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Ligasa de glutamato-cisteína

La glutamato-cisteína ligasa (GCL) EC 6.3.2.2), anteriormente conocida como γ-glutamilcisteína sintetasa (GCS), es la primera enzima de la vía biosintética del glutatión (GSH) celular que cataliza la reacción química :

L -glutamato + L -cisteína + ATP γ-glutamil cisteína + ADP + P i

El GSH, y por extensión el GCL, es fundamental para la supervivencia celular. Casi todas las células eucariotas, desde las plantas hasta las levaduras y los seres humanos, expresan una forma de la proteína GCL con el fin de sintetizar GSH. Para destacar aún más la naturaleza crítica de esta enzima, la supresión genética de GCL da como resultado la letalidad embrionaria. [1] Además, se sabe que la desregulación de la función y la actividad enzimáticas de GCL está implicada en la gran mayoría de las enfermedades humanas, como la diabetes, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, la EPOC, el VIH/SIDA y el cáncer. [2] [3] Esto generalmente implica una función deteriorada que conduce a una disminución de la biosíntesis de GSH, una capacidad antioxidante celular reducida y la inducción de estrés oxidativo. Sin embargo, en el cáncer, la expresión y la actividad de GCL están mejoradas, lo que sirve tanto para apoyar el alto nivel de proliferación celular como para conferir resistencia a muchos agentes quimioterapéuticos. [4]

Función

La glutamato cisteína ligasa (GCL) cataliza el primer paso, y el que limita la velocidad, en la producción del antioxidante celular glutatión (GSH), que implica la condensación dependiente de ATP de cisteína y glutamato para formar el dipéptido gamma-glutamilcisteína (γ-GC). [5] Este acoplamiento peptídico es único porque ocurre entre la porción amino de la cisteína y el ácido carboxílico terminal de la cadena lateral del glutamato (de ahí el nombre gamma-glutamil cisteína). [6] Este enlace peptídico es resistente a la escisión por peptidasas celulares y requiere una enzima especializada, la gamma-glutamil transpeptidasa (γGT), para metabolizar γ-GC y GSH en sus aminoácidos constituyentes. [7]

La actividad enzimática de GCL generalmente determina los niveles celulares de GSH y la capacidad biosintética de GSH. La actividad enzimática de GCL está influenciada por numerosos factores, incluida la expresión celular de las proteínas de la subunidad GCL, el acceso a los sustratos (la cisteína es típicamente limitante en la producción de γ-GC), el grado de inhibición por retroalimentación negativa por GSH y modificaciones postraduccionales funcionalmente relevantes en sitios específicos en las subunidades GCL. [8] [9] [10] Dado su estado como enzima limitante de la velocidad en la biosíntesis de GSH, los cambios en la actividad de GCL equivalen directamente a cambios en la capacidad biosintética celular de GSH. [11] Por lo tanto, las estrategias terapéuticas para alterar la producción de GSH se han centrado en esta enzima. [12]

Regulación

De acuerdo con su importancia crítica para mantener la vida, GCL está sujeto a una regulación de múltiples niveles de su expresión, función y actividad. La expresión de GCL está regulada a nivel transcripcional (transcripción del ADN de GCLC y GCLM para producir ARNm), postranscripcional (la estabilidad del ARNm a lo largo del tiempo), traduccional (procesamiento del ARNm en proteína) y postraduccional (que implica modificaciones de las proteínas existentes). [13] [14] [15] [16] Aunque se requiere una expresión constitutiva basal para mantener la viabilidad celular, la expresión de las subunidades de GCL también es inducible en respuesta al estrés oxidativo , el agotamiento de GSH y la exposición a sustancias químicas tóxicas, y los factores de transcripción Nrf2 , AP-1 y NF-κB regulan la expresión inducible y constitutiva de ambas subunidades [17] [18]

En términos de regulación funcional enzimática, el propio GSH actúa como un inhibidor de retroalimentación de la actividad de GCL. En concentraciones fisiológicas normales de sustrato, el monómero GCLC por sí solo puede sintetizar gamma-glutamilcisteína; sin embargo, los niveles fisiológicos normales de GSH (estimados en alrededor de 5 mM) superan con creces la K i de GSH para GCLC, [19] lo que sugiere que solo la holoenzima GCL es funcional en condiciones basales. Sin embargo, durante el estrés oxidativo o los insultos tóxicos que pueden resultar en el agotamiento de GSH celular o su oxidación a disulfuro de glutatión (GSSG), es probable que la función de cualquier GCLC monomérico en la célula se vuelva bastante importante. En apoyo de esta hipótesis, los ratones que carecen de la expresión de la subunidad GCLM debido a la eliminación genética exhiben niveles bajos de GSH tisular (~10–20% del nivel normal), que es aproximadamente el nivel de K i de GSH para GCLC monomérico. [20] [21]

Estructura

Ligasa de glutamato-cisteína animal

La glutamato cisteína ligasa animal (GCL) es una enzima heterodímera compuesta por dos subunidades proteicas que están codificadas por genes independientes ubicados en cromosomas separados:

En la mayoría de las células y tejidos, la expresión de la proteína GCLM es menor que la de GCLC y, por lo tanto, GCLM es limitante en la formación del complejo holoenzimático. Por lo tanto, la suma total de la actividad celular de GCL es igual a la actividad de la holoenzima + la actividad del GCLC monomérico restante. compuesto por una subunidad catalítica y una subunidad moduladora. La subunidad catalítica es necesaria y suficiente para toda la actividad enzimática de GCL, mientras que la subunidad moduladora aumenta la eficiencia catalítica de la enzima. Los ratones que carecen de la subunidad catalítica (es decir, que carecen de toda la síntesis de novo de GSH) mueren antes del nacimiento. [22] Los ratones que carecen de la subunidad moduladora no muestran un fenotipo obvio, pero exhiben una marcada disminución de GSH y una mayor sensibilidad a los insultos tóxicos. [23] [24] [25]

Glutamato cisteína ligasa vegetal

La glutamato cisteína ligasa vegetal es una enzima homodímera sensible al redox , conservada en el reino vegetal. [26] En un entorno oxidante, se forman puentes disulfuro intermoleculares y la enzima cambia al estado activo dimérico. El potencial de punto medio del par de cisteína crítico es de -318 mV. Además del control dependiente del redox, la enzima GCL vegetal es inhibida por retroalimentación por el glutatión. [27] La ​​GCL se encuentra exclusivamente en los plástidos , y la glutatión sintetasa (GS) tiene un doble objetivo en los plástidos y el citosol, por lo que el GSH y la gamma-glutamilcisteína se exportan desde los plástidos. [28] Los estudios también han demostrado que restringir la actividad de la GCL al citosol o la biosíntesis de glutatión a los plástidos es suficiente para el desarrollo normal de la planta y la tolerancia al estrés. [29] Ambas enzimas de biosíntesis de glutatión son esenciales en las plantas; Los knock-outs de GCL y GS son letales para el embrión y la plántula, respectivamente. [30]

A finales de 2007, se han resuelto seis estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB 1V4G, 1VA6, 2D32, 2D33, 2GWC y 2GWD.

Referencias

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