Fosfato de piridoxal

fosfato de piridoxal (PLP, piridoxal 5'-fosfato, P5P), la forma activa de la vitamina B6, es una coenzima en una variedad de reacciones enzimáticas. La Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ha catalogado más de 140 actividades dependientes de PLP, lo que corresponde a ~4% de todas las actividades clasificadas. La versatilidad del PLP surge de su capacidad para unirse covalentemente al sustrato y luego actuar como un catalizador electrófilo, estabilizando así diferentes tipos de intermediarios de reacción carbaniónica.

Papel como coenzima

El PLP actúa como coenzima en todas las reacciones de transaminación y en ciertas reacciones de descarboxilación, desaminación y racemización de aminoácidos. El grupo aldehído del PLP forma un enlace de base de Schiff (aldimina interna) con el grupo ε-amino de un grupo lisina específico de la enzima aminotransferasa. El grupo α-amino del sustrato aminoácido desplaza al grupo ε-amino del residuo de lisina del sitio activo en un proceso conocido como transaldiminación. La aldimina externa resultante puede perder un protón, dióxido de carbono o una cadena lateral de un aminoácido para convertirse en un quinonoide intermedio, que a su vez puede actuar como nucleófilo en varias vías de reacción.

En la transaminación, después de la desprotonación, el quinonoide intermedio acepta un protón en una posición diferente para convertirse en cetimina. La cetimina resultante se hidroliza de modo que el grupo amino permanece en el complejo. Además, el PLP es utilizado por aminotransferasas (o transaminasas) que actúan sobre azúcares inusuales como la perosamina y la desosamina. En estas reacciones, el PLP reacciona con el glutamato, que transfiere su grupo alfa-amino al PLP para producir piridoxamina fosfato (PMP). Luego, PMP transfiere su nitrógeno al azúcar, formando un aminoazúcar.

PLP también participa en diversas reacciones beta-elimination tales como las reacciones realizadas por serine dehydratase y GDP-4-keto-6-deoxymannose-3-dehydratase (ColD).

También es activo en la reacción de condensación en la síntesis de hemo.

El PLP desempeña un papel en la conversión de levodopa en dopamina, facilita la conversión del neurotransmisor excitador glutamato en el neurotransmisor inhibidor GABA y permite que SAM se descarboxile para formar propilamina, que es un precursor de las poliaminas.

Papel en el cuerpo humano

El fosfato de piridoxal desempeña numerosas funciones en el cuerpo humano. Algunos ejemplos a continuación:

• Metabolismo y biosíntesis de la serotonina. El fosfato piridoxal es un cofactor de ácidos l aminoácidos aromáticos decarboxilasa. Esto permite la conversión de 5-hidroxitryptophan (5-HTP) en serotonina (5-HT). Esta reacción tiene lugar en neuronas serotonérgicas.
• Metabolismo y biosíntesis de la histamina. El fosfato piridoxal es un cofactor de L-histidine decarboxylase. Esto permite convertir la histidina en histamina. Esta reacción tiene lugar en el aparato Golgi en las células más pequeñas y en los basófilos. A continuación, la histamina se almacena en granularidad en células mástiles como un complejo con residuos ácidos de proteoglicán de heparina mientras que en basófilos como un complejo con sulfato de condroitina.
• Metabolismo y biosíntesis de GABA (ácido aminobutírico γ). El fosfato piridoxal es un cofactor de decarboxilasa de ácido glutámico (GAD). Esto permite la conversión de glutamato en GABA. La reacción tiene lugar en el citoplasma de terminación de las neuronas orgágicas GABA, por lo que la deficiencia de vitamina B6 puede causar convulsiones epilépticas en niños. El fosfato piridoxal también participa en la deamación oxidativa de GABA, donde es un cofactor de aminotransferasa GABA.
• Metabolismo de ornitina. El fosfato piridoxal es un cofactor de carboxilasa ornitina.
• Transamination. El fosfato piridoxal participa en la descomposición y síntesis de aminoácidos, grasas y carbohidratos, y en la biosíntesis de hormonas, neurotransmisores y hemo.

Ejemplos no clásicos de PLP

El PLP también se encuentra en la glucógeno fosforilasa en el hígado, donde se utiliza para descomponer el glucógeno en la glucogenólisis cuando el glucagón o la epinefrina le indican que lo haga. Sin embargo, esta enzima no explota el grupo aldehído reactivo, sino que utiliza el grupo fosfato del PLP para realizar su reacción.

