En enzimología , una malato sintasa ( EC 2.3.3.9) es una enzima que cataliza la reacción química
Los 3 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 , específicamente aciltransferasas que convierten los grupos acilo en grupos alquilo en la transferencia. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA:glioxilato C-acetiltransferasa (hidrolizante de tioésteres, formadora de carboximetilo). Otros nombres de uso común incluyen L-malato glioxilato-liasa (acetilante de CoA), glioxilato transacetilasa, glioxilato transacetasa, transacetasa glioxílica, enzima condensadora de malato, malato sintetasa, sintetasa málica y enzima condensadora 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 barril TIM central intercalado entre un broche alfa-helicoidal N-terminal y un dominio alfa/beta que surge de dos inserciones en la secuencia del barril 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 barril TIM y el tapón C-terminal . [4] Tras la unión, la molécula de acetil-CoA forma una forma de J insertada en el bolsillo de unión, mediante un enlace de hidrógeno intramolecular entre N7 del anillo de adenina y un grupo hidroxilo en la cola de panteteína . [4] Además, un ion magnesio crítico dentro del sitio activo se coordina con glioxilato , ácido glutámico 427, ácido aspártico 455 y dos moléculas de agua. [4] Los aminoácidos que interactúan con 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 una función aparente, no se ve en la isoforma A. [6]
El mecanismo de la malato sintasa es una reacción aldólica seguida de hidrólisis de tioéster . Inicialmente, el aspartato 631 actúa como una base catalítica, abstrayendo un protón del carbono alfa del acetil-CoA y creando un enolato que se estabiliza con arginina 338. [6] Se considera que este es el paso que determina la velocidad del mecanismo. [7] Luego, el enolato recién formado actúa como un nucleófilo que ataca al aldehído del glioxilato , impartiendo una carga negativa en el oxígeno que se estabiliza con arginina 338 y el catión coordinador de magnesio . 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 organismos aeróbicos para producir energía a través de 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 se saltan 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 del acetato o los ácidos grasos en muchos microorganismos. [9] Juntas, estas dos enzimas sirven para producir succinato (que sale del ciclo para ser utilizado en la síntesis de azúcares) y malato (que permanece en el ciclo del glioxilato). Durante este proceso, se utilizan como sustratos acetil-CoA y agua. 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 a las plantas y bacterias subsistir con acetil-CoA u otros compuestos de dos carbonos. 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 un homotetrámero en el hongo Candida y como un homodímero en eubacterias . La malato sintasa se fusiona al 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 las 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 de Strittmatter, et al. En este estudio, se descubrió que CLYBL era una enzima mitocondrial humana con actividad de 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 menores. [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 la vitamina B12, se cree que convierte el citramalil-CoA en piruvato y acetil-CoA. Sin esta conversión, el 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 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 , lo que permite 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 del glioxilato . [17] Mycobacterium tuberculosis es uno de los patógenos más estudiados en relación con la enzima malato sintasa. La estructura y la cinética de la malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis han sido bien categorizadas. [18] [2] La malato sintasa es esencial para la supervivencia de Mycobacterium tuberculosis porque permite que las bacterias asimilen acetil-CoA en carbohidratos de cadena larga y sobrevivan en entornos hostiles. Más allá de esto, la malato sintasa previene la toxicidad de la acumulación de glioxilato producido por la isocitrato liasa . [19] La regulación negativa de la malato sintasa da como resultado una tolerancia al estrés reducida, 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 éstas podrían 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 3D de la malato sintasa G de P. aeruginosa . Descubrieron que es un monómero compuesto por cuatro dominios y que está altamente conservado en otros patógenos. Además, utilizaron análisis computacionales para identificar dos bolsillos 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 y puede transmitirse a los humanos a través del consumo de leche no pasteurizada . La malato sintasa se ha identificado como un factor de virulencia potencial en esta bacteria. En 2016, Adi, et al. construyeron una estructura cristalizada en 3D de la proteína para identificar dominios catalíticos e investigar inhibidores potenciales . Identificaron cinco inhibidores con toxicidad no oral que sirvieron como medicamentos contra la bacteria, lo que sugiere 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 policistrónico ace . 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 las sintasas de malato, incluidas aquellas con códigos de acceso PDB 2GQ3, 1D8C, 3OYX, 3PUG, 5TAO, 5H8M, 2JQX, 1P7T y 1Y8B. [25]
