La fosfopentosa epimerasa (también conocida como ribulosa-fosfato 3-epimerasa y ribulosa 5-fosfato 3-epimerasa , EC 5.1.3.1) codificada en humanos por el gen RPE [1] es una metaloproteína que cataliza la interconversión entre D-ribulosa 5-fosfato y D-xilulosa 5-fosfato. [2]
Esta conversión reversible es necesaria para la fijación de carbono en las plantas (a través del ciclo de Calvin ) y para la fase no oxidativa de la vía de las pentosas fosfato . [3] [4] Esta enzima también ha sido implicada en interconversiones adicionales de pentosas y glucuronatos.
En Cupriavidus metallidurans se conocen dos copias del gen que codifica PPE, [5] una está codificada cromosómicamente como P40117 , la otra está en un plásmido Q04539 . Se han encontrado EPI en una amplia gama de bacterias, arqueobacterias, hongos y plantas. Todas las proteínas tienen de 209 a 241 residuos de aminoácidos. La enzima tiene una estructura de barril TIM .
El nombre sistemático de esta clase de enzimas es D-ribulosa-5-fosfato 3-epimerasa. Otros nombres de uso común incluyen
Esta enzima participa en 3 vías metabólicas : vía de las pentosas fosfato , interconversiones de pentosas y glucuronatos y fijación de carbono .
La proteína humana que contiene este dominio es el RPE (gen) .
La fosfopentosa epimerasa pertenece a dos familias de proteínas de jerarquía creciente. Esta enzima pertenece a la familia de las isomerasas , concretamente a aquellas racemasas y epimerasas que actúan sobre los carbohidratos y sus derivados. [2] Además, la base de datos de Clasificación Estructural de Proteínas ha definido la superfamilia de “unión de ribulosa fosfato” de la que esta epimerasa es miembro. [2] Otras proteínas incluidas en esta superfamilia son la 5'-monofosfato descarboxilasa (OMPDC) y la 3-ceto-l-gulonato 6-fosfato descarboxilasa (KGPDC).
A finales de 2007, se han resuelto cuatro estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso de PDB 1H1Y, 1H1Z, 1RPX y 1TQJ.
Los estudios cristalográficos han ayudado a dilucidar la estructura de la apoenzima de la fosfopentosa epimerasa. Los resultados de estos estudios han demostrado que esta enzima existe como un homodímero en solución. [6] [7] Además, la fosfopentosa epimerasa se pliega en un barril de (β/α) 8 triosafosfato isomerasa (TIM) que incluye bucles. [3] El cilindro central está compuesto por 8 hebras paralelas que forman la lámina beta central , con hélices ubicadas entre hebras consecutivas. Se sabe que los bucles de esta estructura regulan las especificidades del sustrato . Específicamente, el bucle que conecta la hélice α6 con la hebra β6 cubre el sitio activo tras la unión del sustrato. [3]
Como se mencionó anteriormente, la fosfopentosa epimerasa es una metaloenzima. Requiere un cofactor para su funcionalidad y se une a un catión metálico divalente por subunidad. [8] Se ha demostrado que esta enzima utiliza Zn 2+ predominantemente para catálisis , junto con Co 2+ y Mn 2+ . [3] Sin embargo, la fosfopentosa epimerasa humana, codificada por el gen RPE , se diferencia en que se une al Fe 2+ predominantemente mediante catálisis. El Fe 2+ está coordinado octaédricamente y estabiliza el intermedio de reacción 2,3-endolato observado en la figura. [3]
La región del bucle β6/α6 interactúa con el sustrato y regula el acceso al sitio activo. Phe147, Gly148 y Ala149 de esta región cubren el sitio activo una vez que se ha producido la unión. Además, el ion Fe 2+ está coordinado con His35, His70, Asp37, Asp175 y los oxígenos O2 y O3 del sustrato. [3] La unión de los átomos del sustrato al catión de hierro ayuda a estabilizar el complejo durante la catálisis. Los estudios de mutagénesis también han indicado que dos ácidos aspártico se encuentran dentro del sitio activo y ayudan a mediar la catálisis a través de una reacción de transferencia de 1,1 protones. [2] Los ácidos aspártico son los catalizadores ácido/base. Por último, una vez que el ligando se une al sitio activo, una serie de metioninas (Met39, Met72 y Met141) restringen el movimiento adicional mediante constricción. [9]
La fosfopentosa utiliza un mecanismo catalítico de tipo ácido/base. La reacción transcurre de tal manera que el intermediario es trans-2,3-enodiol fosfato. [10] [11] Los dos ácidos aspártico mencionados anteriormente actúan como donantes y aceptores de protones. Asp37 y Asp175 están unidos por enlaces de hidrógeno al catión de hierro en el sitio activo. [3] Cuando se desprotona Asp37, ataca a un protón en el tercer carbono de la D-ribulosa 5-fosfato, que forma el intermedio. [12] En un paso concertado, cuando Asp37 agarra un protón, el enlace carbonilo en el sustrato agarra un segundo protón de Asp175 para formar un grupo hidroxilo . El complejo de hierro ayuda a estabilizar cualquier carga adicional. Es el C3 de la D-ribulosa 5-fosfato el que sufre esta epimerización , formando la D-xilulosa 5-fosfato. [9] El mecanismo se demuestra claramente en la figura.
