El fosfato de piridoxal ( PLP , piridoxal 5'- fosfato , P5P ), la forma activa de la vitamina B 6 , es una coenzima en una variedad de reacciones enzimáticas . La Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ha catalogado más de 140 actividades dependientes de PLP, lo que corresponde a ~4% de todas las actividades clasificadas. [5] La versatilidad del PLP surge de su capacidad para unirse covalentemente al sustrato y luego actuar como un catalizador electrófilo, estabilizando así diferentes tipos de intermediarios de reacción carbaniónica.
El PLP actúa como coenzima en todas las reacciones de transaminación y en ciertas reacciones de descarboxilación , desaminación y racemización de aminoácidos . [6] El grupo aldehído del PLP forma un enlace de base de Schiff ( aldimina interna ) con el grupo ε-amino de un grupo lisina específico de la enzima aminotransferasa . El grupo α-amino del sustrato aminoácido desplaza al grupo ε-amino del residuo de lisina del sitio activo en un proceso conocido como transaldiminación. La aldimina externa resultante puede perder un protón, dióxido de carbono o una cadena lateral de un aminoácido para convertirse en un quinonoide intermedio, que a su vez puede actuar como nucleófilo en varias vías de reacción.
En la transaminación, después de la desprotonación, el intermediario quinonoide acepta un protón en una posición diferente para convertirse en cetimina . La cetimina resultante se hidroliza de modo que el grupo amino permanece en el complejo. [7] Además, el PLP es utilizado por aminotransferasas (o transaminasas) que actúan sobre azúcares inusuales como la perosamina y la desosamina . [8] En estas reacciones, el PLP reacciona con el glutamato , que transfiere su grupo alfa-amino al PLP para producir fosfato de piridoxamina (PMP). Luego, el PMP transfiere su nitrógeno al azúcar, formando un aminoazúcar .
El PLP también participa en varias reacciones de eliminación beta, como las reacciones llevadas a cabo por la serina deshidratasa y la GDP-4-ceto-6-desoximanosa-3-deshidratasa (ColD) . [8]
También es activo en la reacción de condensación en la síntesis de hemo .
El PLP desempeña un papel en la conversión de levodopa en dopamina , facilita la conversión del neurotransmisor excitador glutamato en el neurotransmisor inhibidor GABA y permite que SAM se descarboxile para formar propilamina , que es un precursor de las poliaminas.
El fosfato de piridoxal tiene numerosas funciones en el cuerpo humano. Algunos ejemplos a continuación:
El PLP también se encuentra en la glucógeno fosforilasa en el hígado, donde se usa para descomponer el glucógeno en la glucogenólisis cuando el glucagón o la epinefrina le indican que lo haga. Sin embargo, esta enzima no explota el grupo aldehído reactivo, sino que utiliza el grupo fosfato del PLP para realizar su reacción.
Aunque la gran mayoría de las enzimas dependientes de PLP forman una aldimina interna con PLP a través de un residuo de lisina en el sitio activo, algunas enzimas dependientes de PLP no tienen este residuo de lisina, sino que tienen una histidina en el sitio activo. En tal caso, la histidina no puede formar la aldimina interna y, por lo tanto, el cofactor no queda unido covalentemente a la enzima. La GDP-4-ceto-6-desoximanosa-3-deshidratasa (ColD) es un ejemplo de dicha enzima. [11] La serina hidroximetiltransferasa 2 humana regula las reacciones de transferencia de un carbono necesarias para el metabolismo de aminoácidos y nucleótidos, y existe en formas diméricas y tetraméricas. La variante dimérica SHMT2 es un potente inhibidor del complejo enzimático deubiquitilasa BRISC, que regula la señalización celular de base inmunitaria. Estudios recientes muestran que la tetramerización de SJMT2 es inducida por PLP. Esto previene la interacción con el complejo deubiqutilasa BRISC, lo que potencialmente vincula los niveles de vitamina B6 y el metabolismo con la inflamación. [12]
Las enzimas dependientes de piridoxal-5′-fosfato (enzimas PLP) catalizan innumerables reacciones. Aunque el alcance de las reacciones catalizadas por PLP parece ser inmenso, el principio unificador es la formación de una aldimina interna derivada de lisina. Una vez que el sustrato amino interactúa con el sitio activo, se genera una nueva base de Schiff, comúnmente denominada aldimina externa. Después de este paso, la vía para cada reacción catalizada por PLP diverge. [13]
La especificidad la confiere el hecho de que, de los cuatro enlaces del carbono alfa del aminoácido en estado aldimina, el enlace perpendicular al anillo de piridina se romperá ( Hipótesis estereoelectrónica de Dunathan ). [14] [15] En consecuencia, la especificidad está dictada por cómo las enzimas se unen a sus sustratos. Un papel adicional en la especificidad lo desempeña la facilidad de protonación del nitrógeno del anillo de piridina . [dieciséis]
El PLP se retiene en el sitio activo no sólo gracias a la lisina, sino también gracias a la interacción del grupo fosfato y una bolsa de unión de fosfato y, en menor medida, gracias al apilamiento de bases del anillo de piridina con un residuo aromático colgante, generalmente tirosina. (que también puede participar en la catálisis ácido-base). A pesar de los requisitos limitados para un bolsillo de unión de PLP, las enzimas PLP pertenecen sólo a cinco familias diferentes. Estas familias no se correlacionan bien con un tipo particular de reacción. Las cinco familias se clasifican como tipos de pliegues seguidos de un número romano. [14]
Los animales son auxótrofos para este cofactor enzimático y requieren que se complemente con él o con un intermedio, de ahí su clasificación como vitamina B6 , a diferencia del MoCo o la CoQ10, por ejemplo. El PLP se sintetiza a partir de piridoxal mediante la enzima piridoxal quinasa , requiriendo una molécula de ATP. El PLP se metaboliza en el hígado.
