La triosa-fosfato isomerasa ( TPI o TIM ) es una enzima ( EC 5.3.1.1) que cataliza la interconversión reversible de los isómeros de triosa fosfato dihidroxiacetona fosfato y D- gliceraldehído 3-fosfato .
Compuesto C00111 en KEGG Pathway Database. Enzima 5.3.1.1 en KEGG Pathway Database. Compuesto C00118 en KEGG Pathway Database.
TPI juega un papel importante en la glucólisis y es esencial para la producción eficiente de energía. Se ha encontrado TPI en casi todos los organismos en los que se buscó la enzima, incluidos animales como mamíferos e insectos , así como en hongos , plantas y bacterias . Sin embargo, algunas bacterias que no realizan glucólisis, como los ureaplasmas , carecen de TPI.
En los seres humanos, las deficiencias de TPI se asocian con un trastorno neurológico grave y progresivo llamado deficiencia de triosa fosfato isomerasa . La deficiencia de triosa fosfato isomerasa se caracteriza por anemia hemolítica crónica . Si bien existen varias mutaciones que causan esta enfermedad, la mayoría incluye el reemplazo del ácido glutámico en la posición 104 por ácido aspártico. [1]
La triosa fosfato isomerasa es una enzima muy eficiente que realiza la reacción miles de millones de veces más rápido de lo que ocurriría naturalmente en solución. La reacción es tan eficiente que se dice que es catalíticamente perfecta : está limitada únicamente por la velocidad a la que el sustrato puede difundir dentro y fuera del sitio activo de la enzima. [2] [3]
El mecanismo implica la formación intermedia de un enediol . La energía libre relativa de cada estado fundamental y estado de transición se ha determinado experimentalmente y se muestra en la figura. [2]
La estructura de TPI facilita la conversión entre fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) y gliceraldehído 3-fosfato (GAP). El residuo nucleofílico de glutamato 165 de TPI desprotona el sustrato , [4] y el residuo electrófilo de histidina 95 dona un protón para formar el intermedio enediol. [5] [6] Cuando se desprotona, el enediolato colapsa y, extrayendo un protón del glutamato 165 protonado, forma el producto GAP. La catálisis de la reacción inversa se produce de manera análoga, formando el mismo enediol pero con el colapso del enediolato a partir del oxígeno en C2. [7]
TPI tiene una difusión limitada. En términos de termodinámica, la formación de DHAP se ve favorecida 20:1 sobre la producción de GAP. [8] Sin embargo, en la glucólisis, el uso de GAP en los pasos posteriores del metabolismo impulsa la reacción hacia su producción. El TPI es inhibido por iones sulfato , fosfato y arseniato , que se unen al sitio activo . [9] Otros inhibidores incluyen el 2-fosfoglicolato, un análogo del estado de transición , y el D-glicerol-1-fosfato, un análogo del sustrato . [10]
La triosa fosfato isomerasa es un dímero de subunidades idénticas , cada una de las cuales está formada por unos 250 residuos de aminoácidos . La estructura tridimensional de una subunidad contiene ocho hélices α en el exterior y ocho hebras β paralelas en el interior. En la ilustración, la columna vertebral de cada subunidad está coloreada de azul a rojo desde el extremo N al extremo C. Este motivo estructural se denomina barril αβ o barril TIM y es, con diferencia, el pliegue proteico observado con mayor frecuencia . El sitio activo de esta enzima está en el centro del barril. En el mecanismo catalítico intervienen un residuo de ácido glutámico y una histidina . La secuencia alrededor de los residuos del sitio activo se conserva en todas las triosas fosfato isomerasas conocidas.
La estructura de la triosa fosfato isomerasa contribuye a su función. Además de los residuos de glutamato e histidina colocados con precisión para formar el enediol, una cadena de diez u once aminoácidos de TPI actúa como un bucle para estabilizar el intermedio. El bucle, formado por los residuos 166 a 176, se cierra y forma un enlace de hidrógeno con el grupo fosfato del sustrato. Esta acción estabiliza el intermedio enediol y los otros estados de transición en la vía de reacción. [7]
Además de hacer que la reacción sea cinéticamente factible, el bucle TPI secuestra el intermedio de enediol reactivo para evitar la descomposición en metilglioxal y fosfato inorgánico. El enlace de hidrógeno entre la enzima y el grupo fosfato del sustrato hace que dicha descomposición sea estereoelectrónicamente desfavorable. [7] El metilglioxal es una toxina y, si se forma, se elimina a través del sistema glioxalasa . [11] La pérdida de un enlace fosfato de alta energía y el sustrato para el resto de la glucólisis hace que la formación de metilglioxal sea ineficiente.
Los estudios sugieren que una lisina cerca del sitio activo (en la posición 12) también es crucial para la función enzimática. La lisina, protonada a pH fisiológico, puede ayudar a neutralizar la carga negativa del grupo fosfato. Cuando este residuo de lisina se reemplaza con un aminoácido neutro, TPI pierde toda función, pero las variantes con un aminoácido diferente cargado positivamente conservan alguna función. [12]
