Una fitasa ( fosfohidrolasa de hexakisfosfato de mioinositol ) es cualquier tipo de enzima fosfatasa que cataliza la hidrólisis del ácido fítico (hexakisfosfato de mioinositol), una forma orgánica no digerible de fósforo que se encuentra en muchos tejidos vegetales, especialmente en granos y semillas oleaginosas , y libera una forma utilizable de fósforo inorgánico. [1] Si bien se ha descubierto que las fitasas se encuentran en animales, plantas, hongos y bacterias, las fitasas se han detectado y caracterizado con mayor frecuencia en los hongos. [2]
La primera fitasa vegetal se encontró en 1907 en el salvado de arroz [3] [4] y en 1908 en un animal ( hígado y sangre de ternera ). [4] [5] En 1962 comenzó el primer intento de comercialización de fitasas para mejorar la nutrición de los alimentos para animales cuando International Minerals & Chemicals (IMC) estudió más de 2000 microorganismos para encontrar los más adecuados para la producción de fitasa. Este proyecto se lanzó en parte debido a las preocupaciones sobre el agotamiento de las fuentes explotables de fósforo inorgánico (ver pico de fósforo ), que IMC estaba suministrando para la industria de alimentos en ese momento. La cepa de hongo Aspergillus ( ficuum ) niger NRRL 3135 (ATCC 66876) fue identificada como un candidato prometedor [6] ya que era capaz de producir grandes cantidades de fitasas extracelulares. [7] Sin embargo, la eficiencia del organismo no fue suficiente para la comercialización, por lo que el proyecto terminó en 1968 como un fracaso. [6]
Sin embargo, la identificación de A. niger condujo en 1984 a un nuevo intento con mutantes de A. niger creados con la tecnología de ADN recombinante , inventada relativamente recientemente. Este proyecto financiado por el USDA fue iniciado por el Dr. Rudy Wodzinski, que anteriormente participó en el proyecto del IMC. [6] Este proyecto de 1984 condujo en 1991 al primer gen de fitasa parcialmente clonado phyA (de A. niger NRRL 31235) [6] [8] y más tarde, en 1993, a la clonación del gen completo y su sobreexpresión en A. niger . [6] [9]
En 1991, BASF comenzó a vender la primera fitasa comercial producida en A. niger bajo la marca comercial Natuphos , que se utilizó para aumentar el contenido de nutrientes del alimento animal . [6]
En 1999 se identificó que las fitasas bacterianas de Escherichia coli eran más eficaces que las fitasas fúngicas de A. niger . [6] [10] [11] Posteriormente, esto condujo al uso en la alimentación animal de esta nueva generación de fitasas bacterianas que eran superiores a las fitasas fúngicas en muchos aspectos. [6]
En la literatura se han caracterizado cuatro clases distintas de fitasa: fosfatasas ácidas de histidina (HAPS), fitasas de hélice beta (BPP), fosfatasas ácidas púrpuras (PAP), [2] y, más recientemente, fitasas similares a la proteína tirosina fosfatasa (fitasas similares a PTP). [12]
La mayoría de las fitasas conocidas pertenecen a una clase de enzimas llamadas fosfatasas ácidas de histidina (HAP). Las HAP se han aislado de hongos filamentosos, bacterias, levaduras y plantas. [1] Todos los miembros de esta clase de fitasa comparten un motivo de secuencia de sitio activo común (Arg-His-Gly-X-Arg-X-Pro) y tienen un mecanismo de dos pasos que hidroliza el ácido fítico (así como algunos otros fosfoésteres). [2] La fitasa del hongo Aspergillus niger es una HAP y es bien conocida por su alta actividad específica y su papel comercializado como aditivo para alimentos para animales para aumentar la biodisponibilidad del fosfato del ácido fítico en las dietas basadas en granos de aves de corral y cerdos. [13] Las HAP también se han sobreexpresado en varias plantas transgénicas como un posible método alternativo de producción de fitasa para la industria de alimentos para animales [14] y muy recientemente, el gen de fitasa HAP de E. coli se ha expresado con éxito en un cerdo transgénico. [15]
Las fitasas β-propeller constituyen una clase de fitasa descubierta recientemente. Estos primeros ejemplos de esta clase de enzima se clonaron originalmente a partir de especies de Bacillus [2] , pero desde entonces se han identificado numerosos microorganismos que producen fitasas β-propeller. La estructura tridimensional de la fitasa β-propeller es similar a una hélice con seis aspas. Las investigaciones actuales sugieren que las fitasas β-propeller son las principales enzimas que degradan el fitato en el agua y el suelo, y pueden desempeñar un papel importante en el ciclo fitato-fósforo [16] .
