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Carnitina O-acetiltransferasa

La carnitina O-acetiltransferasa, también llamada carnitina acetiltransferasa ( CRAT o CAT ) [5] ( EC 2.3.1.7), es una enzima codificada por el gen CRAT que cataliza la reacción química

acetil-CoA + carnitina CoA + acetilcarnitina

donde el grupo acetilo desplaza al átomo de hidrógeno en el grupo hidroxilo central de la carnitina. [6]

Así, los dos sustratos de esta enzima son el acetil-CoA y la carnitina , mientras que sus dos productos son el CoA y la O -acetilcarnitina . La reacción es altamente reversible y no depende del orden en el que se unen los sustratos. [6]

Se cree que las diferentes localizaciones subcelulares de los ARNm de CRAT son resultado del empalme alternativo del gen CRAT sugerido por las secuencias divergentes en la región 5' de los ADNc de CRAT peroxisomales y mitocondriales y la ubicación de un intrón donde las secuencias divergen. El empalme alternativo de este gen da como resultado tres isoformas distintas, una de las cuales contiene un péptido de tránsito mitocondrial N-terminal y se ha demostrado que está ubicada en las mitocondrias. [7]

Nomenclatura

Esta enzima pertenece a la familia de las transferasas , en concreto a aquellas aciltransferasas que transfieren grupos distintos de los grupos aminoacilo. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA:carnitina O-acetiltransferasa. Otros nombres de uso común incluyen acetil-CoA-carnitina O-acetiltransferasa, acetilcarnitina transferasa, carnitina acetil coenzima A transferasa, carnitina acetilasa, carnitina acetiltransferasa, carnitina-acetil-CoA transferasa y CATC. Esta enzima participa en el metabolismo de la alanina y el aspartato.

Estructura

En general, las carnitina acetiltransferasas tienen pesos moleculares de aproximadamente 70 kDa y contienen aproximadamente 600 residuos1. CRAT contiene dos dominios, un dominio N y un dominio C, y está compuesta por 20 hélices α y 16 cadenas β. El dominio N consiste en una lámina β de ocho cadenas flanqueada a ambos lados por ocho hélices α. Una lámina β mixta de seis cadenas y once hélices α comprenden el dominio C de la enzima.

Al compararlos, los núcleos de los dos dominios reflejan un plegamiento de la estructura principal peptídica significativamente similar. Esto ocurre a pesar de que solo el 4% de los aminoácidos que componen esas estructuras principales peptídicas se corresponden entre sí. [5]

Sitio activo

His343 es el residuo catalítico en CRAT. [8] Está ubicado en la interfaz entre los dominios C y N de la enzima hacia el corazón de CRAT. His343 es accesible a través de dos canales de 15-18 Å que se acercan al residuo desde extremos opuestos de la enzima CRAT. Estos canales son utilizados por los sustratos de CRAT, un canal para carnitina y otro para CoA. La cadena lateral de His343 está ubicada de manera irregular, con el hidrógeno de nitrógeno del anillo δ1 unido al oxígeno carbonílico en la cadena principal del aminoácido. [5] [9] [10]

Sitio de unión de CoA

Debido a que CRAT se une a CoA, en lugar de acetil-CoA, parece que CRAT posee la capacidad de hidrolizar acetil-CoA, antes de interactuar con el fragmento de CoA solitario en el sitio de unión. [5] CoA está unido en una conformación lineal con su brazo pantoténico uniéndose al sitio activo. Aquí, el grupo tiol terminal del brazo pantoténico y el nitrógeno ε2 en la cadena lateral catalítica His343 forman un enlace de hidrógeno. El fosfato 3' en CoA forma interacciones con los residuos Lys419 y Lys423. También en el sitio de unión, los residuos Asp430 y Glu453 forman un enlace de hidrógeno directo entre sí. Si cualquiera de los residuos exhibe una mutación, puede resultar en una disminución en la actividad de CRAT. [11] [12]

Sitio de unión de la carnitina

La carnitina se une a CRAT en un estado parcialmente plegado, con su grupo hidroxilo y su grupo carboxilo orientados en direcciones opuestas. El sitio en sí está compuesto por la lámina β del dominio C y residuos particulares del dominio N. Al unirse, una cara de la carnitina queda expuesta al espacio fuera de la enzima. Al igual que la CoA, la carnitina forma un enlace de hidrógeno con el nitrógeno ε2 en His343. En el caso de la carnitina, el enlace se forma con su grupo 3-hidroxilo. Esta catálisis de CRAT es estereoespecífica para la carnitina, ya que el estereoisómero del grupo 3-hidroxilo no puede interactuar lo suficiente con el sitio de unión de la carnitina a CRAT. CRAT sufre cambios conformacionales menores al unirse con la carnitina. [5] [13] [14]

Función

Mecanismo enzimático

El residuo His343 en el sitio activo de CRAT actúa como una base que es capaz de desprotonar el grupo tiol de CoA o el grupo 3'-hidroxilo de Carnitina dependiendo de la dirección de la reacción. La estructura de CRAT optimiza esta reacción al provocar la unión directa de hidrógeno entre el His343 y ambos sustratos. El grupo desprotonado ahora es libre de atacar al grupo acetilo de acetil-CoA o acetilcarnitina en su sitio carbonilo. La reacción procede directamente, sin la formación de un intermediario His343-acetilo.

