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Sintetasa de metionina

La metionina sintasa ( MS , MeSe , MTR ) es la principal responsable de la regeneración de metionina a partir de homocisteína en la mayoría de los individuos. En los humanos está codificada por el gen MTR (5-metiltetrahidrofolato-homocisteína metiltransferasa). [5] [6] La metionina sintasa forma parte del ciclo de biosíntesis y regeneración de S-adenosilmetionina (SAMe) , [7] y es la enzima responsable de vincular el ciclo al metabolismo de un carbono a través del ciclo del folato . Hay dos formas principales de esta enzima, la forma dependiente de la vitamina B 12 (cobalamina) (MetH) y la forma independiente (MetE), [8] aunque también se han descrito metionina sintasas de núcleo mínimo que no encajan claramente en ninguna de las categorías en algunas bacterias anaeróbicas . [9] Las dos formas dominantes de las enzimas parecen ser independientes evolutivamente y dependen de mecanismos químicos considerablemente diferentes. [10] Los mamíferos y otros eucariotas superiores expresan únicamente la forma dependiente de la cobalamina. En cambio, la distribución de las dos formas en Archaeplastida ( plantas y algas ) es más compleja. Las plantas poseen exclusivamente la forma independiente de la cobalamina, [11] mientras que las algas tienen una de las dos, dependiendo de la especie. [12] Muchos microorganismos diferentes expresan tanto la forma dependiente de la cobalamina como la forma independiente de la cobalamina. [13]

Mecanismo

La reacción catalizada por la metionina sintasa (haga clic para ampliar)

La metionina sintasa cataliza el paso final en la regeneración de metionina (Met) a partir de homocisteína (Hcy). Tanto la forma dependiente de cobalamina como la forma independiente de cobalamina de la enzima llevan a cabo la misma reacción química general, la transferencia de un grupo metilo del 5-metiltetrahidrofolato (N 5 -MeTHF) a la homocisteína, produciendo tetrahidrofolato (THF) y metionina. [8] La metionina sintasa es la única enzima de mamíferos que metaboliza N 5 -MeTHF para regenerar el cofactor activo THF. En la forma dependiente de cobalamina (MetH) de la enzima, la reacción se produce en dos pasos en un mecanismo secuencial ordenado preferido. [14] Se cree que el estado de reposo fisiológico de la enzima contiene el cofactor unido a la enzima (Cob) en la forma de metilcobalamina, con el átomo de cobalto en el estado de valencia formal +3 (Cob(III)-Me). La cobalamina es luego desmetilada por homocisteína tiolato activada con zinc , lo que genera metionina y reduce el cofactor a un estado Cob(I). Cuando está en la forma Cob(I), el cofactor unido a la enzima ahora puede abstraer un grupo metilo del 5-metiltetrahidrofolato activado (N 5 -MeTHF), lo que produce tetrahidrofolato (THF) y regenera la forma metilcoalamina de la enzima. [15]

Vía depuradora de la metionina sintasa reductasa para recuperar la metionina sintasa inactivada

En condiciones fisiológicas, aproximadamente una vez cada 2000 rotaciones catalíticas, el Co(I) puede oxidarse a Co(II) inactivo en MetH dependiente de cob. Para explicar este efecto, la proteína contiene un mecanismo de autorreactivación, un proceso de metilación reductiva que utiliza S-adenosilmetionina como un donante de metilo distinto. En los humanos, la enzima se reduce en este proceso por la metionina sintasa reductasa (MTRR), que consta de dominios similares a la flavodoxina y similares a la ferrodoxina-NADP+ oxidorreductasa (FNR). [16] En muchas bacterias, la reducción la lleva a cabo una proteína flavodoxina de dominio único. [17] La ​​proteína reductasa es responsable de la transferencia de un electrón desde un cofactor FMN reducido al Cob(II) inactivo, lo que permite la regeneración de la enzima metilcobalamina activa a través de la transferencia de metilo desde la S-adenosilmetionina al intermediario Cob(I) reducido. [18] Este proceso se conoce como ciclo de reactivación y se cree que está separado del ciclo catalítico normal por reordenamientos conformacionales a gran escala dentro de la enzima. [19] Debido a que la oxidación de Cob(I) inevitablemente detiene la actividad de la metionina sintasa dependiente de cob, los defectos o deficiencias en la metionina sintasa reductasa se han implicado en algunas de las asociaciones de enfermedades para la deficiencia de metionina sintasa. [20]

El mecanismo de la forma independiente de la cobalamina (MetE), por el contrario, procede a través de una transferencia directa de metilo desde el N 5 -MeTHF activado a la homocisteína tiolato de cinc. Aunque el mecanismo es considerablemente más simple, la reacción de transferencia directa es mucho menos favorable que las reacciones mediadas por la cobalamina y, como resultado, la tasa de recambio de MetE es aproximadamente 100 veces más lenta que la de MetH. Como no contiene el cofactor cobalamina, la enzima independiente de la cobalamina no es propensa a la inactivación oxidativa [21] [8] [22] [23]

Estructura

Dominio de unión de homocisteína en la metionina sintetasa. His 618, Cys 620 y Cys 704 se unen a Zn (púrpura), que se une a la homocisteína (roja).

