Aconitase
A aconitase ou aconitato hidratase (número EC:4.2.1.3) é un encima que cataliza a isomerización estereoespecífica do citrato a isocitrato por medio do intermediato cis-aconitato no ciclo do ácido cítrico ou de Krebs.[3][4][5]
| Aconitato hidratase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||
| Aconitase de porco en complexo co cluster [Fe4S4]. A proteína está coloreada segundo a súa estrutura secundaria, os átomos de ferro están en azul e os de xofre en vermello.[1] | |||||||||
| Identificadores | |||||||||
| Número EC | 4.2.1.3 | ||||||||
| Número CAS | 9024-25-3 | ||||||||
| Bases de datos | |||||||||
| IntEnz | vista de IntEnz | ||||||||
| BRENDA | entrada de BRENDA | ||||||||
| ExPASy | vista de NiceZyme | ||||||||
| KEGG | entrada de KEGG | ||||||||
| MetaCyc | vía metabólica | ||||||||
| PRIAM | perfil | ||||||||
| Estruturas PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum | ||||||||
| Gene Ontology | AmiGO / EGO | ||||||||
| |||||||||
| Aconitase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Estrutura da aconitase.[2] | |||||||||
| Identificadores | |||||||||
| Símbolo | Aconitase | ||||||||
| Pfam | PF00330 | ||||||||
| InterPro | IPR001030 | ||||||||
| PROSITE | PDOC00423 | ||||||||
| SCOPe | 1aco / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Función
editarA diferenza da maioría das proteínas ferro-sulfuradas que funcionan como transportadores de electróns, o cluster de ferro-xofre da aconitase reacciona directamente co substrato do encima. A aconitase ten un cluster [Fe4S4]2+ activo, que se pode converter á forma [Fe3S4]+ inactiva. Hai tres residuos de cisteína (Cys) que funcionan como ligandos do centro [Fe4S4]. No estado activo, o ión ferro lábil do cluster [Fe4S4] non está coordinado pola cisteína senón por moléculas de auga.
Son homólogos da aconitase a proteína de unión ao elemento de resposta ao ferro (IRE-BP) e a 3-isopropilmalato deshidratase (α-isopropilmalato isomerase; número EC:4.2.1.33), que é un encima que cataliza o segundo paso da biosíntese de leucina. Os elementos regulatorios do ferro (IREs) constitúen unha familia de ARNs de 28 nucleótidos, non codificantes, con estruturas de talo-bucle que regulan o almacenameto de ferro, a síntese de grupos hemo e a captación de ferro. Tamén participan na unión do ARNm ao ribosoma e no control da degradación do ARNm. Unha proteína reguladora específica, a IRE-BP, únese aos IREs tanto nas rexións 5' coma nas 3', pero só se pode unir ao ARN na súa forma apo (apoproteína), sen o cluster de ferro-xofre. A expresión da IRE-BP en células en cultivo revelou que a proteína funciona ou como unha activa aconitase, cando as células están cheas de ferro, ou como unha proteína de unión ao ARN activa, cando as células están escasas de ferro. As IRE-BPs mutantes, nas cales algún ou todos dos tres residuos de cisteína implicados na formación do cluster ferro-xofre son substituídos pola serina, non teñen actividade de aconitase, pero manteñen a capacidade de unirse ao ARN.