Actualmente se conocen dos vías naturales para el PLP: una requiere desoxixilulosa 5-fosfato (DXP), mientras que la otra no, por lo que se las conoce como dependientes de DXP e independientes de DXP. Estas vías se han estudiado ampliamente en Escherichia coli y Bacillus subtilis , respectivamente. A pesar de la disparidad en los compuestos de partida y el diferente número de pasos necesarios, las dos vías poseen muchos puntos en común. [17]
La ruta biosintética dependiente de DXP requiere varios pasos y una convergencia de dos ramas, una que produce 3-hidroxi-1-aminoacetona fosfato a partir de eritrosa 4-fosfato , mientras que la otra (una sola enzima) produce desoxixilulosa 5-fosfato (DXP) a partir de gliceraldehído 3. -fosfato (GAP) y piruvato . El producto de condensación del fosfato de 3-hidroxi-1-aminoacetona y el 5-fosfato de desoxixilulosa es el 5'-fosfato de piridoxina. La condensación es catalizada por la PNP sintasa , codificada por pdxJ , que crea PNP (piridoxina 5' fosfato). [18] La enzima final es la PNP oxidasa ( pdxH ), que cataliza la oxidación del grupo 4' hidroxilo a un aldehído utilizando dioxígeno, lo que da como resultado peróxido de hidrógeno.
La primera rama está catalizada en E. coli por enzimas codificadas por epd , pdxB , serC y pdxA . Estos comparten similitudes mecánicas y homología con las tres enzimas en la biosíntesis de serina ( serA (homólogo de pdxB ), serC , serB ; sin embargo, epd es un homólogo de gap ), lo que apunta hacia un origen evolutivo compartido de las dos vías. [19] En varias especies existen dos homólogos del gen serC de E. coli , generalmente uno en un operón ser ( serC ) y el otro en un operón pdx, en cuyo caso se denomina pdxF .
Se encontró una "vía fortuita" en una biblioteca de sobreexpresión que podría suprimir la auxotrofia causada por la eliminación de pdxB (que codifica la eritronato 4 fosfato deshidrogenasa) en E. coli . La vía fortuita fue muy ineficaz, pero fue posible gracias a la actividad promiscua de varias enzimas. Comenzó con 3-fosfohidroxipiruvato (el producto de la enzima codificada por serA en la biosíntesis de serina) y no requirió eritronato-4-fosfato. El 3PHP se desfosforiló, lo que dio como resultado un intermedio inestable que se descarboxila espontáneamente (de ahí la presencia del fosfato en la vía biosintética de la serina) a glicaldehído. El glicaldehído se condensó con glicina y el producto fosforilado fue 4-fosfohidroxitreonina (4PHT), el subestado canónico de la 4-PHT deshidrogenasa ( pdxA ). [20]
La ruta biosintética de PLP independiente de DXP consiste en un paso catalizado por PLP-sintasa, una enzima compuesta por dos subunidades. PdxS cataliza la condensación de ribulosa 5-fosfato, gliceraldehído-3-fosfato y amoníaco ; esta última molécula es producida por PdxT que cataliza la producción de amoníaco a partir de glutamina . PdxS es un barril (β/α)8 (también conocido como barril TIM) que forma un dodecámero. [21]
La utilización generalizada del PLP en el metabolismo central, especialmente en la biosíntesis de aminoácidos, y su actividad en ausencia de enzimas, sugiere que el PLP puede ser un compuesto "prebiótico", es decir, anterior al origen de la vida orgánica (que no debe confundirse con con compuestos prebióticos , sustancias que sirven como fuente de alimento para las bacterias beneficiosas). [22] De hecho, al calentar NH3 y glicolardehído se forma espontáneamente una variedad de piridinas, incluido el piridoxal. [22] Bajo ciertas condiciones, el PLP se forma a partir de cianoacetileno, diacetileno, monóxido de carbono, hidrógeno, agua y ácido fosfórico. [23]
Se conocen varios inhibidores de las enzimas PLP.
Un tipo de inhibidor forma un electrófilo con PLP, lo que hace que reaccione irreversiblemente con el sitio activo lisina. Tales inhibidores son compuestos acetilénicos (por ejemplo, propargilglicina) y compuestos vinílicos (por ejemplo, vinilglicina). Un tipo diferente de inhibidor inactiva el PLP, y tales son los análogos de los sustratos α-metilo y aminooxi (por ejemplo, α-metilglutamato). Otros inhibidores tienen buenos grupos salientes que atacan nucleófilamente al PLP. Tal es la cloroalanina , que inhibe una gran cantidad de enzimas. [14]
Ejemplos de inhibidores:
Las enzimas dependientes de piridoxal-5-fosfato (vitamina B6) tienen múltiples orígenes evolutivos. Las enzimas B6 en general divergieron en cuatro líneas evolutivas independientes: familia α (es decir, aspartato aminotransferasa ), familia β ( serina deshidratasa ), familia de D- alanina aminotransferasa y familia de alanina racemasa . Un ejemplo de similitud evolutiva en la familia Beta se ve en el mecanismo. Todas las enzimas β son liasas y catalizan reacciones en las que participan Cα y Cβ. En general, en las enzimas dependientes de PLP , el PLP está unido en todos los casos de forma covalente mediante un enlace imino al grupo amino en el sitio activo. [28]