservar la metionina o convertirla en cisteína a través de la vía de transsulfuración . Además, la vía de transsulfuración es la única vía capaz de eliminar aminoácidos que contienen azufre en condiciones de exceso. [9]
En analogía con otras enzimas de reemplazo β, se predice que la reacción catalizada por CBS involucra una serie de intermediarios unidos a adoMet . La adición de serina da como resultado una reacción de transaldiminación , que forma una aldimina externa . La aldimina sufre una abstracción de protones en el carbono α seguida de una eliminación para generar un intermediario de aminoacrilato . El ataque nucleofílico del tiolato de homocisteína sobre el aminoacrilato y la reprotonación en Cα generan la aldimina externa de cistationina . Una reacción final de transaldiminación libera el producto final, cistationina. [9] El producto final, L -cistationina, también puede formar un intermediario de aminoacrilato, lo que indica que toda la reacción de CBS es reversible. [13]
La V 0 medida de una reacción catalizada por enzimas, en general, refleja el estado estacionario (donde [ES] es constante), aunque la V 0 se limita a la parte inicial de una reacción, y el análisis de estas velocidades iniciales se conoce como cinética de estado estacionario. El análisis cinético de estado estacionario de CBS de levadura produce líneas paralelas. Estos resultados concuerdan con el mecanismo de ping-pong propuesto en el que la unión de serina y la liberación de agua son seguidas por la unión de homocisteína y la liberación de cistationina. En contraste, la cinética enzimática de estado estacionario de CBS de rata produce líneas que se cruzan, lo que indica que el sustituyente β de la serina no se libera de la enzima antes de la unión de la homocisteína. [9]
Una de las reacciones alternativas que involucran al CBS es la condensación de cisteína con homocisteína para formar cistationina y sulfuro de hidrógeno (H 2 S). [13] El H 2 S en el cerebro es producido a partir de L -cisteína por el CBS. Esta vía metabólica alternativa también depende de adoMet . [14]
La actividad de la enzima CBS no se encuentra en todos los tejidos y células. Está ausente en el corazón, los pulmones, los testículos, las glándulas suprarrenales y el bazo de las ratas. En los seres humanos, se ha demostrado que está ausente en el músculo cardíaco y en cultivos primarios de células endoteliales aórticas humanas . La falta de CBS en estos tejidos implica que estos tejidos son incapaces de sintetizar cisteína y que la cisteína debe ser suministrada desde fuentes extracelulares. También sugiere que estos tejidos podrían tener una mayor sensibilidad a la toxicidad de la homocisteína porque no pueden catabolizar el exceso de homocisteína mediante transulfuración. [13]
La activación alostérica de CBS por adoMet determina el destino metabólico de la homocisteína . La CBS de los mamíferos se activa entre 2,5 y 5 veces por AdoMet con una constante de disociación de 15 μM. [6] AdoMet es un activador alostérico que aumenta la Vmax de la reacción de CBS pero no afecta la Km de los sustratos. En otras palabras, AdoMet estimula la actividad de CBS al aumentar la tasa de recambio en lugar de la unión de los sustratos a la enzima. [9] Esta proteína puede utilizar el modelo de morfeína de regulación alostérica . [15]
La CBS humana desempeña un paso crucial en la vía biosintética de la cisteína al proporcionar un punto de control regulador para la AdoMet. La homocisteína, después de ser metilada a metionina , puede convertirse en AdoMet, que dona grupos metilo a una variedad de sustratos, por ejemplo, neurotransmisores , proteínas y ácidos nucleicos . La AdoMet funciona como un activador alostérico de la CBS y ejerce control sobre su biosíntesis: las bajas concentraciones de AdoMet dan como resultado una baja actividad de la CBS, canalizando así la homocisteína hacia el ciclo de transmetilación hacia la formación de AdoMet. Por el contrario, las altas concentraciones de adoMet canalizan la homocisteína hacia la vía de transsulfuración hacia la biosíntesis de cisteína . [16]