O fluoroacetato e o fluorocitrato son compostos tóxicos cando se metabolizan, xa que afectan ao ciclo do ácido cítrico. A aconitase é inhibida polo fluorocitrato[6] e fluoroacetato[7]. O cluster de ferro-xofre é moi sensible á oxidación por superóxidos.[8]
Estrutura do encima
editarA aconitase, como se mostra nas estruturas da dereita desta páxina, ten dúas estruturas lixeiramente diferentes, segundo estea activada ou inactivada.[9][10] Na forma inactiva, a súa estrutura está dividida en catro dominios.[9] Empezando polo extremo N-terminal, só os tres primeiros dominios están implicados en interaccións próximas co cluster [3Fe-4S], pero o sitio activo consta de residuos pertencentes aos catro dominios, incluído o dominio C-terminal máis grande.[9] Tamén se encontran no sitio activo o cluster de ferro-xofre e un anión SO42-.[9] Cando se activa o encima, capta un átomo de ferro adicional, creando un cluster [4Fe-4S].[10][11] Porén, a estrutura do resto do encima case non cambia; os átomos conservados estre estas dúas formas están esencialmente nas mesmas posicións, con diferenzas de só 0,1 ángstrom.[10]
Mecanismo de reacción
editar
A aconitase emprega un mecanismo de deshidratación-hidratación.[12] Os residuos catalíticos implicados son a His-101 e a Ser-642.[12] A His-101 protona o grupo hidroxilo no C3 do citrato, permitindo que se libere en forma de auga, e, ao mesmo tempo, a Ser-642 retira o protón de C2, formando un dobre enlace entre C2 e C3, orixinando o intermediato cis-aconitato.[12][15] Seguidamente, o intermediato rota 180°.[12] Esta rotación denomínase "volteo", "pinchacarneiro" ou "flip".[13] Cando fai este xiro, dise que o intermediato se move desde un "modo citrato" a un "modo isocitrato".[16]
Debátese como se produce exactamente este xiro. Unha teoría é que, no paso limitante do mecanismo, o cis-aconitato libérase do encima, despois volve a unirse no modo isocitrato para completar a reacción.[16] Este paso limitante asegura que o produto final se formará coa correcta estereoquímica, especificamente (2R,3S).[16][17] Outra hipótese é que o cis-aconitato permanece unido ao encima mentres se produce o xiro pasando do modo citrato ao modo isocitrato.[12]
O xiro do cis-aconitato permite que ocorran os pasos de deshidratación e hidratación en caras opostas do intermediato.[12] A aconitase cataliza a trans-eliminación/adición de auga, e o xiro garante que se forme a correcta estereoquímica no produto.[12][13] Para completar a reacción, os residuos de serina e histidina inverten as súas accións catalíticas orixinais: a histidina, agorta básica, retira un protón da auga, converténdoa nun nucleófilo que ataca a C2, e a serina protonada é desprotonada polo dobre enlace do cis-aconitato para completar a hidratación, producindo isocitrato.[12]
Enfermidades
editarUn trastorno grave relacionado coa aconitase é a deficiencia de aconitase.[19] É causada por unha mutación no xene da proteína armazón do cluster de ferro-xofre (ISCU), que axuda a construír o cluster de Fe-S do que depende a actividade da aconitase.[19] Os principais síntomas son miopatía e intolerancia ao exercicio; a tensión física pode ser mortal para algúns pacientes porque pode orixinar un shock circulatorio.[19][20] Non hai tratamento para a deficiencia de aconitase.[19]
Outra doenza asociada coa aconitase é a ataxia de Friedreich (FRDA), que se orixina por defectos na biosíntese de proteínas ferro-sulfuradas, cando non se sintetizan correctamente os clusters de ferro-sulfuro da aconitase e succinato deshidroxenase.[21] O decrecemento da actividade da aconitase e succinato deshidroxenase está correlacionada cun exceso na concentración de ferro na mitocondria e unha insuficiencia de ferro no citoplasma, o que trastorna a homeostase do ferro.[21] Esta desviación da homeostase causa a ataxia de Friederich, que é unha enfermidade neurodexenerativa para a cal non hai tratamentos efectivos ata o momento.[21]
