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Glutamato deshidrogenasa

La glutamato deshidrogenasa (GLDH, GDH) es una enzima que se observa tanto en procariotas como en mitocondrias eucariotas . La reacción antes mencionada también produce amoníaco, que en eucariotas se procesa canónicamente como sustrato en el ciclo de la urea . Típicamente, la reacción de α-cetoglutarato a glutamato no ocurre en mamíferos, ya que el equilibrio de la glutamato deshidrogenasa favorece la producción de amoníaco y α-cetoglutarato. La glutamato deshidrogenasa también tiene una afinidad muy baja por el amoníaco (alta constante de Michaelis de aproximadamente 1 mM), y por lo tanto tendrían que estar presentes niveles tóxicos de amoníaco en el cuerpo para que se produzca la reacción inversa (es decir, α-cetoglutarato y amoníaco a glutamato y NAD(P)+). Sin embargo, en el cerebro, la relación NAD+/NADH en las mitocondrias cerebrales fomenta la desaminación oxidativa (es decir, glutamato a α-cetoglutarato y amoníaco). [1] En las bacterias, el amoníaco se asimila a los aminoácidos a través del glutamato y las aminotransferasas. [2] En las plantas, la enzima puede funcionar en cualquier dirección dependiendo del entorno y el estrés. [3] [4] Las plantas transgénicas que expresan GLDH microbianas mejoran su tolerancia a los herbicidas, el déficit de agua y las infecciones por patógenos. [5] Son más valiosas desde el punto de vista nutricional. [6]

La enzima representa un vínculo clave entre las vías catabólicas y anabólicas y, por lo tanto, es omnipresente en los eucariotas. En los seres humanos, los genes relevantes se denominan GLUD1 (glutamato deshidrogenasa 1) y GLUD2 (glutamato deshidrogenasa 2), y también existen al menos cinco pseudogenes GLDH en el genoma humano . [7]

Aplicación clínica

La GLDH se puede medir en un laboratorio médico para evaluar la función hepática. Los niveles elevados de GLDH en suero sanguíneo indican daño hepático y la GLDH juega un papel importante en el diagnóstico diferencial de la enfermedad hepática, especialmente en combinación con aminotransferasas . La GLDH se localiza en las mitocondrias , por lo tanto, prácticamente no se libera en enfermedades inflamatorias generalizadas del hígado, como las hepatitis virales. Las enfermedades hepáticas en las que la necrosis de los hepatocitos es el evento predominante, como el daño hepático tóxico o la enfermedad hepática hipóxica, se caracterizan por altos niveles séricos de GLDH. La GLDH es importante para distinguir entre la hepatitis viral aguda y la necrosis hepática tóxica aguda o la enfermedad hepática hipóxica aguda, particularmente en el caso de daño hepático con aminotransferasas muy altas. En ensayos clínicos , la GLDH puede servir como una medida de la seguridad de un fármaco. [ cita requerida ]

El enzimoinmunoensayo (EIA) para la glutamato deshidrogenasa (GDH) puede utilizarse como herramienta de detección en pacientes con infección por Clostridioides difficile . La enzima se expresa de forma constitutiva en la mayoría de las cepas de C. diff y, por lo tanto, se puede detectar fácilmente en las heces. El diagnóstico se confirma generalmente con un EIA de seguimiento para las toxinas A y B de C. diff. [ cita requerida ]

Cofactores

El NAD + (o NADP + ) es un cofactor de la reacción de la glutamato deshidrogenasa, que produce α-cetoglutarato y amonio como subproducto. [4] [8]

Según el cofactor utilizado, las enzimas glutamato deshidrogenasas se dividen en las siguientes tres clases: [ cita requerida ]

Papel en el flujo de nitrógeno

La incorporación de amoniaco en animales y microbios se produce a través de la acción de la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa . El glutamato desempeña un papel central en el flujo de nitrógeno en mamíferos y microbios, actuando como donante y aceptor de nitrógeno. [ cita requerida ]

