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UDP-glucosa 4-epimerasa

La enzima UDP-glucosa 4-epimerasa ( EC 5.1.3.2), también conocida como UDP-galactosa 4-epimerasa o GALE , es una epimerasa homodimérica que se encuentra en células bacterianas, fúngicas, vegetales y de mamíferos. Esta enzima realiza el paso final en la vía de Leloir del metabolismo de la galactosa , catalizando la conversión reversible de UDP-galactosa en UDP-glucosa . [1] GALE se une estrechamente al dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+), un cofactor necesario para la actividad catalítica. [2]

Además, las isoformas de GALE humanas y algunas bacterianas catalizan reversiblemente la formación de UDP- N- acetilgalactosamina (UDP-GalNAc) a partir de UDP- N- acetilglucosamina ( UDP-GlcNAc ) en presencia de NAD+, un paso inicial en la síntesis de glicoproteínas o glicolípidos . [3]

Significado historico

El Dr. Luis Leloir dedujo el papel de GALE en el metabolismo de la galactosa durante su gestión en el Instituto de Investigaciones Bioquímicas de la Fundación Campomar, denominando inicialmente a la enzima waldenasa. [4] El Dr. Leloir recibió el Premio Nobel de Química en 1970 por su descubrimiento de los nucleótidos de azúcar y su papel en la biosíntesis de carbohidratos. [5]

Estructura

GALE pertenece a la superfamilia de proteínas deshidrogenasa/reductasa de cadena corta (SDR). [6] Esta familia se caracteriza por un motivo Tyr-XXX-Lys conservado necesario para la actividad enzimática; uno o más andamios plegables de Rossmann ; y la capacidad de unirse a NAD + . [6]

Estructura terciaria

La estructura de GALE se ha resuelto para varias especies, incluidas E. coli [7] y humanos. [8] GALE existe como homodímero en varias especies. [8]

Si bien el tamaño de las subunidades varía de 68 aminoácidos (Enterococcus faecalis) a 564 aminoácidos (Rhodococcus jostii), la mayoría de las subunidades GALE se agrupan cerca de 330 aminoácidos de longitud. [6] Cada subunidad contiene dos dominios distintos. Un dominio N-terminal contiene una hoja plisada β paralela de 7 hebras flanqueada por hélices α. [1] Los pliegues de Rossmann emparejados dentro de este dominio permiten que GALE se una firmemente a un cofactor NAD + por subunidad. [2] Una hoja β de 6 cadenas y 5 hélices α comprenden el dominio C-terminal de GALE. [1] Los residuos C-terminales se unen a la UDP, de modo que la subunidad es responsable de posicionar correctamente la UDP-glucosa o la UDP-galactosa para la catálisis. [1]

Sitio activo

"La hendidura entre los dominios N y C-terminales de GALE constituye el sitio activo de la enzima ". Un motivo Tyr-XXX Lys conservado es necesario para la actividad catalítica de GALE; en humanos, este motivo está representado por Tyr 157-Gly-Lys-Ser-Lys 161, [6] mientras que E. coli GALE contiene Tyr 149-Gly-Lys-Ser-Lys 153. [8] El tamaño y la forma de GALE El sitio activo varía según la especie, lo que permite una especificidad variable del sustrato GALE. [3] Además, la conformación del sitio activo dentro de un GALE específico de especie es maleable; por ejemplo, un voluminoso grupo UDP-GlcNAc 2' N-acetilo se aloja dentro del sitio activo GALE humano mediante la rotación de la cadena lateral de carboxamida Asn 207. [3]

Mecanismo

Conversión de UDP-galactosa en UDP-glucosa

GALE invierte la configuración del grupo 4' hidroxilo de la UDP-galactosa mediante una serie de 4 pasos. Al unirse a la UDP-galactosa, un residuo de tirosina conservado en el sitio activo extrae un protón del grupo 4' hidroxilo. [7] [10]

Al mismo tiempo, el hidruro 4' se agrega a la cara si del NAD+, generando NADH y un intermediario 4-cetopiranosa. [1] El intermedio 4-cetopiranosa gira 180° alrededor del enlace pirofosforilo entre el oxígeno glicosilo y el átomo de fósforo β, presentando la cara opuesta del intermedio cetopiranosa al NADH. [10] La transferencia de hidruro desde NADH a esta cara opuesta invierte la estereoquímica del centro 4'. El residuo de tirosina conservado luego dona su protón, regenerando el grupo 4' hidroxilo. [1]

Conversión de UDP-GlcNAc a UDP-GalNAc

Las isoformas de GALE humanas y algunas bacterianas catalizan reversiblemente la conversión de UDP-GlcNAc en UDP-GalNAc a través de un mecanismo idéntico, invirtiendo la configuración estereoquímica en el grupo 4' hidroxilo del azúcar. [3] [11]

función biológica

Pasos de la vía de Leloir del metabolismo de la galactosa.
Intermedios y enzimas en la vía de Leloir del metabolismo de la galactosa. [1]

