stringtranslate.com

Fenilalanina amoniaco liasa

La enzima fenilalanina amoniaco liasa (EC 4.3.1.24) cataliza la conversión de L - fenilalanina en amoniaco y ácido trans -cinámico .: [1]

L -fenilalanina = trans -cinamato + NH3

La fenilalanina amonia liasa (PAL) es el primer y comprometido paso en la vía del fenilpropanoide y, por lo tanto, está involucrada en la biosíntesis de los compuestos polifenólicos como flavonoides , fenilpropanoides y lignina en plantas . [2] [3] La fenilalanina amonia liasa se encuentra ampliamente en plantas, así como en algunas bacterias , levaduras y hongos , con isoenzimas existentes dentro de muchas especies diferentes. Tiene una masa molecular en el rango de 270-330  kDa . [1] [4] La actividad de PAL se induce dramáticamente en respuesta a varios estímulos como heridas en los tejidos, ataque patógeno , luz, bajas temperaturas y hormonas . [1] [5] La PAL se ha estudiado recientemente por sus posibles beneficios terapéuticos en humanos afectados por fenilcetonuria . [6] También se ha utilizado en la generación de L -fenilalanina como precursor del edulcorante aspartamo . [7]

La enzima es un miembro de la familia de las amoniaco -liasas , que rompen los enlaces carbono-nitrógeno. Al igual que otras liasas, la PAL requiere solo un sustrato para la reacción directa, pero dos para la inversa. Se cree que es mecánicamente similar a la enzima relacionada histidina amoniaco-liasa (EC:4.3.1.3, HAL). [8] El nombre sistemático de esta clase de enzimas es L -fenilalanina amoniaco-liasa ( formadora de trans -cinamato) . Anteriormente, se designaba como EC 4.3.1.5, pero esa clase ha sido rediseñada como EC 4.3.1.24 (fenilalanina amoniaco-liasas), EC 4.3.1.25 (tirosina amoniaco-liasas) y EC 4.3.1.26 (fenilalanina/tirosina amoniaco-liasas). Otros nombres de uso común incluyen tirasa , fenilalanina desaminasa , tirosina amoniaco-liasa , L -tirosina amoniaco-liasa , fenilalanina amonio-liasa , PAL y L -fenilalanina amoniaco-liasa .

Mecanismo

La fenilalanina amoniaco liasa es específica para la L -fenilalanina y, en menor medida, para la L - tirosina . [9] [10] La reacción catalizada por PAL es una reacción de eliminación espontánea en lugar de una desaminación oxidativa . [11]

El cofactor 3,5-dihidro-5-metildieno-4H-imidazol-4-ona (MIO) está involucrado en la reacción y se encuentra sobre el polo positivo de tres hélices polares en el sitio activo, lo que ayuda a aumentar su electrofilicidad . [12] MIO es atacado por el anillo aromático de L -phe, que activa el enlace CH en el carbono β para la desprotonación por un residuo básico . [13] [14] El intermedio carbanión de esta reacción de eliminación de E1cB , que está estabilizado por regiones positivas parciales en el sitio activo, luego expulsa amoníaco para formar el alqueno cinamato. Se cree que el mecanismo de la reacción de PAL es similar al mecanismo de la enzima relacionada histidina amoníaco liasa. [13]

Propuesta de formación autocatalítica del cofactor MIO a partir del tripéptido Ala-Ser-Gly mediante dos pasos de eliminación de agua. [15]

Durante mucho tiempo se pensó que un residuo de deshidroalanina era el residuo catalítico electrofílico clave en PAL y HAL, pero más tarde se descubrió que el residuo activo era MIO, que es incluso más electrofílico. [16] [17] Se forma por ciclización y deshidratación del segmento tripéptido Ala-Ser-Gly conservado. El primer paso de la formación de MIO es una ciclización-eliminación por un ataque nucleofílico intramolecular del nitrógeno de Gly204 en el grupo carbonilo de Ala202. Una posterior eliminación de agua de la cadena lateral de Ser203 completa el sistema de dobles enlaces conjugados cruzados. [15] Se dan números para la fenilalanina amoniaco liasa de Petroselinum crispum ( PDB 1W27). Aunque MIO es una modificación polipeptídica, se propuso llamarlo un grupo prostético, porque tiene la calidad de un compuesto orgánico agregado. [8]

La PAL es inhibida por el ácido transcinámico y, en algunas especies, puede ser inhibida por derivados del ácido transcinámico . [1] [18] Los aminoácidos no naturales D -Phe y D -Tyr, las formas enantioméricas del sustrato normal, son inhibidores competitivos . [9]