Recientemente se ha aislado una fitasa de los cotiledones de la soja en germinación que tiene el motivo del sitio activo de una fosfatasa ácida púrpura (PAP). Esta clase de metaloenzima ha sido bien estudiada y las búsquedas en bases de datos genómicas revelan secuencias similares a la PAP en plantas, mamíferos, hongos y bacterias. Sin embargo, solo se ha descubierto que la PAP de la soja tiene una actividad fitasa significativa. Se han determinado la estructura tridimensional, el motivo de la secuencia del sitio activo y el mecanismo de catálisis propuesto para las PAP. [ cita requerida ]
Solo unas pocas de las fitasas conocidas pertenecen a una superfamilia de enzimas llamadas fosfatasas de tirosina proteica (PTP). Las fitasas similares a PTP, una clase de fitasa descubierta relativamente recientemente, se han aislado de bacterias que normalmente habitan en el intestino de los animales rumiantes. [17] Todas las fitasas similares a PTP caracterizadas comparten un motivo de secuencia de sitio activo (His-Cys-(X)5-Arg), un mecanismo de desfosforilación ácido-base de dos pasos y actividad hacia residuos de tirosina fosfrilados, características que son comunes a todas las enzimas de la superfamilia PTP. [18] [19] Al igual que muchas enzimas de la superfamilia PTP, los sustratos biológicos exactos y las funciones de las fitasas bacterianas similares a PTP aún no se han identificado claramente. Las fitasas similares a PTP caracterizadas de las bacterias ruminales comparten homología de secuencia y estructura con la fosfatasa de fosfoinosítido/inositol similar a PTP de mamíferos PTEN, [12] y una homología de secuencia significativa con el dominio PTP de una proteína de virulencia secretada tipo III de Pseudomonas syringae (HopPtoD2). [20]
La mayoría de las fitasas muestran una amplia especificidad de sustrato, teniendo la capacidad de hidrolizar muchos compuestos fosforilados que no son estructuralmente similares al ácido fítico como ADP , ATP , fenilfosfato, fructosa 1,6-bisfosfato , glucosa 6-fosfato , glicerofosfato y 3-fosfoglicerato . Solo unas pocas fitasas han sido descritas como altamente específicas para el ácido fítico, como las fitasas de Bacillus sp. , Aspergillus sp. , E. coli [21] y aquellas fitasas pertenecientes a la clase de fitasas similares a PTP [18].
El ácido fítico tiene seis grupos fosfato que pueden ser liberados por las fitasas a diferentes velocidades y en diferente orden. Las fitasas hidrolizan los fosfatos del ácido fítico de manera gradual, produciendo productos que nuevamente se convierten en sustratos para una hidrólisis adicional. La mayoría de las fitasas pueden escindir cinco de los seis grupos fosfato del ácido fítico. Las fitasas se han agrupado en función de la primera posición de fosfato del ácido fítico que se hidroliza. El Comité de Nomenclatura Enzimática de la Unión Internacional de Bioquímica reconoce tres tipos de fitasas en función de la posición del primer fosfato hidrolizado, que son la 3-fitasa ( EC 3.1.3.8), la 4-fitasa ( EC 3.1.3.26) y la 5-fitasa ( EC 3.1.3.72). Hasta la fecha, la mayoría de las fitasas conocidas son 3-fitasas o 4-fitasas, [21] solo una HAP purificada a partir de polen de lirio [22] y una fitasa similar a PTP de Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica [20] se han determinado como 5-fitasas .
El ácido fítico y sus metabolitos tienen varias funciones importantes en las semillas y los granos, en particular, el ácido fítico funciona como un almacén de fósforo, como un almacén de energía, como una fuente de cationes y como una fuente de mioinositol (un precursor de la pared celular). El ácido fítico es la principal forma de almacenamiento de fósforo en las semillas de las plantas y la principal fuente de fósforo en las dietas basadas en granos utilizadas en las operaciones ganaderas intensivas. El fosfato orgánico que se encuentra en el ácido fítico es en gran parte inaccesible para los animales que lo consumen, pero el fosfato inorgánico que liberan las fitasas se puede absorber fácilmente. Los animales rumiantes pueden utilizar el ácido fítico como una fuente de fósforo porque las bacterias que habitan en su intestino son productoras bien caracterizadas de muchos tipos de fitasas. Sin embargo, los animales monogástricos no son portadores de bacterias que produzcan fitasa, por lo tanto, estos animales no pueden utilizar el ácido fítico como una fuente principal de fósforo y se excreta en las heces. [23] Sin embargo, los humanos (especialmente los vegetarianos y veganos debido a una mayor adaptación del microbioma intestinal) pueden tener microbios en su intestino que pueden producir fitasa que descompone el ácido fítico. [24]
El ácido fítico y sus metabolitos tienen otras funciones importantes en los procesos fisiológicos eucariotas . Por ello, las fitasas, que hidrolizan el ácido fítico y sus metabolitos, también tienen funciones importantes. El ácido fítico y sus metabolitos han sido implicados en la reparación del ADN, el reciclado vesicular recubierto de clatrina , el control de la neurotransmisión y la proliferación celular. [25] [26] [27] Las funciones exactas de las fitasas en la regulación del ácido fítico y sus metabolitos y la función resultante en los procesos fisiológicos descritos anteriormente aún son en gran parte desconocidas y objeto de mucha investigación.
Se ha informado que la fitasa causa neumonitis por hipersensibilidad en un ser humano expuesto al agregar la enzima al alimento del ganado. [28] [29]
La fitasa es producida por bacterias que se encuentran en el intestino de los animales rumiantes (ganado vacuno, ovejas), lo que les permite utilizar el ácido fítico que se encuentra en los granos como fuente de fósforo. [30] Los no rumiantes ( animales monogástricos ) como los seres humanos, perros, cerdos, pájaros, etc. no producen fitasa. La investigación en el campo de la nutrición animal ha propuesto la idea de complementar el alimento con fitasa para poner a disposición del animal nutrientes ligados al fitato como calcio , fósforo , minerales , carbohidratos , aminoácidos y proteínas . [31] En Canadá, se desarrolló y aprobó para producción limitada un cerdo modificado genéticamente llamado Enviropig, que tiene la capacidad de producir fitasa principalmente a través de sus glándulas salivales. [32] [33]
La fitasa se utiliza como suplemento alimenticio para animales (a menudo en aves de corral y cerdos) para mejorar el valor nutritivo del material vegetal mediante la liberación de fosfato inorgánico del ácido fítico (hexakisfosfato de mioinositol). La fitasa se puede purificar a partir de microbios transgénicos y se ha producido recientemente en plantas transgénicas de canola , alfalfa y arroz . [34] La fitasa también se ha producido a partir de Rhizopus oligosporus cultivado .
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