Los experimentos de microscopía electrónica en plantas han demostrado que la fosfopentosa epimerasa se localiza en la membrana tilacoide de los cloroplastos . [13] Esta epimerasa participa en la tercera fase del ciclo de Calvin , que implica la regeneración de la ribulosa 1,5-bisfosfato . RuBP es el aceptor de dióxido de carbono ( CO 2 ) en el primer paso de la vía, lo que sugiere que la fosfopentosa epimerasa regula el flujo a través del ciclo de Calvin. Sin la regeneración de la ribulosa 1,5-bisfosfato, el ciclo no podrá continuar. Por lo tanto, esta epimerasa convierte la xilulosa 5-fosfato de forma reversible en ribulosa 5-fosfato . Posteriormente, la fosforibulosa quinasa convierte la ribulosa 5-fosfato en ribulosa 1,5-bifosfato. [12]
Las reacciones de la vía de las pentosas fosfato (PPP) tienen lugar en el citoplasma . La fosfopentosa epimerasa afecta específicamente la porción no oxidativa de la vía, que implica la producción de diversos azúcares y precursores. [3] Esta enzima convierte la ribulosa 5-fosfato en el epímero apropiado para la reacción transcetolasa , xilulosa 5-fosfato . [12] Por lo tanto, la reacción que ocurre en la vía de las pentosas fosfato es exactamente la inversa de la reacción que ocurre en el ciclo de Calvin. El mecanismo sigue siendo el mismo e implica la formación de un intermediario enediolato.
Debido a su participación en esta vía, la fosfopentosa epimerasa es una enzima importante para la respuesta celular al estrés oxidativo. [3] La generación de NADPH por la vía de las pentosas fosfato ayuda a proteger las células contra especies reactivas de oxígeno . NADPH es capaz de reducir el glutatión , que desintoxica el cuerpo produciendo agua a partir de peróxido de hidrógeno ( H 2 O 2 ). [3] Por lo tanto, la fosfopentosa epimerasa no solo altera el flujo a través del PPP, sino que también previene la acumulación de peróxidos.
Las estructuras de muchos análogos de la fosfopentosa epimerasa se han descubierto mediante estudios cristalográficos. [14] [15] Debido a su papel en el ciclo de Calvin y la vía de las pentosas fosfato, la estructura general se conserva. Cuando se compararon las secuencias de organismos evolutivamente distantes, se observó una similitud superior al 50%. [16] Sin embargo, los aminoácidos ubicados en la interfaz del dímero , que están involucrados en muchas interacciones intermoleculares, no necesariamente se conservan. Es importante señalar que los miembros de la superfamilia de “unión de ribulosa fosfato” resultaron de una evolución divergente de un ancestro barril (β/α) 8 . [2]
El organismo protozoario Plasmodium falciparum es un importante agente causante de la malaria . La fosfopentosa epimerasa se ha implicado en la vía shikimato, una vía esencial para la propagación de la malaria. [17] A medida que la enzima convierte la ribulosa 5-fosfato en xilulosa 5-fosfato, esta última se metaboliza aún más en eritrosa 4-fosfato . La vía del shikimato luego convierte el 4-fosfato eritroso en corismato. [17] Es la fosfopentosa epimerasa la que permite a Plasmodium falciparum utilizar eritroso 4-fosfato como sustrato. Debido a la participación de esta enzima en la vía del shikimato, la fosfopentosa epimerasa es un objetivo farmacológico potencial para el desarrollo de antipalúdicos.
