La orotidina 5'-fosfato descarboxilasa ( OMP descarboxilasa ) u orotidilato descarboxilasa es una enzima implicada en la biosíntesis de pirimidina . Cataliza la descarboxilación de orotidina monofosfato (OMP) para formar uridina monofosfato (UMP). La función de esta enzima es esencial para la biosíntesis de novo de los nucleótidos de pirimidina uridina trifosfato , citidina trifosfato y timidina trifosfato . La OMP descarboxilasa ha sido un objetivo frecuente de la investigación científica debido a su demostrada eficiencia catalítica extrema y su utilidad como marcador de selección para la ingeniería de cepas de levadura .
La OMP descarboxilasa es conocida por ser un catalizador extraordinariamente eficiente capaz de acelerar la velocidad de reacción no catalizada por un factor de 10 17 . Para poner esto en perspectiva, la reacción no catalizada que tardaría 78 millones de años en convertir la mitad de los reactivos en productos se acelera a 18 milisegundos cuando es catalizada por la OMP descarboxilasa. [2] Esta eficiencia enzimática extrema es especialmente interesante porque las OMP descarboxilasas no utilizan cofactores y no contienen sitios metálicos [3] o grupos prostéticos. [4] La catálisis se basa en un puñado de residuos de aminoácidos cargados ubicados dentro del sitio activo de la enzima.
El mecanismo exacto por el cual la OMP descarboxilasa cataliza su reacción ha sido objeto de una rigurosa investigación científica. La fuerza impulsora de la pérdida del carboxilo unido al C6 del anillo de pirimidina proviene de la proximidad de un grupo carboxilo de residuo de aspartato en el sitio activo de la enzima, que desestabiliza el estado fundamental en relación con el estado de transición de la reacción no catalizada. Se han formulado múltiples hipótesis sobre la forma que adopta el estado de transición antes de que se produzca la protonación del carbono C6 para obtener el producto final. Muchos estudios investigaron la unión de un potente inhibidor de la OMP descarboxilasa, el 6-hidroxiuridina monofosfato (BMP, un derivado del ácido barbitúrico ), dentro del sitio activo, para identificar qué residuos de aminoácidos esenciales están directamente implicados en la estabilización del estado de transición. (Véase la figura de la enzima unida a BMP) Se han propuesto varios mecanismos para la descarboxilación enzimática de OMP, incluyendo la protonación en O2 para formar una especie zwitteriónica como intermediario, [6] la estabilización aniónica de O4, [7] o el ataque nucleofílico en C5. [8] El consenso actual sugiere que el mecanismo procede a través de un carbanión estabilizado en el C6 después de la pérdida de dióxido de carbono. Este mecanismo fue sugerido a partir de estudios que investigan los efectos isotópicos cinéticos junto con la inhibición competitiva y la mutagénesis del sitio activo. [9] [10] [11] [12] En este mecanismo la especie de carbanión de vida corta es estabilizada por un residuo de lisina cercano, antes de ser extinguida por un protón. (Véase el esquema del mecanismo catalítico) La intermediación de un carbanión de vinilo altamente básico que no se beneficia de la estabilización electrónica es rara en un sistema enzimático y en sistemas biológicos en general. Notablemente, el microambiente enzimático ayuda a estabilizar el carbanión considerablemente. Se midió que el p K aH del intermedio carbaniónico unido a la enzima era menor o igual a 22 según estudios de intercambio de deuterio. Si bien sigue siendo muy básico, se estima que el p K aH correspondiente del intermedio carbaniónico libre es mucho más alto, alrededor de 30-34 (según mediciones en el análogo 1,3-dimetil uracilo ), lo que lleva a la conclusión de que la enzima estabiliza el carbanión en al menos 14 kcal/mol. [12]
En levaduras y bacterias , la OMP descarboxilasa es una enzima de función única. Sin embargo, en mamíferos , la OMP descarboxilasa es parte de una proteína única con dos actividades catalíticas. Esta enzima bifuncional se denomina UMP sintasa y también cataliza la reacción precedente en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina, la transferencia de ribosa 5-fosfato de 5-fosforribosil-1-pirofosfato a orotato para formar OMP. En organismos que utilizan OMP descarboxilasa, esta reacción es catalizada por la orotato fosforribosiltransferasa . [14]
Las mutaciones en el gen que codifica la descarboxilasa de OMP en levaduras ( URA3 ) provocan auxotrofia en uracilo. Además, una función de la descarboxilasa de OMP hace que las cepas de levadura sean sensibles a la molécula de ácido 5-fluoroorótico (5-FOA). [15] El establecimiento del gen URA3 como marcador de selección con estrategias de selección tanto positivas como negativas ha hecho que la expresión controlada de la descarboxilasa de OMP sea una herramienta de laboratorio importante para la investigación de la genética de las levaduras.