Finalmente, a aconitase crese que está asociada coa diabetes.[22][23] De todos os xeitos, a conexión exacta aínda está por determinar e existen diversas teorías.[22][23] Nun estudo dos órganos de ratos con diabetes aloxana (unha diabetes inducida experimentalmente co composto pirimidínico aloxana [24]) e diabetes xenética, atopouse unha baixa actividade de aconitase, que facía decrecer a velocidade das reaccións metabólicas nas que interveñen o citrato, piruvato, e malato.[22] Ademais, as concentracións de citrato eran infrecuentemente altas.[22] Como estes datos anormais se atoparon en ratos diabéticos, o estudo tirou a conclusión de que a actividade baixa da aconitase está probablemente correlacionada coa diabetes xenética e diabetes aloxana.[22] Outra teoría é que, nos corazóns diabéticos, a fosforilación acelerada da aconitase do corazón pola proteína quinase C causa que a aconitase acelere o paso final da súa reacción inversa en comparación coa reacción normal cara a adiante.[23] É dicir, converte o isocitrato de novo en cis-aconitato máis rapidamente do normal, pero a reacción cara a adiante continúa realizándose á velocidade normal.[23] Este desequilibrio pode contribuír a trastorar o metabolismo nos diabéticos.[23]
Membros da familia
editarAs aconitases exprésanse desde as bacterias aos humanos. Os humanos expresan os dous isoencimas aconitases seguintes:
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Notas
editar- ↑ PDB 7ACN; Lauble, H.; Kennedy, M. C.; Beinert, H.; Stout, C. D. (1992). "Crystal structures of aconitase with isocitrate and nitroisocitrate bound". Biochemistry 31 (10): 2735–48. PMID 1547214. doi:10.1021/bi00125a014.
- ↑ PDB 1ACO; Lauble, H; Kennedy, MC; Beinert, H; Stout, CD (1994). "Crystal Structures of Aconitase with Trans-aconitate and Nitrocitrate Bound". Journal of Molecular Biology 237 (4): 437–51. PMID 8151704. doi:10.1006/jmbi.1994.1246.
- ↑ Beinert, H; Kennedy, MC (1993). "Aconitase, a two-faced protein: Enzyme and iron regulatory factor". The FASEB Journal 7 (15): 1442–9. PMID 8262329.
- ↑ Flint, Dennis H.; Allen, Ronda M. (1996). "Iron−Sulfur Proteins with Nonredox Functions". Chemical Reviews 96 (7): 2315–34. doi:10.1021/cr950041r.
- ↑ Beinert, Helmut; Kennedy, Mary Claire; Stout, C. David (1996). "Aconitase as Iron−Sulfur Protein, Enzyme, and Iron-Regulatory Protein". Chemical Reviews 96 (7): 2335–74. PMID 11848830. doi:10.1021/cr950040z.
- ↑ H. Lauble, M.C. Kennedy, M.H. Emptage, H. Beinert, and C.D. Stout. The reaction of fluorocitrate with aconitase and the crystal structure of the enzyme-inhibitorcomplex. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 November 26; 93(24): 13699–13703. PMCID: PMC19395. [1]
- ↑ Urs A. Boelsterli. Mechanistic Toxicology: The Molecular Basis of How Chemicals Disrupt. Google books. [2]
- ↑ Gardner, Paul R. (2002). "Aconitase: Sensitive target and measure of superoxide". Methods in Enzymology 349: 9–23. ISBN 978-0-12-182252-1. doi:10.1016/S0076-6879(02)49317-2.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Robbins AH, Stout CD (1989). "The structure of aconitase". Proteins 5 (4): 289–312. PMID 2798408. doi:10.1002/prot.340050406.
- ↑ 10,0 10,1 10,2 Robbins AH, Stout CD (1989). "Structure of activated aconitase: formation of the [4Fe-4S] cluster in the crystal". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 86 (10): 3639–43. PMC 287193. PMID 2726740. doi:10.1073/pnas.86.10.3639.
- ↑ Lauble H, Kennedy MC, Beinert H, Stout CD (1992). "Crystal structures of aconitase with isocitrate and nitroisocitrate bound". Biochemistry 31 (10): 2735–48. PMID 1547214. doi:10.1021/bi00125a014.
- ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 12,5 12,6 12,7 12,8 Takusagawa F. "Chapter 16: Citric Acid Cycle" (PDF). Takusagawa’s Note. The University of Kansas. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 24 de marzo de 2012. Consultado o 2011-07-10.