Regulación de la glutamato deshidrogenasa

En los seres humanos, la actividad de la glutamato deshidrogenasa se controla a través de la ADP-ribosilación , una modificación covalente llevada a cabo por el gen sirt4 . Esta regulación se relaja en respuesta a la restricción calórica y la baja glucemia . En estas circunstancias, la actividad de la glutamato deshidrogenasa se eleva para aumentar la cantidad de α-cetoglutarato producido, que puede utilizarse para proporcionar energía al ser utilizado en el ciclo del ácido cítrico para producir en última instancia ATP . [ cita requerida ]

En los microbios, la actividad está controlada por la concentración de amonio y/o el ion rubidio de tamaño similar, que se une a un sitio alostérico en GLDH y cambia la K m ( constante de Michaelis ) de la enzima. [9]

El control de GLDH a través de la ADP-ribosilación es particularmente importante en las células β productoras de insulina . Las células beta secretan insulina en respuesta a un aumento en la relación ATP: ADP y, a medida que la GLDH descompone los aminoácidos en α-cetoglutarato, esta relación aumenta y se secreta más insulina. SIRT4 es necesaria para regular el metabolismo de los aminoácidos como método para controlar la secreción de insulina y regular los niveles de glucosa en sangre .

A finales de los años 1950 y principios de los 1960, Carl Frieden descubrió que la glutamato deshidrogenasa del hígado bovino estaba regulada por nucleótidos. [10] [11] [12] [13] Además de describir los efectos de nucleótidos como ADP, ATP y GTP, describió en detalle el diferente comportamiento cinético del NADH y el NADPH. Como tal, fue una de las primeras enzimas en mostrar lo que más tarde se describió como comportamiento alostérico. [14]

La activación de la GDH de los mamíferos por la L-leucina y otros aminoácidos hidrofóbicos también se conoce desde hace mucho tiempo, [15] sin embargo, la localización del sitio de unión no estaba clara. Recientemente se identificó el nuevo sitio de unión alostérico para la L-leucina en una enzima de mamíferos. [16]

Las mutaciones que alteran el sitio de unión alostérico del GTP provocan la activación permanente de la glutamato deshidrogenasa y conducen al síndrome de hiperinsulinismo-hiperamonemia .

Regulación

Regulación alostérica :

Esta proteína puede utilizar el modelo de morfeína de regulación alostérica . [8] [17]

Inhibidores alostéricos:

Activadores:

Otros inhibidores:

Además, la GLDH de ratones muestra inhibición del sustrato por lo que la actividad de GLDH disminuye a altas concentraciones de glutamato. [8]

Isoenzimas

Los humanos expresan las siguientes isoenzimas de la glutamato deshidrogenasa :