Se han resuelto estructuras de alta resolución mediante cristalografía de rayos X para MetE intacta tanto en ausencia como en presencia de sustratos [23] [22] y para fragmentos de MetH, [24] [25] [26] [27] aunque no existe una descripción estructural de una enzima MetH completamente intacta. Las estructuras disponibles y el análisis bioinformático que las acompaña indican una similitud mínima en la estructura general, aunque existen similitudes dentro de los propios sitios de unión del sustrato. [28] La MetH dependiente de Cob se divide en 4 dominios separados. Los dominios, desde el extremo N al C, se denominan unión de homocisteína (dominio Hcy), unión de N 5 -metilTHF (dominio MTHF), unión de cobalamina (dominio Cob) y el dominio de unión o reactivación de S-adenosimetionina. El dominio de reactivación se une a SAM y es el sitio de interacción con flavodoxina o metionina sintasa reductasa durante el ciclo de reactivación de la enzima. [17] [16] [20] El dominio de unión a la cobalamina contiene dos subdominios, con el cofactor unido al subdominio de unión B 12 del pliegue de Rossman , que a su vez está cubierto por el otro subdominio, el subdominio de tapa del haz de cuatro hélices. [25] El haz de cuatro hélices sirve para proteger al cofactor de la cobalamina de una reactividad no deseada, pero puede cambiar significativamente las conformaciones para exponer el cofactor y permitirle el acceso a los otros sustratos durante el recambio. [26] Tanto el dominio Hcy como el N 5 -MeTHF adoptan una arquitectura de barril TIM ; el dominio Hcy contiene el sitio de unión de zinc, que en MetH consta de tres residuos de cisteína coordinados a un ion de zinc que a su vez se une y activa a Hcy. El dominio de unión N 5 -MeTHF se une y activa N 5 -MeTHF a través de una red de enlaces de hidrógeno con varios residuos de asparagina , arginina y ácido aspártico . Durante el recambio, la enzima sufre cambios conformacionales significativos que implican mover el dominio Cob de un lado a otro desde el dominio Hcy al dominio N 5 -MeTHF para que se lleven a cabo las dos reacciones de transferencia de metilo. [24]

La MetE independiente de cob consta de dos dominios de barril TIM que se unen a la homocisteína y al N 5 -MeTHF individualmente. Los dos dominios adoptan una arquitectura de doble barril cara a cara, que requiere un "cierre" de la estructura tras la unión de ambos sustratos para permitir la transferencia directa de metilo. [22] Las estrategias de unión al sustrato son similares a las de MetH, aunque en el caso de MetE el átomo de zinc está coordinado a dos cisteínas, una histidina y un glutamato , [23] para lo cual se muestra un ejemplo a la derecha.

Función bioquímica

La metionina sintasa es la enzima 4

En los seres humanos, el propósito principal de la enzima es regenerar Met en el ciclo de S-adenosilmetionina (SAM). El ciclo SAM en una sola rotación consume Met y ATP y genera Hcy, y puede involucrar cualquiera de una serie de reacciones enzimáticas críticas que utilizan S-adenosilmetionina como fuente de un grupo metilo activo para la metilación de ácidos nucleicos , histonas , fosfolípidos y varias proteínas . [29] [30] Como tal, la metionina sintasa cumple una función esencial al permitir que el ciclo SAM se perpetúe sin un influjo constante de Met. Como efecto secundario, la metionina sintasa también sirve para mantener niveles bajos de Hcy y, debido a que la metionina sintasa es una de las pocas enzimas que usa N 5 -MeTHF como sustrato, para mantener indirectamente los niveles de THF. [31] [32]

En bacterias y plantas, la metionina sintasa cumple un doble propósito: perpetuar el ciclo SAM y catalizar el paso sintético final en la síntesis de novo de Met, que es uno de los 20 aminoácidos canónicos . [33] [11] Si bien la reacción química es exactamente la misma para ambos procesos, la función general es distinta de la de la metionina sintasa en humanos porque Met es un aminoácido esencial que no se sintetiza de novo en el cuerpo. [34]

Importancia clínica

Las mutaciones en el gen MTR se han identificado como la causa subyacente de la deficiencia de metilcobalamina del grupo G de complementación, o deficiencia de metilcobalamina tipo cblG. [5] La deficiencia o desregulación de la enzima debido a una deficiencia de metionina sintasa reductasa puede resultar directamente en niveles elevados de homocisteína ( hiperhomocisteinemia ), que se asocia con ceguera, síntomas neurológicos y defectos de nacimiento. [35] [36] Las deficiencias de metionina sintasa reductasa (MTRR) o metilen-tetrahidrofolato reductasa (MTHFR) también pueden resultar en la afección. La mayoría de los casos de deficiencia de metionina sintasa son sintomáticos dentro de los 2 años del nacimiento y muchos pacientes desarrollan rápidamente encefalopatía grave . [37] Una consecuencia de la actividad reducida de la metionina sintasa que se puede medir mediante análisis de sangre clínicos de rutina es la anemia megaloblástica .

Genética

Se han identificado varios polimorfismos asociados a cblG en el gen MTR. [38]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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