La treonina amoníaco-liasa (EC 4.3.1.19, nombre sistemático L -treonina amoníaco-liasa (formadora de 2-oxobutanoato) , también conocida comúnmente como treonina desaminasa o treonina deshidratasa , es una enzima responsable de catalizar la conversión de L -treonina en α-cetobutirato y amoníaco :
El α-cetobutirato se puede convertir en L - isoleucina , por lo que la treonina amoniaco liasa funciona como una enzima clave en la síntesis de BCAA . [1] Emplea un cofactor piridoxal-5'-fosfato , similar a muchas enzimas involucradas en el metabolismo de los aminoácidos . Se encuentra en bacterias , levaduras y plantas , aunque la mayoría de las investigaciones hasta la fecha se han centrado en las formas de la enzima en las bacterias. Esta enzima fue una de las primeras en las que se observó y estudió directamente la inhibición por retroalimentación negativa por parte del producto final de una ruta metabólica . [2] La enzima sirve como un excelente ejemplo de las estrategias reguladoras utilizadas en la homeostasis de los aminoácidos .
La treonina amonialiasa es un tetrámero de subunidades idénticas y está dispuesto como un dímero de dímeros. Cada subunidad tiene dos dominios : un dominio que contiene el sitio activo catalítico y un dominio con sitios reguladores alostéricos . Se ha demostrado que las dos son regiones distintas, [3] pero el sitio regulador de una subunidad en realidad interactúa con el sitio catalítico de otra subunidad. [4] Ambos dominios contienen el motivo estructural repetitivo de láminas beta rodeadas por hélices alfa . [5] Si bien el sitio de unión de treonina no se comprende perfectamente, los estudios estructurales revelan cómo se une el cofactor de fosfato de piridoxal. [4] El cofactor PLP está unido a un residuo de lisina por medio de una base de Schiff , y el grupo fosfato del PLP se mantiene en su lugar mediante grupos amina derivados de una secuencia repetida de residuos de glicina . El anillo aromático está unido a la fenilalanina y el nitrógeno del anillo está unido por enlaces de hidrógeno a residuos que contienen grupos hidroxilo . [6]
El mecanismo de la treonina amoníaco-liasa es análogo al de otras enzimas PLP desaminantes en el uso de intermediarios de base de Schiff . [7] Inicialmente, el grupo amino de la treonina ataca la base de Schiff lisina/PLP, desplazando a la lisina. Después de la desprotonación del aminoácido carbono alfa y la posterior deshidratación (de ahí el nombre común de treonina deshidratasa ), se forma una nueva base de Schiff. Esta base de Schiff se reemplaza por un ataque de lisina, reformando el PLP catalíticamente activo y liberando un producto inicial que contiene alqueno . Este producto se tautomeriza y tras la hidrólisis de la base de Schiff se generan los productos finales. [8] [9] Después de generar el producto final de alfa-cetobutirato, la isoleucina se sintetiza progresando a través de los intermedios alfa-acetohidroxibutirato hasta alfa-beta-dihidroxi-beta-metilvalerato y luego a alfa-ceto-beta-metilvalerato. [10]
Se ha demostrado que la treonina amonio-liasa no sigue la cinética de Michaelis-Menten , sino que está sujeta a un control alostérico complejo. [11] La enzima es inhibida por la isoleucina, producto de la vía en la que participa, y es activada por la valina , producto de una vía paralela. [1] Por lo tanto, un aumento en la concentración de isoleucina interrumpe su producción y un aumento en la concentración de valina desvía el material de partida (hidroxietil- TPP ) lejos de la producción de valina. La enzima tiene dos sitios de unión para la isoleucina; uno tiene una alta afinidad por la isoleucina y el otro tiene una baja afinidad. [12] La unión de la isoleucina al sitio de alta afinidad aumenta la afinidad de unión del sitio de baja afinidad, y la desactivación de la enzima ocurre cuando la isoleucina se une al sitio de baja afinidad. La valina promueve la actividad enzimática uniéndose competitivamente al sitio de alta afinidad, evitando que la isoleucina tenga un efecto inhibidor. [12] La combinación de estos dos métodos de retroalimentación equilibra la concentración de BCAA.
Se han observado múltiples formas de treonina amonio-liasa en una variedad de especies de organismos. En Escherichia coli , un sistema en el que la enzima se ha estudiado ampliamente, se encuentran dos formas diferentes de la enzima. Uno es biosintético y se asemeja a las características enzimáticas presentadas aquí, mientras que el otro es degradativo y funciona para generar fragmentos de carbono para la producción de energía . [2] El par de isoformas también se ha observado en otras bacterias. En muchas bacterias, la isoforma biodegradativa de la enzima se expresa en condiciones anaeróbicas y es promovida por AMPc y treonina, mientras que la isoforma biosintética se expresa en condiciones aeróbicas . [13] Esto permite a la bacteria equilibrar las reservas de energía e inhibir las vías sintéticas que consumen energía cuando la energía no es abundante.
En las plantas, la treonina amoníaco liasa es importante en los mecanismos de defensa contra los herbívoros y está regulada positivamente en respuesta al estrés abiótico . [14] Una isoforma adaptada de la enzima con propiedades únicas que disuaden a los herbívoros se expresa en las hojas de las plantas. El dominio catalítico de esta isoforma es extremadamente resistente a la proteólisis , mientras que el dominio regulador se degrada fácilmente, por lo que, tras la ingestión por otro organismo, las capacidades de desaminación de treonina de la enzima quedan sin control. Esto degrada la treonina antes de que el herbívoro pueda absorberla, privando al herbívoro de un aminoácido esencial . [15] Los estudios de treonina amonio-liasa en plantas también han ofrecido nuevas estrategias en el desarrollo de OGM con mayor valor nutricional al aumentar el contenido de aminoácidos esenciales. [14]
Se han encontrado otras formas más exóticas de la enzima que son de tamaño extremadamente pequeño, pero que aún conservan todas las funciones catalíticas y reguladoras. [4]
Hay cinco tipos principales de pliegues para las enzimas dependientes de PLP. La treonina amoníaco-liasa es un miembro de la familia Fold Tipo II, también conocida como familia de la triptófano sintasa . [7] Aunque la treonina amonio-liasa no posee túneles de sustrato como lo hace la triptófano sintasa, contiene mucha homología conservada . La treonina amoníaco-liasa está más estrechamente relacionada con la serina deshidratasa y ambas poseen el mismo mecanismo catalítico general. [9] De hecho, se ha demostrado que la treonina amonio-liasa exhibe cierta especificidad hacia la serina y puede convertir la serina en piruvato . [2] El dominio regulador de la treonina amonio-liasa es muy similar al dominio regulador de la fosfoglicerato deshidrogenasa . [4] Todas estas relaciones demuestran que la treonina amonio-liasa tiene estrechos vínculos evolutivos con estas enzimas. Debido al grado de estructura y secuencia conservadas en las enzimas que reconocen los aminoácidos, es probable que la diversidad evolutiva de estas enzimas se haya producido por la combinación de dominios reguladores y catalíticos individuales de diversas maneras. [1]
La treonina amoniaco-liasa no se encuentra en humanos. Por tanto, este es un ejemplo de por qué los humanos no pueden sintetizar los 20 aminoácidos proteinogénicos ; en este caso específico, los humanos no pueden convertir la treonina en isoleucina y deben consumir isoleucina en la dieta. [1] La enzima también se ha estudiado en el pasado como un posible agente supresor de tumores por las razones descritas anteriormente, ya que priva a las células tumorales de un aminoácido esencial y las mata, [16] pero este tratamiento no se ha utilizado.
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