La glucanosucrasa (también conocida como glucosiltransferasa ) es una enzima de la familia de las glicósidos hidrolasas GH70 que utilizan las bacterias del ácido láctico para descomponer la sacarosa ; luego, utilizan las moléculas de glucosa resultantes para construir cadenas de biopelículas largas y pegajosas . Estos homopolisacáridos extracelulares se denominan polímeros de α- glucano .
Las enzimas glucanosucrasas pueden sintetizar una variedad de glucanos con diferentes solubilidades , reología y otras propiedades al alterar el tipo de enlace glucosídico, el grado de ramificación, la longitud, la masa y la conformación de los polímeros. Las glucanosucrasas se clasifican según el enlace glucosídico que catalizan. Pueden ser mutansucrasas, dextransucrasas, alternansucrasas o reuteransucrasas. [1] Esta versatilidad ha hecho que la glucanosucrasa sea útil para aplicaciones industriales. [2] El papel de la glucanosucrasa en la cariogénesis es un punto de gran interés. Los polímeros de glucano se adhieren a los dientes en la boca humana y causan caries . [3]
Las glucanosucrasas son proteínas extracelulares de gran tamaño con masas moleculares medias de alrededor de 160.000 daltons . Por tanto , los estudios cristalográficos sólo se han llevado a cabo para fragmentos de las enzimas, no para estructuras completas. Sin embargo, la glucanosucrasa es muy similar a la α-amilasa , otra enzima que corta azúcares. [2] Por tanto, la glucanosucrasa tiene muchas de las mismas características estructurales. Por ejemplo, ambas enzimas tienen tres dominios en su núcleo catalítico y un barril (β/α) 8. [4]
La glucanosucrasa tiene cinco dominios principales: A, B, C, IV y V. Sin embargo, los dominios de la glucanosucrasa tienen una disposición diferente a la de la α-amilasa. Las características de plegamiento de la α-amilasa y la glucanosucrasa siguen siendo muy similares, pero sus dominios están permutados. [5] [6] [3] Los dominios A, B, IV y V se construyen a partir de dos partes no contiguas de la cadena polipeptídica, lo que hace que la cadena siga una forma de U. [1] Desde el extremo N al C, la cadena polipeptídica va en el siguiente orden: V, IV, B, A, C, A, B, IV, V (ver la figura en la parte superior derecha). [4] El dominio C es el único formado por una secuencia polipeptídica continua.
El dominio A contiene el barril (β/α) 8 y el sitio catalítico. En el sitio catalítico, tres residuos en particular desempeñan papeles importantes para la actividad enzimática: un aspartato nucleofílico , un glutamato ácido/base y un aspartato adicional para estabilizar el estado de transición . [4] [3]
El dominio B forma una lámina β retorcida y antiparalela . Algunos de los bucles del dominio B ayudan a dar forma al surco cerca del sitio catalítico. Además, algunos aminoácidos entre los dominios A y B forman un sitio de unión de calcio cerca del aspartato nucleofílico. El ion Ca 2+ es necesario para la actividad enzimática. [4] [3]
La reacción de la glucanosucrasa consta de dos partes. En primer lugar, rompe un enlace glucosídico para dividir la sacarosa. Los productos de la reacción son los monosacáridos constituyentes glucosa y fructosa . Esta glucosa se añade a una cadena de glucano en crecimiento. La glucanosucrasa utiliza la energía liberada por la ruptura del enlace para impulsar la síntesis de glucano. [2] Tanto la degradación de la sacarosa como la síntesis de glucano se producen en el mismo sitio activo. [3]
El primer paso se lleva a cabo a través de un mecanismo de transglicosilación que involucra un intermediario glucosil-enzimático en el subsitio 1. El glutamato es probablemente el ácido/base catalítico, el aspartato el nucleófilo y otro aspartato el estabilizador del estado de transición. [5] [7] Estos tres residuos están muy conservados y su mutación conduce a una disminución significativa de la actividad enzimática. [3]
El mecanismo de la glucanosucrasa ha sido históricamente controvertido en la literatura científica. [8] [9] [10] El mecanismo implica dos desplazamientos. El primero se origina a partir de una escisión glucosídica del sustrato de sacarosa entre los subsitios -1 y +1. Esto libera fructosa y forma un intermedio azúcar-enzima cuando la unidad de glucosa se une al nucleófilo.
El segundo desplazamiento es la transferencia de una porción glucosílica a un aceptor, como una cadena de glucano en crecimiento. En el pasado, el debate giraba en torno a si el grupo glucosílico se unía al extremo no reductor o reductor de un aceptor entrante. Investigaciones posteriores apuntaron a un mecanismo no reductor con un único sitio activo. [1] [2] [11] [3]
Las proteínas glucanosucrasas probablemente evolucionaron a partir de un precursor de la enzima amilasa. [3] Las dos enzimas tienen patrones de plegamiento y dominios proteicos similares. De hecho, los intentos anteriores de producir medicamentos dirigidos a la glucanosucrasa no han tenido éxito porque los medicamentos también alteraban la amilasa, que es necesaria para descomponer los almidones . [12] [13] Esto ocurrió porque los sitios activos de las dos enzimas son casi los mismos. La glucanosucrasa probablemente mantuvo un sitio activo altamente conservado a medida que atravesaba un camino evolutivo diferente.
La glucansacrasa permite que la bacteria oral Streptococcus mutans metabolice la sacarosa en ácido láctico. Este ácido láctico reduce el pH alrededor de los dientes y disuelve el fosfato de calcio en el esmalte dental , lo que conduce a la caries dental. [14] Además, la síntesis de glucano ayuda a S. mutans a adherirse a la superficie de los dientes. [15] [16] A medida que los polímeros se acumulan, ayudan a que más bacterias productoras de ácido permanezcan en los dientes. En consecuencia, la glucansacrasa es un objetivo farmacológico tan atractivo para prevenir la caries dental. Si S. mutans ya no puede descomponer la sacarosa y sintetizar glucano, el fosfato de calcio no se degrada y las bacterias no pueden adherirse tan fácilmente a los dientes.
Las bacterias con enzimas glucanosucrasas se utilizan ampliamente en la industria para una variedad de aplicaciones. El polímero dextrano es un ejemplo destacado de un polímero muy útil. Se produce a escala comercial para usos en medicina veterinaria , tecnología de separación, biotecnología , la industria alimentaria para gelificar, viscosificar y emulsionar, en medicina humana como prebiótico , agente reductor del colesterol o expansor del plasma sanguíneo , y más. [4] [8] [17]