En enzimología , una malato sintasa ( EC 2.3.3.9) es una enzima que cataliza la reacción química.
Los tres sustratos de esta enzima son acetil-CoA , H2O y glioxilato , mientras que sus dos productos son ( S ) -malato y CoA . Esta enzima participa en el metabolismo del piruvato y del glioxilato y dicarboxilato .
Esta enzima pertenece a la familia de las transferasas , concretamente a las aciltransferasas que convierten los grupos acilo en grupos alquilo durante la transferencia. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA:glioxilato C-acetiltransferasa (hidrolizante de tioéster, formadora de carboximetilo). Otros nombres de uso común incluyen L-malato glioxilato-liasa (CoA-acetilante), glioxilato transacetilasa, glioxilato transacetasa, transacetasa glioxílica, enzima condensadora de malato, malato sintetasa, sintetasa málica y enzima condensante málica.
Las malato sintasas se dividen en dos familias principales, las isoformas A y G. La isoforma G es monomérica con un tamaño de aproximadamente 80 kD y se encuentra exclusivamente en bacterias . [2] La isoforma A tiene aproximadamente 65 kD por subunidad y puede formar homomultímeros en eucariotas . [3] Esta enzima contiene un cilindro TIM central intercalado entre un cierre de hélice alfa N-terminal y un dominio alfa/beta que surge de dos inserciones en la secuencia del cilindro TIM . La enzima termina con un tapón de cinco hélices C-terminal . El sitio activo, donde el acetil-CoA y el glioxilato se unen a la enzima, se encuentra entre el cilindro TIM y el tapón C-terminal . [4] Al unirse, la molécula de acetil-CoA forma una J insertada en el bolsillo de unión, mediante un enlace de hidrógeno intramolecular entre el N7 del anillo de adenina y un grupo hidroxilo en la cola de panteteína . [4] Además, un ion de magnesio crítico dentro del sitio activo se coordina con el glioxilato , el ácido glutámico 427, el ácido aspártico 455 y dos moléculas de agua. [4] Los aminoácidos que interactúan con el acetil CoA al unirse están altamente conservados. [2] La identidad de secuencia es alta dentro de cada clase de isoformas, pero entre ambas clases la identidad de secuencia cae a aproximadamente el 15%. [5] El dominio alfa/beta, que no tiene ninguna función aparente, no se ve en la isoforma A. [6]
El mecanismo de la malato sintasa es una reacción aldólica seguida de hidrólisis del tioéster . Inicialmente, el aspartato 631 actúa como una base catalítica, extrayendo un protón del carbono alfa del acetil-CoA y creando un enolato que se estabiliza con la arginina 338. [6] Este se considera el paso determinante de la velocidad del mecanismo. [7] Luego, el enolato recién formado actúa como un nucleófilo que ataca al aldehído del glioxilato , impartiendo una carga negativa al oxígeno que es estabilizado por la arginina 338 y el catión de magnesio coordinador. Este intermediario malil-CoA luego sufre hidrólisis en la porción acil-CoA , generando un anión carboxilato . [2] La enzima finalmente libera malato y coenzima A.
El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs) es utilizado por los organismos aeróbicos para producir energía mediante la oxidación de acetil-CoA , que se deriva del piruvato (un producto de la glucólisis ). El ciclo del ácido cítrico acepta acetil-CoA y lo metaboliza para formar dióxido de carbono . Un ciclo relacionado, llamado ciclo del glioxilato , se encuentra en muchas bacterias y plantas. En las plantas, el ciclo del glioxilato tiene lugar en los glioxisomas . [8] En este ciclo, la isocitrato liasa y la malato sintasa omiten los pasos de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico. En otras palabras, la malato sintasa trabaja junto con la isocitrato liasa en el ciclo del glioxilato para evitar dos pasos oxidativos del ciclo de Krebs y permitir la incorporación de carbono a partir de acetato o ácidos grasos en muchos microorganismos. [9] Juntas, estas dos enzimas sirven para producir succinato (que sale del ciclo para usarse para la síntesis de azúcares) y malato (que permanece en el ciclo del glioxilato). Durante este proceso se utilizan acetil-CoA y agua como sustratos. Como resultado, la célula no pierde 2 moléculas de dióxido de carbono como ocurre en el ciclo de Krebs . El ciclo del glioxilato, facilitado por la malato sintasa y la isocitrato liasa, permite que las plantas y bacterias subsistan con acetil-CoA u otros dos compuestos de carbono. Por ejemplo, Euglena gracilis , un alga eucariota unicelular , consume etanol para formar acetil-CoA y posteriormente, carbohidratos . [10] Dentro de las plantas en germinación , el ciclo del glioxilato permite la conversión de lípidos de reserva en carbohidratos dentro de los glioxisomas . [11]
La malato sintasa se encuentra como un octámero de subunidades idénticas (cada una de aproximadamente 60 kDa) en algunas plantas, incluido el maíz. Se encuentra como homotetrámero en el hongo Candida y como homodímero en eubacterias . La malato sintasa se fusiona con el extremo C de la isocitrato liasa en C. elegans , lo que da como resultado una única proteína bifuncional. Si bien actualmente no hay suficiente información de secuencia para determinar la historia evolutiva exacta de la malato sintasa, las secuencias de plantas, hongos y C. elegans son distintas y no muestran homólogos de arqueobacterias . [12]
