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Deshidratasa del ácido delta-aminolevulínico

La porfobilinógeno sintasa ( o ALA deshidratasa o aminolevulinato deshidratasa ) es una enzima ( EC 4.2.1.24) que en los seres humanos está codificada por el gen ALAD . [5] [6] La porfobilinógeno sintasa (o ALA deshidratasa o aminolevulinato deshidratasa ) sintetiza porfobilinógeno a través de la condensación asimétrica de dos moléculas de ácido aminolevulínico . Todos los tetrapirroles naturales , incluidos los hemo , las clorofilas y la vitamina B 12 , comparten el porfobilinógeno como precursor común. La porfobilinógeno sintasa es el prototipo de la morfeína . [7]

Función

Cataliza la siguiente reacción, segundo paso de la biosíntesis de la porfirina :

2 Porfobilinógeno del ácido 5-aminolevulínico + 2 H 2 O

Por lo tanto, cataliza la condensación de 2 moléculas de 5-aminolevulinato para formar porfobilinógeno (un precursor del hemo , los citocromos y otras hemoproteínas). Esta reacción es el primer paso común en la biosíntesis de todos los tetrapirroles biológicos. El zinc es esencial para la actividad enzimática.

Estructura

La base estructural de la regulación alostérica de la porfobilinógeno sintasa (PBGS) es la modulación de un equilibrio estructural cuaternario entre el octámero y el hexámero (a través de dímeros), que se representa esquemáticamente como 6mer* ↔ 2mer* ↔ 2mer ↔ 8mer. El * representa una reorientación entre dos dominios de cada subunidad que ocurre en el estado disociado porque está prohibido estéricamente en los multímeros más grandes. [7]

El equilibrio de la estructura cuaternaria de PBGS incluye un hexámero inactivo (PDB id 1PV8) que no tiene interacciones de subunidades necesarias para una tapa de sitio activo ordenada. La disociación al dímero pro-hexámero puede ser seguida por un cambio conformacional que reorienta los dos dominios de barril αβ para formar el dímero pro-octámero. La asociación del dímero pro-octámero al octámero (PDB id 1E51) incluye la formación de interfaces de subunidades que sustentan el orden en la tapa del sitio activo.

La PBGS está codificada por un único gen y cada multímero de PBGS está compuesto por múltiples copias de la misma proteína. Cada subunidad de PBGS consta de un dominio de barril αβ de ~300 residuos , que alberga el sitio activo de la enzima en su centro, y un dominio de brazo N-terminal de >25 residuos. La regulación alostérica de PBGS se puede describir en términos de la orientación del dominio de barril αβ con respecto al dominio de brazo N-terminal.

Cada brazo N -terminal tiene hasta dos interacciones con otras subunidades en un multímero PBGS. Una de estas interacciones ayuda a estabilizar una conformación "cerrada" de la tapa del sitio activo. La otra interacción restringe el acceso del solvente desde el otro extremo del barril αβ.

En el estado multimérico inactivo, el dominio del brazo N-terminal no está involucrado en la interacción estabilizadora de la tapa y, en la estructura cristalina del ensamblaje inactivo, la tapa del sitio activo está desordenada.

Reguladores alostéricos

Como enzima casi universal con un sitio activo altamente conservado, la PBGS no sería un objetivo primordial para el desarrollo de antimicrobianos y/o herbicidas . Por el contrario, los sitios alostéricos pueden ser mucho más variables filogenéticamente que los sitios activos, lo que presenta más oportunidades para el desarrollo de fármacos. [7]

La variación filogenética en la alostérica de PBGS conduce a enmarcar la discusión de la regulación alostérica de PBGS en términos de factores intrínsecos y extrínsecos.

Reguladores alostéricos intrínsecos

Magnesio

El ion magnesio alostérico se encuentra en la interfase altamente hidratada de dos dímeros de prooctámeros. Parece ser fácilmente disociable y se ha demostrado que los hexámeros se acumulan cuando se elimina el magnesio in vitro . [8]

pH

Aunque no es común considerar a los iones hidronio como reguladores alostéricos, en el caso de PBGS, se ha demostrado que la protonación de la cadena lateral en ubicaciones distintas del sitio activo afecta el equilibrio de la estructura cuaternaria y, por lo tanto, también afecta la velocidad de su reacción catalizada.

Reguladores alostéricos extrínsecos

Estabilización de hexámeros de moléculas pequeñas

La inspección del 6mer* del PBGS revela una cavidad superficial que no está presente en el 8mer. Se ha propuesto que la unión de moléculas pequeñas a esta cavidad filogenéticamente variable estabiliza el 6mer* del PBGS objetivo y, en consecuencia, inhibe la actividad.