Estructura

Sitio activo de PAL

La fenilalanina amoniaco liasa se compone de cuatro subunidades idénticas compuestas principalmente de hélices alfa , con pares de monómeros que forman un único sitio activo . [17] La ​​catálisis en PAL puede estar gobernada por los momentos dipolares de siete hélices alfa diferentes asociadas con el sitio activo. [19] El sitio activo contiene el grupo electrofílico MIO unido de forma no covalente a tres hélices. Leu266, Asn270, Val269, Leu215, Lys486 e Ile472 se encuentran en las hélices del sitio activo, mientras que Phe413, Glu496 y Gln500 contribuyen a la estabilización del cofactor MIO. La orientación de los momentos dipolares generados por las hélices dentro del sitio activo genera una región electropositiva para una reactividad ideal con MIO. Las regiones parcialmente positivas en el sitio activo también pueden ayudar a estabilizar la carga de un intermedio de carbanión. La PAL es estructuralmente similar a la histidina amoniaco liasa, que está relacionada mecánicamente, aunque tiene aproximadamente 215 residuos adicionales. [17]

Función

La fenilalanina amoniaco liasa puede realizar diferentes funciones en diferentes especies. Se encuentra principalmente en algunas plantas y hongos (es decir, levaduras). En las células de hongos y levaduras, la PAL desempeña un papel catabólico importante , generando carbono y nitrógeno . [2] En las plantas es una enzima biosintética clave que cataliza el primer paso en la síntesis de una variedad de compuestos polifenílicos [2] [3] y está principalmente involucrada en los mecanismos de defensa. La PAL está involucrada en 5 vías metabólicas : metabolismo de la tirosina , metabolismo de la fenilalanina , metabolismo del nitrógeno , biosíntesis de fenilpropanoides y biosíntesis de alcaloides .

Relevancia de la enfermedad

Se está estudiando la terapia de sustitución enzimática con PAL para tratar la fenilcetonuria (PKU), un trastorno genético autosómico recesivo en humanos en el que las mutaciones en el gen de la fenilalanina hidroxilasa (PAH, EC 1.14.16.1) inactivan la enzima. [6] Esto conduce a una incapacidad del paciente para metabolizar la fenilalanina, lo que causa niveles elevados de Phe en el torrente sanguíneo ( hiperfenilalaninemia ) y retraso mental si la terapia no se inicia al nacer. [6]

En mayo de 2018, la FDA aprobó la pegvaliasa , una fenilalanina amoniaco-liasa pegilada recombinante para el tratamiento de la PKU que había sido desarrollada por Biomarin. [20] [21]

En las plantas

Vàsquez et al. 2017 investigaron Lactuca sativa y descubrieron que el tratamiento con UV-C aumentó la actividad de la enzima PAL. Este aumento da como resultado una menor susceptibilidad a Botrytis cinerea . [22]

Investigación

Edulcorantes artificiales

Se ha estudiado la reacción inversa catalizada por PAL para convertir el ácido trans -cinámico en L -fenilalanina, que es un precursor del edulcorante aspartamo. Este proceso fue desarrollado por Genex Corporation, pero nunca se adoptó comercialmente. [23]

Síntesis de aminoácidos no naturales

De manera análoga a cómo se sintetiza el aspartamo, la PAL también se utiliza para sintetizar aminoácidos no naturales a partir de varios ácidos cinámicos sustituidos con fines de investigación. [24] Sin embargo, el impedimento estérico de la sustitución de areno limita la utilidad de la PAL para este propósito. [25] Por ejemplo, cuando se utilizó Rhodotorula glutinis para efectuar esta biotransformación, se descubrió que la enzima era intolerante a todos los sustituyentes para distintos del flúor , presumiblemente debido al pequeño radio atómico del elemento . Se descubrió que las posiciones meta y orto eran más tolerantes, pero aún limitadas por sustituyentes más grandes. Por ejemplo, el sitio activo de la enzima permitía la sustitución orto metoxi pero prohibía la meta etoxi . Otros organismos con diferentes versiones de la enzima pueden estar menos limitados de esta manera. [26] [27]

Estudios estructurales

A finales de 2007, se han resuelto cinco estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB 1T6J, 1T6P, 1W27, 1Y2M y 2NYF.