Véase también

Referencias

  1. ^ McKenna MC, Ferreira GC (2016). "Complejos enzimáticos importantes para el ciclo glutamato-glutamina". El ciclo glutamato/GABA-glutamina . Avances en neurobiología. Vol. 13. págs. 59-98. doi :10.1007/978-3-319-45096-4_4. ISBN 978-3-319-45094-0. Número de identificación personal  27885627.
  2. ^ Lightfoot DA, Baron AJ, Wootton JC (mayo de 1988). "La expresión del gen de la glutamato deshidrogenasa de Escherichia coli en la cianobacteria Synechococcus PCC6301 provoca tolerancia al amonio". Biología molecular de plantas . 11 (3): 335–44. doi :10.1007/BF00027390. PMID  24272346. S2CID  21845538.
  3. ^ Mungur R, Glass AD, Goodenow DB, Lightfoot DA (junio de 2005). "Huella de metabolitos en Nicotiana tabacum transgénica alterada por el gen de glutamato deshidrogenasa de Escherichia coli". Journal of Biomedicine & Biotechnology . 2005 (2): 198–214. doi : 10.1155/JBB.2005.198 . PMC 1184043 . PMID  16046826. 
  4. ^ ab Grabowska A, Nowicki M, Kwinta J (2011). "Glutamato deshidrogenasa de las semillas de triticale en germinación: expresión génica, distribución de la actividad y características cinéticas". Acta Physiol. Plant . 33 (5): 1981–90. doi : 10.1007/s11738-011-0801-1 .
  5. ^ Lightfoot DA, Bernhardt K, Mungur R, Nolte S, Ameziane R, Colter A, Jones K, Iqbal MJ, Varsa E, Young B (2007). "Mejora de la tolerancia a la sequía de plantas transgénicas de Zea mays que expresan el gen de glutamato deshidrogenasa (gdhA) de E. coli". Euphytica . 156 (1–2): 103–116. doi :10.1007/s10681-007-9357-y. S2CID  11806853.
  6. ^ Lightfoot DA (2009). "Genes para mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno en los cultivos". En Wood, Andrew, Matthew A. Jenks (eds.). Genes para el estrés abiótico de las plantas . Wiley-Blackwell. págs. 167–182. ISBN 978-0-8138-1502-2.
  7. ^ Aleshina YA, Aleshin VA (2024). "Los cambios evolutivos en las glutamato deshidrogenasas 1 y 2 de primates influyen en la regulación de proteínas por ligandos, selección y modificaciones postraduccionales". Revista internacional de ciencias moleculares . 25 (8). doi : 10.3390/ijms25084341 . PMC 11050691 . PMID  38673928. N.º de art. 4341. 
  8. ^ abc Botman D, Tigchelaar W, Van Noorden CJ (noviembre de 2014). "Determinación de la actividad de la glutamato deshidrogenasa y su cinética en tejidos de ratón mediante mapeo metabólico (histoquímica enzimática cuantitativa)". The Journal of Histochemistry and Cytochemistry . 62 (11): 802–12. doi :10.1369/0022155414549071. PMC 4230541 . PMID  25124006. 
  9. ^ Wootton JC (febrero de 1983). "Reevaluación de las afinidades de los iones de amonio de las glutamato deshidrogenasas específicas de NADP. Activación de la enzima Neurospora crassa por iones de amonio y rubidio". The Biochemical Journal . 209 (2): 527–31. doi :10.1042/bj2090527. PMC 1154121 . PMID  6221721. 
  10. ^ Frieden C (abril de 1959). "Deshidrogenasa glutámica. II. El efecto de varios nucleótidos en la asociación-disociación y las propiedades cinéticas". The Journal of Biological Chemistry . 234 (4): 815–20. doi : 10.1016/S0021-9258(18)70181-6 . PMID  13654269.
  11. ^ Frieden C (mayo de 1962). "La inhibición inusual de la glutamato deshidrogenasa por difosfato y trifosfato de guanosina". Biochimica et Biophysica Acta . 59 (2): 484–6. doi :10.1016/0006-3002(62)90204-4. PMID  13895207.
  12. ^ Frieden C (1963). L-Glutamato Deshidrogenasa, en The Enzymes, Vol VII . Academic Press. págs. 3–24.
  13. ^ Frieden C (mayo de 1965). "Glutamato deshidrogenasa. VI. Estudio de los nucleótidos de purina y otros efectos sobre la enzima de diversas fuentes". Revista de química biológica . 240 (5): 2028–35. doi : 10.1016/S0021-9258(18)97420-X . PMID  14299621.
  14. ^ Monod J, Wyman J, Changeux JP (1965). "Sobre la naturaleza de las transiciones alostéricas: un modelo plausible". J Mol Biol . 12 : 88–118. doi :10.1016/s0022-2836(65)80285-6. PMID  14343300.
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  16. ^ abc Aleshin VA, Bunik VI, Bruch EM, Bellinzoni M (2022). "Base estructural para la unión de los activadores alostéricos leucina y ADP a la glutamato deshidrogenasa de mamíferos". Int J Mol Sci . 23 (19): 11306. doi : 10.3390/ijms231911306 . PMC 9570180 . PMID  36232607. 
  17. ^ Selwood T, Jaffe EK (marzo de 2012). "Homooligómeros disociativos dinámicos y el control de la función proteica". Archivos de bioquímica y biofísica . 519 (2): 131–43. doi :10.1016/j.abb.2011.11.020. PMC 3298769. PMID  22182754 . 
  18. ^ Pournourmohammadi S, Grimaldi M, Stridh MH, Lavallard V, Waagepetersen HS, Wollheim CB, Maechler P (julio de 2017). "La epigalocatequina-3-galato (EGCG) activa la AMPK a través de la inhibición de la glutamato deshidrogenasa en las células ß pancreáticas y musculares: ¿un posible efecto beneficioso en el estado prediabético?". The International Journal of Biochemistry & Cell Biology . 88 : 220–225. doi :10.1016/j.biocel.2017.01.012. PMID  28137482.

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