Estos reguladores alostéricos se conocen como morphlocks porque bloquean PBGS en una forma de morfeína específica (6mer*). [9]

Saturnismo

ALAD envenenado por iones de plomo gris

La actividad enzimática de ALAD es inhibida por el plomo , comenzando en niveles de plomo en sangre que alguna vez se consideraron seguros (<10 μg/dL) y continuando con una correlación negativa en el rango de 5 a 95 μg/dL. [10] La inhibición de ALAD por plomo conduce a anemia principalmente porque inhibe la síntesis de hemo y acorta la vida útil de los glóbulos rojos circulantes , pero también al estimular la producción excesiva de la hormona eritropoyetina , lo que lleva a una maduración inadecuada de los glóbulos rojos de sus progenitores. Un defecto en el gen estructural ALAD puede causar una mayor sensibilidad al envenenamiento por plomo y a la porfiria hepática aguda . Se han identificado variantes de transcripción empalmadas alternativamente que codifican diferentes isoformas. [11]

Deficiencia

Una deficiencia de la porfobilinógeno sintasa generalmente es adquirida (en lugar de hereditaria) y puede ser causada por intoxicación por metales pesados , especialmente plomo , ya que la enzima es muy susceptible a la inhibición por metales pesados. [12]

La insuficiencia hereditaria de la porfobilinógeno sintasa se denomina porfiria por deficiencia de porfobilinógeno sintasa (o ALA deshidratasa) . Es una causa extremadamente rara de porfiria , [13] con menos de 10 casos reportados. [14] Todas las variantes de proteína asociadas a la enfermedad favorecen la formación de hexámeros en relación con la enzima humana de tipo salvaje. [13]

PBGS como prototipo de morfeína

El modelo de morfeína de alosterio ejemplificado por PBGS agrega una capa adicional de comprensión a los mecanismos potenciales para la regulación de la función de las proteínas y complementa el enfoque creciente que la comunidad científica de proteínas está poniendo en la dinámica de la estructura de las proteínas. [7]

Este modelo ilustra cómo se puede aprovechar la dinámica de fenómenos como conformaciones proteicas alternativas, estados oligoméricos alternativos e interacciones proteína-proteína transitorias para la regulación alostérica de la actividad catalítica.

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000148218 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000028393 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia de PubMed sobre ratón". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  5. ^ Eiberg H, Mohr J, Nielsen LS (febrero de 1983). "delta-aminolevulinatehidrasa: sintenia con ABO-AK1-ORM (y asignación al cromosoma 9)". Genética Clínica . 23 (2): 150–4. doi :10.1111/j.1399-0004.1983.tb01864.x. PMID  6839527. S2CID  27267679.
  6. ^ Beaumont C, Foubert C, Grandchamp B, Weil D, Gross MS, Nordmann Y (mayo de 1984). "Asignación del gen humano de la delta aminolevulinato deshidrasa al cromosoma 9 mediante hibridación de células somáticas e inmunoensayo enzimático específico". Anales de genética humana . 48 (2): 153–9. doi :10.1111/j.1469-1809.1984.tb01010.x. PMID  6378062. S2CID  24098976.
  7. ^ abcd Jaffe EK, Lawrence SH (marzo de 2012). "Alosterio y oligomerización dinámica de la porfobilinógeno sintasa". Archivos de bioquímica y biofísica . 519 (2): 144–53. doi :10.1016/j.abb.2011.10.010. PMC 3291741. PMID 22037356  . 
  8. ^ Breinig S, Kervinen J, Stith L, Wasson AS, Fairman R, Wlodawer A, et al. (septiembre de 2003). "Control de la biosíntesis de tetrapirrol por formas cuaternarias alternativas de la porfobilinógeno sintasa". Nature Structural Biology . 10 (9): 757–63. doi :10.1038/nsb963. PMID  12897770. S2CID  24188785.
  9. ^ Lawrence SH, Jaffe EK (2008). "Expansión de los conceptos en las relaciones estructura-función de las proteínas y la cinética enzimática: enseñanza mediante morfeínas". Educación en bioquímica y biología molecular . 36 (4): 274–283. doi :10.1002/bmb.20211. PMC 2575429 . PMID  19578473. 
  10. ^ Abadin H, Ashizawa A, Stevens YW, Llados F, Diamond G, Sage G, Citra M, Quinones A, Bosch SJ, Swarts SG (agosto de 2007). Perfil toxicológico del plomo (PDF) . Atlanta, GA: Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades (EE. UU.). págs. 22, 30. PMID  24049859. Consultado el 22 de noviembre de 2015 .
  11. ^ "Entrez Gene: ALAD aminolevulinato, delta-, deshidratasa".
  12. ^ Reacción de la ALA deshidratasa, de NetBiochem en la Universidad de Utah. Última modificación: 5/1/95
  13. ^ ab Jaffe EK, Stith L (febrero de 2007). "La porfiria ALAD es una enfermedad conformacional". American Journal of Human Genetics . 80 (2): 329–37. doi :10.1086/511444. PMC 1785348 . PMID  17236137. 
  14. ^ Descripción general de las porfirias Archivado el 22 de julio de 2011 en Wayback Machine en The Porphyrias Consortium (una parte de la Red de investigación clínica de enfermedades raras (RDCRN) del NIH) Consultado en junio de 2011

Enlaces externos

Lectura adicional