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β-glucuronidasa

Las β-glucuronidasas son miembros de la familia de enzimas de las glicosidasas que catalizan la descomposición de carbohidratos complejos . [2] La β-glucuronidasa humana es un tipo de glucuronidasa (un miembro de la familia 2 de las glicosidasas) que cataliza la hidrólisis de los residuos de ácido β- D - glucurónico del extremo no reductor de los mucopolisacáridos (también denominados glicosaminoglicanos ) como el heparán sulfato . [2] [3] [4] La β-glucuronidasa humana se encuentra en el lisosoma . [5] En el intestino, la β-glucuronidasa del borde en cepillo convierte la bilirrubina conjugada en la forma no conjugada para su reabsorción. La β-glucuronidasa también está presente en la leche materna, lo que contribuye a la ictericia neonatal . La proteína está codificada por el gen GUSB en humanos [6] [7] y por el gen uidA en bacterias. [8]

Estructura

La β-glucuronidasa humana se sintetiza como un monómero de 80 kDa (653 aminoácidos) antes de que la proteólisis elimine 18 aminoácidos del extremo C-terminal para formar un monómero de 78 kDa. [9] [10] La β-glucuronidasa existe como un homotetrámero de 332 kDa . [11] La β-glucuronidasa contiene varias formaciones estructurales notables, incluido un tipo de barril β conocido como barril de rollo de gelatina y barril TIM . [1]

Mecanismo de catálisis

La β-glucuronidasa humana es homóloga a la enzima β-galactosidasa de Escherichia coli . [12] [13] Esta relación homóloga, junto con el conocimiento de que las glicosidasas a menudo realizan hidrólisis catalizada por dos residuos ácidos , permitió el desarrollo de una hipótesis mecanicista. Esta hipótesis propone que los dos residuos de ácido glutámico Glu540 y Glu451 son los residuos nucleofílicos y ácidos , respectivamente, y que el residuo de tirosina Tyr504 también está involucrado en la catálisis. En apoyo de esta hipótesis, las mutaciones experimentales en cualquiera de estos tres residuos dan como resultado grandes disminuciones de la actividad enzimática. El aumento de la actividad de una enzima mutante E451A (donde Glu451 se reemplaza con un residuo de alanina ) después de la adición de azida es consistente con Glu451 como residuo ácido/base. [14] Mediante el análisis de péptidos β-glucuronidasa marcados después de la hidrólisis de un sustrato que entra en una etapa intermedia muy estable, los investigadores han determinado que Glu540 es el residuo nucleofílico. [15]

Aunque no está claro el tipo particular de sustitución nucleofílica empleada por la β-glucuronidasa, la evidencia de los mecanismos de sus homólogos en la familia de las glicosidasas sugiere que estas reacciones son cualitativamente reacciones S N 2 . Las reacciones proceden a través de un estado de transición con características de ion oxocarbenio . Inicialmente, estos mecanismos, debido a esta característica de oxocarbenio del estado de transición, se sugirió que eran reacciones S N 1 que proceden a través de un intermedio de ion oxocarbenio discreto . Sin embargo, evidencia más reciente sugiere que estos estados de ion oxocarbenio tienen tiempos de vida de 10 femtosegundos - 0,1 nanosegundos (similar a la de un período de vibración de enlace ). Estos tiempos de vida son demasiado cortos para asignarlos a un intermedio de reacción. A partir de esta evidencia, parece que estas reacciones, si bien tienen una apariencia S N 1 debido a las características de ion oxocarbenio de sus estados de transición, deben ser reacciones cualitativamente S N 2. [2]

La actividad específica de Tyr504 en el mecanismo catalítico no está clara. [14] A través de la comparación con los datos estructurales de la enzima homóloga xilanasa , se ha sugerido que Tyr504 de β-glucuronidasa podría estabilizar el nucleófilo saliente (Glu540) o modular su actividad. [16]

Además de estos residuos, se ha sugerido que un residuo de asparagina conservado (Asn450) estabiliza el sustrato a través de la acción de un enlace de hidrógeno en el grupo 2-hidroxilo del sustrato de azúcar. [11] [17]

  • Unidad repetitiva del sustrato de heparán sulfato de la β-glucuronidasa
    Unidad repetitiva del sustrato de heparán sulfato de la β-glucuronidasa
  • Representación superficial del bolsillo del sitio activo de la β-glucuronidasa con residuos catalíticos mostrados[1]
    Representación superficial del bolsillo del sitio activo de la β-glucuronidasa con residuos catalíticos mostrados [1]
  • Mecanismo de hidrólisis por β-glucuronidasa de un sustrato de azúcar con estados de transición de alta energía que muestran el carácter del ion oxocarbenio representado[15]
    Mecanismo de hidrólisis por β-glucuronidasa de un sustrato de azúcar con estados de transición de alta energía que muestran el carácter del ion oxocarbenio representado [15]
  • Estabilización potencial del residuo nucleofílico Glu540 por Tyr504 en β-glucuronidasa[16]
    Estabilización potencial del residuo nucleofílico Glu540 por Tyr504 en β-glucuronidasa [16]
  • Actividad prevista del residuo conservado Asn450 en la estabilización del sustrato de azúcar β-glucuronidasa[11][17]
    Actividad prevista del residuo conservado Asn450 en la estabilización del sustrato de azúcar β-glucuronidasa [11] [17]
  • Posible puente salino entre Glu352 y Arg216 en la beta-glucuronidasa humana[1][18]
    Posible puente salino entre Glu352 y Arg216 en la beta-glucuronidasa humana [1] [18]