Tradicionalmente, las malato sintasas se describen en bacterias como parte del ciclo del glioxilato, y la actividad de la malato sintasa no se había informado para una proteína humana antes de un estudio realizado por Strittmatter, et al. En este estudio, se descubrió que CLYBL es una enzima mitocondrial humana con actividad malato sintasa. Se encuentra en múltiples taxones eucariotas y se conserva en bacterias. CLYBL se diferencia de otras malato sintasas en que carece de una gran parte del dominio C-terminal y muestra una actividad y eficiencia específicas más bajas. [13] CLYBL está vinculado a la vía del metabolismo de la vitamina B12 porque se coexpresa fuertemente con MUT, MMAA y MMAB, tres miembros de la vía mitocondrial de B12. [13] Además, un polimorfismo de pérdida de función , que conduce a una pérdida de la proteína CLYBL, se asocia simultáneamente con niveles bajos de B12 en el plasma humano. [13] Si bien no se comprende bien el mecanismo exacto de la participación de CLYBL en el metabolismo de B12, se cree que convierte citramalyl-CoA en piruvato y acetil-CoA. Sin esta conversión, la itaconil-CoA, un precursor del citramalil-CoA, se acumula en la célula y provoca la inactivación de la vitamina B12. Esta inactivación inhibe el ciclo de la metionina, lo que conduce a una reducción del metabolismo de la serina , la glicina , los monocarbonos y el folato . [14] [15]
Debido a que el ciclo del glioxilato ocurre en bacterias y hongos, estudiar los mecanismos de la malato sintasa (así como de la isocitrato liasa) es importante para comprender la patogénesis humana, animal y vegetal . El estudio de la malato sintasa puede arrojar luz sobre las vías metabólicas que permiten a los patógenos sobrevivir dentro de un huésped, así como dilucidar posibles tratamientos. [16] Se han realizado muchos estudios sobre la actividad de la malato sintasa en patógenos, incluidos Mycobacterium tuberculosis , Pseudomonas aeruginosa , Brucella melitensis y Escherichia coli .
La malato sintasa y la vía del glioxilato son especialmente importantes para M. tuberculosis , ya que permiten la persistencia a largo plazo de su infección. [2] Cuando las células de M. tuberculosis se fagocitan , la bacteria regula positivamente los genes que codifican las enzimas de derivación de glioxilato . [17] Mycobacterium tuberculosis es uno de los patógenos mejor estudiados en relación con la enzima malato sintasa. La estructura y cinética de la malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis se han categorizado bien. [18] [2] La malato sintasa es esencial para la supervivencia de Mycobacterium tuberculosis porque permite a la bacteria asimilar acetil-CoA en carbohidratos de cadena larga y sobrevivir en ambientes hostiles. Más allá de esto, la malato sintasa previene la toxicidad por la acumulación de glioxilato producido por la isocitrato liasa . [19] La regulación negativa de la malato sintasa da como resultado una reducción de la tolerancia al estrés, la persistencia y el crecimiento de Mycobacterium tuberculosis dentro de los macrófagos. [20] La enzima puede ser inhibida por moléculas pequeñas (aunque la inhibición depende del microambiente), lo que sugiere que pueden usarse como nuevas quimioterapias. [21]
Pseudomonas aeruginosa causa infecciones graves en humanos y la Organización Mundial de la Salud la considera una amenaza críticadebido a su resistencia a múltiples terapias. La derivación de glioxilato es esencial para el crecimiento de Pseudomonas aeruginosa en un organismo huésped. En 2017, McVey, et al. examinaron la estructura tridimensional de la malato sintasa G de P. aeruginosa . Descubrieron que es un monómero compuesto de cuatro dominios y está altamente conservado en otros patógenos. Además, utilizaron análisis computacional para identificar dos zonas de unión que pueden servir como objetivos farmacológicos. [22]
Brucella melitensis es una bacteria patógena que causa fiebre e inflamación del epidídimo en ovejas y ganado vacuno y puede transmitirse a los humanos mediante el consumo de leche no pasteurizada . La malato sintasa ha sido identificada como un posible factor de virulencia en esta bacteria. En 2016, Adi, et al. Construyeron una estructura cristalizada en 3D de la proteína para identificar dominios catalíticos e investigar posibles inhibidores . Identificaron cinco inhibidores con toxicidad no oral que servían como fármacos contra la bacteria, sugiriendo posibles rutas de tratamiento para la brucelosis . [23]
En Escherichia coli , los genes que codifican las enzimas necesarias para el ciclo del glioxilato se expresan a partir del operón ace policistrónico . Este operón contiene genes que codifican la malato sintasa (aceB), la isocitrato liasa (aceA) y la isocitrato deshidrogenasa quinasa/fosfatasa (aceK). [24]
A principios de 2018, se han resuelto varias estructuras para malato sintasas, incluidas aquellas con códigos de acceso PDB 2GQ3, 1D8C, 3OYX, 3PUG, 5TAO, 5H8M, 2JQX, 1P7T y 1Y8B. [25]
