La enzima desramificante del glucógeno, en humanos, es la proteína codificada por el gen AGL. Esta enzima es esencial para la descomposición del glucógeno, que sirve como almacén de glucosa en el cuerpo. Tiene actividades separadas de glucosiltransferasa y glucosidasa.
Junto con las fosforilasas, la enzima moviliza las reservas de glucosa de los depósitos de glucógeno en los músculos y el hígado. Esto constituye una fuente importante de reservas de energía en la mayoría de los organismos. La degradación del glucógeno está altamente regulada en el cuerpo, especialmente en el hígado, por varias hormonas, incluidas la insulina y el glucagón, para mantener un equilibrio homeostático de los niveles de glucosa en sangre. Cuando la degradación del glucógeno se ve comprometida por mutaciones en la enzima desramificante del glucógeno, pueden producirse enfermedades metabólicas como la enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo III.
Los dos pasos de la descomposición del glucógeno, glucosiltransferasa y glucosidasa, se realizan mediante una única enzima en los mamíferos, las levaduras y algunas bacterias, pero mediante dos enzimas distintas en E. coli y otras bacterias, lo que complica la nomenclatura. Las proteínas que catalizan ambas funciones se denominan enzimas desramificadoras de glucógeno (GDE). Cuando la glucosiltransferasa y la glucosidasa son catalizadas por enzimas distintas, la enzima desramificante del glucógeno generalmente se refiere a la enzima glucosidasa. En alguna literatura, una enzima capaz sólo de glucosidasa se denomina enzima desramificante.
Función
Junto con la fosforilasa, las enzimas desramificantes del glucógeno actúan en la degradación del glucógeno y la movilización de la glucosa. Cuando la fosforilasa ha digerido una rama de glucógeno hasta cuatro residuos de glucosa, no eliminará más residuos. Las enzimas desramificantes del glucógeno ayudan a la fosforilasa, la principal enzima implicada en la descomposición del glucógeno, en la movilización de las reservas de glucógeno. La fosforilasa sólo puede escindir el enlace α-1,4-glucosídico entre moléculas de glucosa adyacentes en el glucógeno, pero también existen ramas como enlaces α-1,6. Cuando la fosforilasa alcanza cuatro residuos desde un punto de ramificación, deja de escindirse; Como 1 de cada 10 residuos está ramificado, la escisión mediante fosforilasa sola no sería suficiente para movilizar las reservas de glucógeno. Antes de que la fosforilasa pueda reanudar el catabolismo, las enzimas desramificantes realizan dos funciones:
4-α-D-glucanotransferasa (EC 2.4.1.25), o glucosyltransferase, transfiere tres residuos de glucosa de la rama de glucógeno de cuatro residuos a una rama cercana. Esto expone un único residuo de glucosa unido a la cadena de glucosa a través de un enlace α-1,6 glicosidic
Mecanismo de liberación de alfa-1,6 enlace.Amylo-α-1,6-glucosidase (EC 3.2.1.33), o glucosidase, aplaude el enlace alfa-1,6 restante, produciendo glucosa y una cadena lineal de glucógeno. El mecanismo por el que la glucosidasa cuelga la α -1,6-linkage no es completamente conocido porque los aminoácidos en el sitio activo todavía no se han identificado. Se cree que procederá a través de un mecanismo de ayuda base de dos pasos, con un intermedio de iones oxocarbenio y retención de la configuración en glucosa. Este es un método común a través del cual liberar los lazos, con un ácido debajo del sitio de la hidrólisis para prestar un protón y una base arriba para deprotinar un agua que puede actuar como un nucleófilo. Estos ácidos y bases son cadenas laterales aminoácidos en el sitio activo de la enzima. En la figura se muestra un plan para el mecanismo.
Así, las enzimas desramificadoras, la transferasa y la α-1,6-glucosidasa convierten la estructura ramificada del glucógeno en una lineal, allanando el camino para una mayor escisión por parte de la fosforilasa.
Estructura y actividad
Dos enzimas
En E. coli y otras bacterias, las funciones de glucosiltransferasa y glucosidasa las realizan dos proteínas distintas. En E. coli, la transferencia de glucosa se realiza mediante la 4-alfa-glucanotransferasa, una proteína de 78,5 kDa codificada por el gen malQ. Una segunda proteína, denominada enzima desramificadora, realiza la escisión de la α-1,6-glucosa. Esta enzima tiene una masa molecular de 73,6 kDa y está codificada por el gen glgX. La actividad de las dos enzimas no siempre está necesariamente acoplada. En E. coli glgX cataliza selectivamente la escisión de ramas de 4 subunidades, sin la acción de la glucanotransferasa. El producto de esta escisión, la maltotetraosa, se degrada aún más por la maltodextrina fosforilasa.
E. coli GlgX es estructuralmente similar a la proteína isoamilasa. La proteína monomérica contiene un dominio central en el que ocho cadenas beta paralelas están rodeadas por ocho cadenas alfa paralelas. Dentro de esta estructura es notable un surco de 26 angstroms de largo y 9 angstroms de ancho, que contiene residuos aromáticos que se cree que estabilizan una rama de cuatro glucosa antes de la escisión.