Síndrome de Sly

Las deficiencias de β-glucuronidasa dan lugar a una enfermedad metabólica hereditaria autosómica recesiva conocida como síndrome de Sly o mucopolisacaridosis VII. Una deficiencia de esta enzima da lugar a la acumulación de mucopolisacáridos no hidrolizados en el paciente. Esta enfermedad puede ser extremadamente debilitante para el paciente o puede dar lugar a hidropesía fetal antes del nacimiento. Además, en los pacientes supervivientes se observan retraso mental, baja estatura, rasgos faciales toscos, anomalías de la columna vertebral y agrandamiento del hígado y el bazo. [5] Esta enfermedad se ha modelado en una cepa de ratones, así como en una familia de perros. [19] [20] Más recientemente, los investigadores han descubierto una familia felina que presenta deficiencias en la actividad de la β-glucuronidasa. La fuente de esta reducción de la actividad se ha identificado como una mutación E351K (Glu351 está mutado a un residuo de lisina). Glu351 se conserva en especies de mamíferos, lo que sugiere una función importante para este residuo. El examen de la estructura cristalina de rayos X humana sugiere que este residuo (Glu352 en la enzima humana), que está enterrado profundamente dentro del dominio de barril TIM , puede ser importante para la estabilización de la estructura terciaria de la enzima. [18] En la estructura cristalina, parece que Arg216, un miembro del dominio de rollo de gelatina de la proteína, forma un puente salino con Glu352; por lo tanto, es probable que Glu352 esté involucrado en la estabilización de la interacción entre dos dominios tridimensionales diferentes de la enzima. [1]

Uso como gen reportero

En biología molecular , la β-glucuronidasa se utiliza como gen indicador para controlar la expresión génica en células de mamíferos y plantas. El control de la actividad de la β-glucuronidasa mediante el uso de un ensayo GUS permite determinar la expresión espacial y temporal del gen en cuestión. [21]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdef PDB : 1BHG ​; Jain S, Drendel WB, Chen ZW, Mathews FS, Sly WS, Grubb JH (abril de 1996). "La estructura de la β-glucuronidasa humana revela motivos candidatos de orientación lisosomal y de sitio activo". Nature Structural Biology . 3 (4): 375–81. doi :10.1038/nsb0496-375. PMID  8599764. S2CID  28862883.
  2. ^ abc Sinnott M, ed. (1998). Catálisis biológica integral. Vol. 1. Manchester, Reino Unido: Academic Press. págs. 119-138. ISBN 978-0-12-646864-9.
  3. ^ McCarter JD, Withers SG (diciembre de 1994). "Mecanismos de hidrólisis enzimática de glicósidos". Current Opinion in Structural Biology . 4 (6): 885–92. doi :10.1016/0959-440X(94)90271-2. PMID  7712292.
  4. ^ Sinnott ML (1990). "Mecanismos catalíticos de la transferencia enzimática de glicosilo". Chem Rev . 90 (7): 1171–1202. doi :10.1021/cr00105a006.
  5. ^ ab Nyhan WL, Barshop B, Ozand P (2005). Atlas de enfermedades metabólicas (2.ª ed.). Londres, Reino Unido: Hodder Arnold. págs. 501–503, 546–550. ISBN 978-0-340-80970-9.
  6. ^ Oshima A, Kyle JW, Miller RD, Hoffmann JW, Powell PP, Grubb JH, Sly WS, Tropak M, Guise KS, Gravel RA (febrero de 1987). "Clonación, secuenciación y expresión de ADNc para la β-glucuronidasa humana". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 84 (3): 685–9. Bibcode :1987PNAS...84..685O. doi : 10.1073/pnas.84.3.685 . PMC 304280 . PMID  3468507. 
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  8. ^ Martins MT, Rivera IG, Clark DL, Stewart MH, Wolfe RL, Olson BH (julio de 1993). "Distribución de secuencias del gen uidA en aislamientos de Escherichia coli en fuentes de agua y comparación con la expresión de la actividad beta-glucuronidasa en medios de 4-metilumbeliferil-β-D-glucurónido". Applied and Environmental Microbiology . 59 (7): 2271–6. Bibcode :1993ApEnM..59.2271M. doi :10.1128/AEM.59.7.2271-2276.1993. PMC 182268 . PMID  8357258. 
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Lectura adicional

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