Referencias

  1. ^ abcd Camm EL, Towers G (1 de mayo de 1973). "Fenilalanina amoniaco liasa". Fitoquímica . 12 (5): 961–973. Código Bibliográfico :1973PChem..12..961C. doi :10.1016/0031-9422(73)85001-0.
  2. ^ abc Fritz RR, Hodgins DS, Abell CW (agosto de 1976). "Fenilalanina amoniaco-liasa. Inducción y purificación a partir de levadura y depuración en mamíferos". The Journal of Biological Chemistry . 251 (15): 4646–50. doi : 10.1016/S0021-9258(17)33251-9 . PMID  985816.
  3. ^ ab Tanaka Y, Matsuoka M, Yamanoto N, Ohashi Y, Kano-Murakami Y, Ozeki Y (agosto de 1989). "Estructura y caracterización de un clon de ADNc para la fenilalanina amoniaco-liasa de raíces de batata dañadas por cortes". Fisiología vegetal . 90 (4): 1403–7. doi :10.1104/pp.90.4.1403. PMC 1061903 . PMID  16666943. 
  4. ^ Appert C, Logemann E, Hahlbrock K, Schmid J, Amrhein N (octubre de 1994). "Propiedades estructurales y catalíticas de las cuatro isoenzimas de la fenilalanina amoniaco-liasa del perejil (Petroselinum crispum Nym.)". Revista Europea de Bioquímica . 225 (1): 491–9. doi : 10.1111/j.1432-1033.1994.00491.x . PMID  7925471.
  5. ^ Hahlbrock K, Grisebach H (1 de junio de 1979). "Controles enzimáticos en la biosíntesis de lignina y flavonoides". Revista anual de fisiología vegetal . 30 (1): 105–130. doi :10.1146/annurev.pp.30.060179.000541.
  6. ^ abc Sarkissian CN, Gámez A (diciembre de 2005). "Fenilalanina amonio liasa, terapia de sustitución enzimática para la fenilcetonuria, ¿dónde estamos ahora?". Genética molecular y metabolismo . 86 (Supl. 1): S22-6. doi :10.1016/j.ymgme.2005.06.016. PMID  16165390.
  7. ^ Evans C, Hanna K, Conrad D, Peterson W, Misawa M (1 de febrero de 1987). "Producción de fenilalanina amoniaco-liasa (PAL): aislamiento y evaluación de cepas de levadura adecuadas para la producción comercial de L-fenilalanina". Applied Microbiology and Biotechnology . 25 (5): 406–414. doi :10.1007/BF00253309. S2CID  40066810.
  8. ^ ab Schwede TF, Rétey J, Schulz GE (abril de 1999). "Estructura cristalina de la histidina amoniaco-liasa que revela una nueva modificación polipeptídica como electrófilo catalítico". Bioquímica . 38 (17): 5355–61. doi :10.1021/bi982929q. PMID  10220322.
  9. ^ ab Hodgins DS (mayo de 1971). "Amoniaco-liasa de fenilalanina de levadura. Purificación, propiedades e identificación de deshidroalanina catalíticamente esencial". The Journal of Biological Chemistry . 246 (9): 2977–85. doi : 10.1016/S0021-9258(18)62279-3 . PMID  5102931.
  10. ^ Barros J, Serrani-Yarce JC, Chen F, Baxter D, Venables BJ, Dixon RA (mayo de 2016). "El papel de la amonia-liasa bifuncional en la biosíntesis de la pared celular de las gramíneas". Nature Plants . 2 (6): 16050. Bibcode :2016NatPl...216050B. doi :10.1038/nplants.2016.50. PMID  27255834. S2CID  3462127.
  11. ^ Koukol J, Conn EE (octubre de 1961). "El metabolismo de compuestos aromáticos en plantas superiores. IV. Purificación y propiedades de la fenilalanina desaminasa de Hordeum vulgare". The Journal of Biological Chemistry . 236 (10): 2692–8. doi : 10.1016/S0021-9258(19)61721-7 . PMID  14458851.
  12. ^ Alunni S, Cipiciani A, Fioroni G, Ottavi L (abril de 2003). "Mecanismos de inhibición de la fenilalanina amoniaco-liasa por inhibidores de fenol e inhibidores sinérgicos de fenol/glicina". Archivos de bioquímica y biofísica . 412 (2): 170–5. doi :10.1016/s0003-9861(03)00007-9. PMID  12667480.
  13. ^ ab Langer B, Langer M, Rétey J (2001). "Metilideno-imidazolona (MIO) a partir de histidina y fenilalanina amoniaco-liasa". Avances en química de proteínas . 58 : 175–214. doi :10.1016/s0065-3233(01)58005-5. ISBN 9780120342587. Número de identificación personal  11665488.