Hidrólisis

Es posible que la catálisis se produzca con solo uno de los dos sustratos. Si el acetil-CoA o la acetilcarnitina se unen a CRAT, una molécula de agua puede llenar el otro sitio de unión y actuar como aceptor del grupo acetilo.

Catálisis asistida por sustrato

La literatura sugiere que el grupo trimetilamonio de la carnitina puede ser un factor crucial en la catálisis CRAT. Este grupo exhibe una carga positiva que estabiliza el oxianión en el intermedio de la reacción. Esta idea está respaldada por el hecho de que la carga positiva de la carnitina es innecesaria para la unión al sitio activo, pero vital para que la catálisis se lleve a cabo. Esto se ha demostrado mediante la síntesis de un análogo de la carnitina que carece de su grupo trimetilamonio. Este compuesto pudo competir con la carnitina en la unión a CRAT, pero no pudo inducir una reacción. [15] La aparición de la catálisis asistida por sustrato ha abierto nuevas estrategias para aumentar la especificidad del sustrato sintético. [16]

Función biológica

Existe evidencia que sugiere que la actividad de CRAT es necesaria para que el ciclo celular pase de la fase G1 a la fase S. [17]

Importancia clínica

Las personas con una deficiencia hereditaria en la actividad de CRAT corren el riesgo de desarrollar problemas cardíacos y neurológicos graves. [5]

Se puede encontrar una actividad reducida del CRAT en personas que padecen la enfermedad de Alzheimer. [5]

CRAT y su familia de enzimas tienen un gran potencial como objetivos para el desarrollo de tratamientos terapéuticos para la diabetes tipo 2 y otras enfermedades. [18] [19] [20]

Interacciones

Se sabe que CRAT interactúa con NEDD8 , PEX5 y SUMO1 . [7]

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000095321 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000026853 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia PubMed de ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU . .
  5. ^ abcdefg Jogl G, Tong L (enero de 2003). "Estructura cristalina de la carnitina acetiltransferasa e implicaciones para el mecanismo catalítico y el transporte de ácidos grasos". Cell . 112 (1): 113–22. doi : 10.1016/S0092-8674(02)01228-X . PMID  12526798. S2CID  18633987.
  6. ^ ab Bieber LL (1988). "Carnitina". Revista Anual de Bioquímica . 57 : 261–83. doi :10.1146/annurev.bi.57.070188.001401. PMID  3052273.
  7. ^ ab "Entrez Gene: CRAT carnitina acetiltransferasa".
  8. ^ McGarry JD, Brown NF (febrero de 1997). "El sistema de la carnitina palmitoiltransferasa mitocondrial. Del concepto al análisis molecular". Revista Europea de Bioquímica . 244 (1): 1–14. doi :10.1111/j.1432-1033.1997.00001.x. PMID  9063439.
  9. ^ Jogl G, Hsiao YS, Tong L (noviembre de 2004). "Estructura y función de las aciltransferasas de carnitina". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 1033 (1): 17–29. Bibcode :2004NYASA1033...17J. doi :10.1196/annals.1320.002. PMID  15591000. S2CID  24466239.
  10. ^ Wu D, Govindasamy L, Lian W, Gu Y, Kukar T, Agbandje-McKenna M, McKenna R (abril de 2003). "Estructura de la carnitina acetiltransferasa humana. Base molecular para la transferencia de acilo graso". The Journal of Biological Chemistry . 278 (15): 13159–65. doi : 10.1074/jbc.M212356200 . PMID  12562770.
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  12. ^ Hsiao YS, Jogl G, Tong L (septiembre de 2006). "Estructuras cristalinas de la carnitina acetiltransferasa murina en complejos ternarios con sus sustratos". The Journal of Biological Chemistry . 281 (38): 28480–7. doi : 10.1074/jbc.M602622200 . PMC 2940834 . PMID  16870616. 
  13. ^ Cronin CN (septiembre de 1997). "El motivo serina-treonina-serina conservado de las carnitina aciltransferasas está involucrado en la unión de la carnitina y la estabilización del estado de transición: un estudio de mutagénesis dirigida al sitio". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 238 (3): 784–9. doi :10.1006/bbrc.1997.7390. PMID  9325168.
  14. ^ Hsiao YS, Jogl G, Tong L (julio de 2004). "Estudios estructurales y bioquímicos de la selectividad del sustrato de la carnitina acetiltransferasa". The Journal of Biological Chemistry . 279 (30): 31584–9. doi : 10.1074/jbc.M403484200 . PMID  15155726.
  15. ^ Saeed A, McMillin JB, Wolkowicz PE, Brouillette WJ (septiembre de 1993). "La catálisis enzimática de la carnitina aciltransferasa requiere una carga positiva en el cofactor carnitina". Archivos de bioquímica y biofísica . 305 (2): 307–12. doi :10.1006/abbi.1993.1427. PMID  8373168.
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  20. ^ Wagman AS, Nuss JM (abril de 2001). "Terapias actuales y objetivos emergentes para el tratamiento de la diabetes". Current Pharmaceutical Design . 7 (6): 417–50. doi :10.2174/1381612013397915. PMID  11281851.

Lectura adicional