En los mamíferos, el CBS es una enzima altamente regulada, que contiene un cofactor hemo que funciona como un sensor redox, [11] que puede modular su actividad en respuesta a cambios en el potencial redox. Si la forma de reposo del CBS en la célula tiene hemo ferroso (Fe 2+ ), existe el potencial para activar la enzima en condiciones oxidantes mediante la conversión al estado férrico (Fe 3+ ). [9] La forma Fe 2+ de la enzima se inhibe al unirse al CO o al óxido nítrico, mientras que la actividad enzimática se duplica cuando el Fe 2+ se oxida a Fe 3+ . El estado redox del hemo depende del pH, y la oxidación de Fe 2+ –CBS a Fe 3+ –CBS se ve favorecida en condiciones de pH bajo. [17]
Dado que el CBS de los mamíferos contiene un cofactor hemo, mientras que la enzima de levadura y protozoo de Trypanosoma cruzi no tienen cofactores hemo, los investigadores han especulado que el hemo no es necesario para la actividad del CBS. [9]
El CBS está regulado a nivel transcripcional por NF-Y , SP-1 y SP-3 . Además, está regulado positivamente a nivel transcripcional por glucocorticoides y glucógeno , y regulado negativamente por insulina . La metionina regula positivamente el CBS a nivel postranscripcional.
El síndrome de Down es una enfermedad caracterizada por una sobreexpresión de la cistationina beta sintasa (CBS) y un bajo nivel de homocisteína en la sangre. Se ha especulado que la sobreexpresión de la cistationina beta sintasa podría ser la principal causa de esta enfermedad (junto con la disfunción de GabaA y Dyrk1a). El fenotipo del síndrome de Down es el opuesto a la hiperhomocisteinemia (descrita a continuación). La Fundación Jerome Lejeune ha patentado inhibidores farmacológicos de la CBS (noviembre de 2011) y se prevé realizar ensayos (en animales y humanos).
La hiperhomocisteinemia es una enfermedad caracterizada por un nivel anormalmente alto de homocisteína en la sangre. Las mutaciones en el gen CBS son la causa más común de hiperhomocisteinemia hereditaria. Los defectos genéticos que afectan las vías enzimáticas MTHFR , MTR y MTRR/MS también pueden contribuir a niveles altos de homocisteína. Los errores congénitos en el gen CBS dan lugar a hiperhomocisteinemia con complicaciones en el sistema cardiovascular que conducen a una enfermedad arterial temprana y agresiva. La hiperhomocisteinemia también afecta a otros tres sistemas orgánicos importantes, incluidos el ocular, el nervioso central y el esquelético. [9]
La homocistinuria debida a la deficiencia de CBS es un tipo especial de hiperhomocisteinemia. Es una enfermedad autosómica recesiva hereditaria rara, que generalmente se diagnostica durante la infancia. Se han identificado un total de 131 mutaciones diferentes que causan homocistinuria. Una característica funcional común de las mutaciones en los dominios CBS es que las mutaciones eliminan o reducen fuertemente la activación por adoMet . [16] No se ha descubierto una cura específica para la homocistinuria; sin embargo, muchas personas son tratadas con altas dosis de vitamina B 6 , que es un cofactor de CBS.
La cistationina beta sintasa (CBS) está involucrada en el desarrollo de los ovocitos . Sin embargo, se sabe poco sobre los patrones de expresión regional y celular de la CBS en el ovario y la investigación ahora se centra en determinar la ubicación y la expresión durante el desarrollo del folículo en los ovarios. [18]
La ausencia de cistationina beta sintasa en ratones provoca infertilidad debido a la pérdida de la expresión de la proteína uterina. [19]
Los genes que controlan la expresión de la enzima CBS pueden no funcionar con una eficiencia del 100% en individuos que tienen uno de los SNP ( polimorfismos de un solo nucleótido , un tipo de mutaciones ) que afectan a este gen. Las variantes conocidas incluyen los SNP A360A, C699T, I278T, N212N y T42N (entre otros). Estos SNP, que tienen efectos variados en la eficacia de la enzima, se pueden detectar con métodos de prueba de ADN estándar.