  14. ^ Frey PA, Hegeman AD (2007). "Eliminación y adición dependiente de metilenimidazolona: fenilalanina amoniaco-liasa". Mecanismos de reacción enzimática . Oxford University Press. págs. 460–466. ISBN. 9780195352740.
  15. ^ ab Ritter H, Schulz GE (diciembre de 2004). "Base estructural para la entrada en el metabolismo de fenilpropanoide catalizado por fenilalanina amoniaco-liasa". The Plant Cell . 16 (12): 3426–36. doi :10.1105/tpc.104.025288. PMC 535883 . PMID  15548745. 
  16. ^ Rétey, János (2003). "Descubrimiento y función de la metilideno imidazolona, ​​un grupo prostético altamente electrofílico". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1647 (1–2): 179–184. doi :10.1016/S1570-9639(03)00091-8. PMID  12686130.
  17. ^ abc Calabrese JC, Jordan DB, Boodhoo A, Sariaslani S, Vannelli T (septiembre de 2004). "Estructura cristalina de la fenilalanina amoniaco liasa: dipolos de hélice múltiple implicados en la catálisis". Bioquímica . 43 (36): 11403–16. doi :10.1021/bi049053+. PMID  15350127.
  18. ^ Sato T, Kiuchi F, Sankawa U (1 de enero de 1982). "Inhibición de la fenilalanina amoniaco-liasa por derivados del ácido cinámico y compuestos relacionados". Fitoquímica . 21 (4): 845–850. Código Bibliográfico :1982PChem..21..845S. doi :10.1016/0031-9422(82)80077-0.
  19. ^ Pilbák S, Tomin A, Rétey J, Poppe L (marzo de 2006). "La conformación esencial del bucle que contiene tirosina y el papel de la región multihélice C-terminal en las fenilalanina amonia-liasas eucariotas". The FEBS Journal . 273 (5): 1004–19. doi : 10.1111/j.1742-4658.2006.05127.x . PMID  16478474. S2CID  33002042.
  20. ^ Powers M (29 de mayo de 2018). "Biomarin supera el examen final: Palynziq obtiene la aprobación de la FDA para tratar la PKU en adultos". BioWorld .
  21. ^ Levy HL, Sarkissian CN, Stevens RC, Scriver CR (junio de 2018). "Fenilalanina amoniaco liasa (PAL): del descubrimiento a la terapia de sustitución enzimática para la fenilcetonuria". Genética molecular y metabolismo . 124 (4): 223–229. doi :10.1016/j.ymgme.2018.06.002. PMID  29941359. S2CID  49411168.
  22. ^ Urban, L.; Chabane Sari, D.; Orsal, B.; Lopes, M.; Miranda, R.; Aarrouf, J. (2018). "Luz UV-C y luz pulsada como alternativas a los elicitores químicos y biológicos para estimular las defensas naturales de las plantas contra enfermedades fúngicas". Scientia Horticulturae . 235 . Elsevier : 452–459. Bibcode :2018ScHor.235..452U. doi :10.1016/j.scienta.2018.02.057. ISSN  0304-4238. S2CID  90436989.
  23. ^ Straathof AJ, Adlercreutz P (2014). Biocatálisis aplicada. CRC Press. pág. 146. ISBN 9781482298420.
  24. ^ Hughes A (2009). Aminoácidos, péptidos y proteínas en química orgánica, volumen 1. Weinheim Alemania: Wiley VCH. pág. 94. ISBN 9783527320967.
  25. ^ Renard G, Guilleux J, Bore C, Malta-Valette V, Lerner D (1992). "Síntesis de análogos de L-fenilalanina por Rhodotorula glutinis. Bioconversión de derivados de ácidos cinámicos". Biotechnology Letters . 14 (8): 673–678. doi :10.1007/BF01021641. S2CID  46423586.
  26. ^ Lovelock SL, Turner NJ (octubre de 2014). "Amoniaco liasa de fenilalanina bacteriana Anabaena variabilis: un biocatalizador con amplia especificidad de sustrato". Química bioorgánica y medicinal . 22 (20): 5555–7. doi :10.1016/j.bmc.2014.06.035. PMID  25037641.
  27. ^ Showa D, Hirobumi A. "Proceso de producción de derivados de L-fenilalanina por microorganismos". Google Patents . Hirobumi Central Research Laboratory . Consultado el 20 de julio de 2014 .

Lectura adicional