Arginina descarboxilasa

La enzima arginina descarboxilasa inducida por ácido (AdiA) (EC 4.1.1.19), también conocida como arginina descarboxilasa, cataliza la conversión de L-arginina en agmatina y dióxido de carbono. El proceso consume un protón en la descarboxilación y emplea un cofactor piridoxal-5'-fosfato (PLP), similar a otras enzimas involucradas en el metabolismo de aminoácidos, como la ornitina descarboxilasa y la glutamina descarboxilasa. Se encuentra en bacterias y virus, aunque la mayoría de las investigaciones se han centrado hasta ahora en las formas de la enzima en bacterias. Durante la descarboxilación de arginina catalizada por AdiA, se consume el protón necesario del citoplasma celular, lo que ayuda a prevenir la sobreacumulación de protones dentro de la célula y sirve para aumentar el pH intracelular. La arginina descarboxilasa forma parte de un sistema enzimático presente en Escherichia coli (E. coli), Salmonella Typhimurium y la bacteria productora de metano Methanococcus jannaschii, que hace que estos organismos sean resistentes al ácido y les permite sobrevivir en un medio altamente ácido.La arginina descarboxilasa es un multímero de subunidades proteicas. Por ejemplo, la forma de esta enzima en E. coli es un decámero de aproximadamente 800 kDa de subunidades idénticas, y está compuesta como un pentámero de dímeros. Cada subunidad se puede dividir en cinco dominios: (1) el dominio de ala amino-terminal, (2) el dominio de enlace, (3) el dominio de unión a PLP, (4) el dominio pequeño similar a la aspartato aminotransferasa (AspAT) y (5) el dominio carboxiterminal. El dominio pequeño similar a AspAT, el dominio de unión a PLP y el dominio carboxiterminal forman una estructura abierta similar a un cuenco. El dominio de ala se extiende desde los otros tres dominios como el asa de un cuenco, y el dominio de enlace conecta estas dos partes. En conjunto, los cinco dominios se asocian entre sí mediante enlaces de hidrógeno e interacciones electrostáticas.

En la arginina descarboxilasa de E. coli, cada homodímero tiene dos sitios activos a unos 30 Å de la superficie del dímero. El sitio activo, ubicado en el dominio de unión de PLP, consiste en el cofactor PLP unido a un residuo de lisina en forma de base de Schiff. El grupo fosfato de PLP se mantiene en su lugar mediante enlaces de hidrógeno con las cadenas laterales alcohólicas de varios residuos de serina y treonina, así como mediante enlaces de hidrógeno con la cadena lateral de imidazol de un residuo de histidina. El nitrógeno protonado del anillo aromático de PLP está unido por enlaces de hidrógeno a un carboxilato en una cadena lateral aspártica.

El mecanismo de la arginina descarboxilasa es análogo al de otras enzimas desaminadoras y descarboxiladoras de PLP, ya que utiliza un intermediario de base de Schiff. Inicialmente, el residuo Lys386 se desplaza en una reacción de transaminación por el sustrato L-arginina, formando una base de Schiff de arginina con el cofactor PLP. A continuación, se produce la descarboxilación del grupo carboxilato de arginina, donde se hipotetiza que el enlace C-C roto es perpendicular al anillo de piridina de PLP. El grupo nitrogenado de piridina actúa como un grupo atractor de electrones que facilita la ruptura del enlace C-C. La protonación del aminoácido conduce a la formación de una nueva base de Schiff que posteriormente experimenta una reacción de transaminación por el residuo de lisina de la arginina descarboxilasa, regenerando el PLP catalíticamente activo y liberando agmantina como producto. Aunque se ha planteado la hipótesis de que un residuo de histidina protonado participa en el paso de protonación como fuente de protones, aún no se ha confirmado la identidad del residuo donador de protones en la arginina descarboxilasa.

La arginina descarboxilasa es uno de los principales componentes de la resistencia ácida dependiente de arginina (AR3), que permite a E. coli sobrevivir el tiempo suficiente en el ambiente altamente ácido del estómago para atravesar el tracto digestivo e infectar a un huésped humano. La enzima consume un protón citoplasmático en la reacción de descarboxilación, lo que evita que el pH de la célula se vuelva demasiado ácido. La actividad de la enzima depende del pH circundante. A niveles de pH celular más básicos, la enzima existe en forma de homodímero inactivo, ya que la repulsión electrostática entre los residuos ácidos con carga negativa en los dominios del ala impide que los homodímeros se ensamblen en el decámero catalíticamente activo. A medida que el entorno celular se vuelve más ácido, estos residuos adquieren carga neutra mediante protonación. Con una menor repulsión electrostática entre los homodímeros, la enzima puede ensamblarse como el decámero catalíticamente activo. Esta estrategia de ensamblaje particular utilizada por E. La arginina descarboxilasa de coli también es utilizada comúnmente por otros organismos acidófilos para adaptarse a condiciones ácidas de crecimiento. En general, la actividad de resistencia a los ácidos de la arginina descarboxilasa es doble. Los residuos proteicos de superficie del homodímero consumen protones, lo que conduce a la formación de decámeros activos que incrementan aún más el consumo de protones mediante la reacción de descarboxilación. La arginina descarboxilasa trabaja en conjunto con los antiportadores de arginina descarboxilasa (AdiC), otro componente de AR3, que intercambian el sustrato extracelular de arginina por el subproducto intracelular de la descarboxilación.