Metabolismo de galactosa

No existen vías catabólicas directas para el metabolismo de la galactosa. Por lo tanto, la galactosa se convierte preferentemente en glucosa-1-fosfato , que puede desviarse hacia la glucólisis o la vía de síntesis de inositol . [12]

GALE funciona como una de las cuatro enzimas en la vía de Leloir de conversión de galactosa de glucosa-1-fosfato. Primero, la galactosa mutarotasa convierte la β-D-galactosa en α-D-galactosa. [1] La galactoquinasa luego fosforila la α-D-galactosa en el grupo hidroxilo 1', produciendo galactosa-1-fosfato . [1] En el tercer paso, la galactosa-1-fosfato uridiltransferasa cataliza la transferencia reversible de un resto UMP de UDP-glucosa a galactosa-1-fosfato, generando UDP-galactosa y glucosa-1-fosfato. [1] En el paso final de Leloir, GALE regenera UDP-glucosa a partir de UDP-galactosa; La UDP-glucosa regresa al tercer paso de la vía. [1] Como tal, GALE regenera un sustrato necesario para el ciclo continuo de la vía de Leloir.

La glucosa-1-fosfato generada en el paso 3 de la vía de Leloir puede isomerizarse a glucosa-6-fosfato mediante la fosfoglucomutasa . La glucosa-6-fosfato entra fácilmente en la glucólisis, lo que lleva a la producción de ATP y piruvato. [13] Además, la glucosa-6-fosfato puede convertirse en inositol-1-fosfato mediante la inositol-3-fosfato sintasa , generando un precursor necesario para la biosíntesis de inositol . [14]

Síntesis de UDP-GalNAc

Las isoformas de GALE humanas y bacterianas seleccionadas se unen a UDP-GlcNAc, catalizando reversiblemente su conversión a UDP-GalNAc. Una familia de glicosiltransferasas conocida como UDP- N -acetilgalactosamina: polipéptido N-acetilgalactosamina transferasas (ppGaNTasas) transfiere GalNAc de UDP-GalNAc a residuos de glicoproteína serina y treonina. [15] La glicosilación mediada por ppGaNTasa regula la clasificación de proteínas, [16] [17] [18] [19] [20] la señalización del ligando, [21] [22] [23] la resistencia al ataque proteolítico, [24] [25] y representa el primer paso comprometido en la biosíntesis de mucina. [15]

Papel en la enfermedad

La deficiencia o disfunción de GALE en humanos produce galactosemia tipo III , que puede existir en una forma leve (periférica) o más grave (generalizada). [12]

Referencias

  1. ^ abcdefghijk Holden HM, Rayment I, Thoden JB (noviembre de 2003). "Estructura y función de enzimas de la vía de Leloir para el metabolismo de la galactosa". J. Biol. química . 278 (45): 43885–8. doi : 10.1074/jbc.R300025200 . PMID  12923184.
  2. ^ ab Liu Y, Vanhooke JL, Frey PA (junio de 1996). "UDP-galactosa 4-epimerasa: contenido de NAD + y una banda de transferencia de carga asociada con la transición conformacional inducida por el sustrato". Bioquímica . 35 (23): 7615–20. doi :10.1021/bi960102v. PMID  8652544.
  3. ^ abcd Thoden JB, Wohlers TM, Fridovich-Keil JL, Holden HM (mayo de 2001). "UDP-galactosa 4-epimerasa humana. Acomodación de UDP-N-acetilglucosamina dentro del sitio activo". J. Biol. química . 276 (18): 15131–6. doi : 10.1074/jbc.M100220200 . PMID  11279032.
  4. ^ LELOIR LF (septiembre de 1951). "La transformación enzimática de glucosa uridina difosfato en un derivado de galactosa". Arco Bioquímico . 33 (2): 186–90. doi :10.1016/0003-9861(51)90096-3. hdl : 11336/140700 . PMID  14885999.
  5. ^ "El Premio Nobel de Química 1970" (Presione soltar). La Real Academia Sueca de Ciencias. 1970 . Consultado el 17 de mayo de 2010 .
  6. ^ abcd Kavanagh KL, Jörnvall H, Persson B, Oppermann U (diciembre de 2008). "Familias de proteínas y genes de deshidrogenasa / reductasa de cadena media y corta: la superfamilia SDR: diversidad funcional y estructural dentro de una familia de enzimas metabólicas y reguladoras". Celúla. Mol. Ciencias de la vida . 65 (24): 3895–906. doi :10.1007/s00018-008-8588-y. PMC 2792337 . PMID  19011750. 
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  9. ^ AP : 1A9Z ​; Thoden JB, Holden HM (agosto de 1998). "Diferencias dramáticas en la unión de UDP-galactosa y UDP-glucosa a UDP-galactosa 4-epimerasa de Escherichia coli". Bioquímica . 37 (33): 11469–77. doi :10.1021/bi9808969. PMID  9708982.
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Otras lecturas

enlaces externos

  1. ^ Beebe, Jane A.; Frey, Perry A. (1 de octubre de 1998). "Galactosa mutarotasa: purificación, caracterización e investigaciones de dos residuos importantes de histidina". Bioquímica . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN  0006-2960.