- ↑ 13,0 13,1 13,2 Beinert H, Kennedy MC, Stout CD (1996). "Aconitase as Ironminus signSulfur Protein, Enzyme, and Iron-Regulatory Protein" (PDF). Chem. Rev. 96 (7): 2335–2374. PMID 11848830. doi:10.1021/cr950040z. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 11 de agosto de 2011. Consultado o 22 de decembro de 2013.
- ↑ 14,0 14,1 PDB 1C96; Lloyd SJ, Lauble H, Prasad GS, Stout CD (1999). "The mechanism of aconitase: 1.8 A resolution crystal structure of the S642a:citrate complex". Protein Sci. 8 (12): 2655–62. PMC 2144235. PMID 10631981. doi:10.1110/ps.8.12.2655.
- ↑ Han D, Canali R, Garcia J, Aguilera R, Gallaher TK, Cadenas E (2005). "Sites and mechanisms of aconitase inactivation by peroxynitrite: modulation by citrate and glutathione". Biochemistry 44 (36): 11986–96. PMID 16142896. doi:10.1021/bi0509393.
- ↑ 16,0 16,1 16,2 Lauble H, Stout CD (1995). "Steric and conformational features of the aconitase mechanism". Proteins 22 (1): 1–11. PMID 7675781. doi:10.1002/prot.340220102.
- ↑ "Aconitase family". The Prosthetic groups and Metal Ions in Protein Active Sites Database Version 2.0. The University of Leeds. 1999-02-02. Arquivado dende o orixinal o 08 de xuño de 2011. Consultado o 2011-07-10.
- ↑ PDB 1C97
- ↑ 19,0 19,1 19,2 19,3 Orphanet, "Aconitase deficiency," April 2008, http://www.orpha.net/consor/cgi-bin/OC_Exp.php?lng=EN&Expert=43115
- ↑ Hall, R E; Henriksson, K G; Lewis, S F; Haller, R G; Kennaway, N G (1993). "Mitochondrial myopathy with succinate dehydrogenase and aconitase deficiency. Abnormalities of several iron-sulfur proteins". Journal of Clinical Investigation 92 (6): 2660–6. PMC 288463. PMID 8254022. doi:10.1172/JCI116882.
- ↑ 21,0 21,1 21,2 Ye, Hong; Rouault, Tracey A. (2010). "Human Iron−Sulfur Cluster Assembly, Cellular Iron Homeostasis, and Disease". Biochemistry 49 (24): 4945–56. PMC 2885827. PMID 20481466. doi:10.1021/bi1004798.
- ↑ 22,0 22,1 22,2 22,3 22,4 Boquist, L.; Ericsson, I.; Lorentzon, R.; Nelson, L. (1985). "Alterations in mitochondrial aconitase activity and respiration, and in concentration of citrate in some organs of mice with experimental or genetic diabetes". FEBS Letters 183 (1): 173–6. PMID 3884379. doi:10.1016/0014-5793(85)80979-0.
- ↑ 23,0 23,1 23,2 23,3 23,4 Lin, G.; Brownsey, R. W.; MacLeod, K. M. (2009). "Regulation of mitochondrial aconitase by phosphorylation in diabetic rat heart". Cellular and Molecular Life Sciences 66 (5): 919–32. PMID 19153662. doi:10.1007/s00018-009-8696-3.
- ↑ "Alloxan Diabetes - Medical Definition," Stedman's Medical Dictionary, 2006 Lippincott Williams & Wilkins, http://www.medilexicon.com/medicaldictionary.php?t=24313 Arquivado 24 de decembro de 2013 en Wayback Machine.
Véxase tamén
editarBibliografía
editar- Frishman, Dmitrij; Hentze, Matthias W. (1996). "Conservation of Aconitase Residues Revealed by Multiple Sequence Analysis. Implications for Structure/Function Relationships". European Journal of Biochemistry 239 (1): 197–200. PMID 8706708. doi:10.1111/j.1432-1033.1996.0197u.x.