La enzima que degrada el glucógeno de la arquea Sulfolobus solfataricus, treX, proporciona un ejemplo interesante del uso de un único sitio activo para dos actividades: amilosidasa y glucanotransferasa. TreX es estructuralmente similar a glgX y tiene una masa de 80 kD y un sitio activo. Sin embargo, a diferencia de glgX, treX existe como dímero y tetrámero en solución. La forma oligomérica de TreX parece desempeñar un papel importante en la alteración tanto de la forma como de la función de la enzima. Se cree que la dimerización estabiliza un "bucle flexible" Ubicado cerca del sitio activo. Esto puede ser clave para explicar por qué treX (y no glgX) muestra actividad glucosiltransferasa. Como tetrámero, la eficacia catalítica de treX se cuadriplica con respecto a su forma dimérica.
Una enzima con dos sitios catalíticos
En los mamíferos y las levaduras, una única enzima realiza ambas funciones desramificantes. La enzima desramificadora del glucógeno humano (gen: AGL) es un monómero con un peso molecular de 175 kDa. Se ha demostrado que las dos acciones catalíticas de AGL pueden funcionar independientemente una de otra, lo que demuestra que están presentes múltiples sitios activos. Esta idea se ha reforzado con inhibidores del sitio activo, como la polihidroxiamina, que inhibían la actividad de la glucosidasa mientras que la actividad de la transferasa no cambiaba de manera mensurable. La enzima desramificadora de glucógeno es la única enzima eucariota conocida que contiene múltiples sitios catalíticos y está activa como monómero.
Algunos estudios han demostrado que la mitad C-terminal de la GDE de levadura está asociada con la actividad glucosidasa, mientras que la mitad N-terminal está asociada con la actividad glucosiltransferasa. Además de estos dos sitios activos, AGL parece contener un tercer sitio activo que le permite unirse a un polímero de glucógeno. Se cree que se une a seis moléculas de glucosa de la cadena, así como a la glucosa ramificada, correspondiendo así a 7 subunidades dentro del sitio activo, como se muestra en la figura siguiente.
Sitios de unión de cadena lateral hipotética
Se ha informado de la estructura de la Candida glabrata GDE. La estructura reveló que distintos dominios en GDE codifican las actividades glucanotransferasa y glucosidasa. Sus catalisis son similares a las de la alfa-amilasa y la glucoamilasa, respectivamente. Sus sitios activos son selectivos hacia los respectivos sustratos, asegurando una activación adecuada de GDE. Además de los sitios activos, el GDE tiene sitios de unión adicionales para el glucógeno, que son importantes para su reclutamiento en glucógeno. El mapeo de las mutaciones que causan enfermedades en la estructura de GDE proporcionó información sobre la enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo III.
Ubicación genética
El nombre oficial del gen es "amilo-α-1,6-glucosidasa, 4-α-glucanotransferasa", con el símbolo oficial AGL. AGL es un gen autosómico que se encuentra en el cromosoma 1p21. El gen AGL proporciona instrucciones para producir varias versiones diferentes, conocidas como isoformas, de la enzima desramificadora del glucógeno. Estas isoformas varían según el tamaño y se expresan en diferentes tejidos, como el hígado y el músculo. Este gen se ha estudiado con gran detalle porque la mutación en este gen es la causa de la enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo III.
El gen tiene 85 kb de largo, 35 exones y codifica un ARNm de 7,0 kb. La traducción del gen comienza en el exón 3, que codifica los primeros 27 aminoácidos del gen AGL, porque los dos primeros exones (68 kb) contienen el gen 5' región no traducida. Los exones 4-35 codifican los 1505 aminoácidos restantes del gen AGL.
Estudios producidos por el departamento de pediatría de la Universidad de Duke sugieren que el gen AGL humano contiene al menos 2 regiones promotoras, sitios donde comienza la transcripción del gen, que resultan en la expresión diferencial de isoformas, diferentes formas de la misma proteína, ARNm en un manera específica para diferentes tejidos.
Importancia clínica
Cuando la actividad de GDE está comprometida, el cuerpo no puede liberar eficazmente el glicógeno almacenado, enfermedad de almacenamiento de Glicógeno tipo III (déficiencia de demarcador), un trastorno recesivo autosómico, puede resultar. En GSD III el desglose de glucógeno es incompleto y hay acumulación de glucógeno anormal con ramas externas cortas.
La mayoría de los pacientes presentan deficiencia de GDE tanto en el hígado como en el músculo (Tipo IIIa), aunque el 15% de los pacientes han retenido GDE en el músculo mientras no está presente en el hígado (Tipo IIIb). Dependiendo de la ubicación de la mutación, diferentes mutaciones en el gen AGL pueden afectar diferentes isoformas de la expresión genética. Por ejemplo, las mutaciones que ocurren en el exón 3 afectan la forma que afecta la isoforma que se expresa principalmente en el hígado; esto conduciría a GSD tipo III.
Estas diferentes manifestaciones producen síntomas variados, que pueden ser casi indistinguibles del GSD tipo I, incluyendo hepatomegalia, hipoglucemia en niños, baja estatura, miopatía y miocardiopatía. Los pacientes de tipo IIIa a menudo presentan síntomas relacionados con enfermedad hepática y afectación muscular progresiva, con variaciones causadas por la edad de aparición, la tasa de progresión de la enfermedad y la gravedad. Los pacientes con tipo IIIb generalmente presentan síntomas relacionados con una enfermedad hepática. Los pacientes de tipo III se distinguen por enzimas hepáticas elevadas, con niveles normales de ácido úrico y lactato en sangre, a diferencia de otras formas de GSD. En pacientes con afectación muscular, tipo IIIa, la debilidad muscular se vuelve predominante hasta la edad adulta y puede provocar hipertrofia ventricular y atrofia muscular distal.