Aunque la gran mayoría de las enzimas dependientes de PLP forman una aldimina interna con PLP a través de un residuo de lisina en el sitio activo, algunas enzimas dependientes de PLP no tienen este residuo de lisina, sino que tienen una histidina en el sitio activo. En tal caso, la histidina no puede formar la aldimina interna y, por lo tanto, el cofactor no queda unido covalentemente a la enzima. La GDP-4-ceto-6-desoximanosa-3-deshidratasa (ColD) es un ejemplo de dicha enzima. La serina hidroximetiltransferasa 2 humana regula las reacciones de transferencia de un carbono necesarias para el metabolismo de aminoácidos y nucleótidos, y existe en formas diméricas y tetraméricas. La variante dimérica SHMT2 es un potente inhibidor del complejo enzimático deubiquitilasa BRISC, que regula la señalización celular de base inmunitaria. Estudios recientes muestran que la tetramerización de SJMT2 es inducida por PLP. Esto previene la interacción con el complejo deubiqutilasa BRISC, lo que potencialmente vincula los niveles y el metabolismo de la vitamina B6 con la inflamación.

Mecanismo catalítico

Las enzimas dependientes de piridoxal-5′-fosfato (enzimas PLP) catalizan innumerables reacciones. Aunque el alcance de las reacciones catalizadas por PLP parece ser inmenso, el principio unificador es la formación de una aldimina interna derivada de lisina. Una vez que el sustrato amino interactúa con el sitio activo, se genera una nueva base de Schiff, comúnmente denominada aldimina externa. Después de este paso, la vía para cada reacción catalizada por PLP diverge.

Especificidad

La especificidad la confiere el hecho de que, de los cuatro enlaces del carbono alfa del aminoácido en estado aldimina, el enlace perpendicular al anillo de piridina se romperá (hipótesis estereoelectrónica de Dunathan). En consecuencia, la especificidad viene dictada por la forma en que las enzimas se unen a sus sustratos. Un papel adicional en la especificidad lo desempeña la facilidad de protonación del nitrógeno del anillo de piridina.

Enzimas PLP

El PLP se retiene en el sitio activo no sólo gracias a la lisina, sino también gracias a la interacción del grupo fosfato y una bolsa de unión de fosfato y, en menor medida, gracias al apilamiento de bases del anillo de piridina con un residuo aromático sobresaliente. , generalmente tirosina (que también puede participar en la catálisis ácido-base). A pesar de los requisitos limitados para un bolsillo de unión de PLP, las enzimas PLP pertenecen sólo a cinco familias diferentes. Estas familias no se correlacionan bien con un tipo particular de reacción. Las cinco familias se clasifican como tipos de pliegues seguidos de un número romano.

• Tipo Fold I - familia de aminotransferas
• Fold Tipo II — tripptophan synthase family
• Fold Tipo III — familia de raza alanina (TIM-barrel)
• Fold Tipo IV — D-amino acid aminotransferase family
• Tipo Fold V - familia de fosforilasa de glucógeno

Biosíntesis

De los vitameres

Los animales son auxótrofos de este cofactor enzimático y requieren que se complemente con él o con un intermedio, de ahí su clasificación como vitamina B₆, a diferencia del MoCo o la CoQ10, por ejemplo. El PLP se sintetiza a partir de piridoxal mediante la enzima piridoxal quinasa, lo que requiere una molécula de ATP. El PLP se metaboliza en el hígado.

Prototrofia

Actualmente se conocen dos vías naturales para el PLP: una requiere desoxixilulosa 5-fosfato (DXP), mientras que la otra no, por lo que se las conoce como dependientes de DXP e independientes de DXP. Estas vías se han estudiado ampliamente en Escherichia coli y Bacillus subtilis, respectivamente. A pesar de la disparidad en los compuestos de partida y el diferente número de pasos necesarios, las dos vías poseen muchos puntos en común.

Biosíntesis dependiente de DXP

La ruta biosintética dependiente de DXP requiere varios pasos y una convergencia de dos ramas, una que produce 3-hidroxi-1-aminoacetona fosfato a partir de eritrosa 4-fosfato, mientras que la otra (una sola enzima) produce desoxixilulosa 5-fosfato (DXP) de gliceraldehído 3-fosfato (GAP) y piruvato. El producto de condensación del fosfato de 3-hidroxi-1-aminoacetona y el 5-fosfato de desoxixilulosa es el 5'-fosfato de piridoxina. La condensación es catalizada por la PNP sintasa, codificada por pdxJ, que crea PNP (piridoxina 5' fosfato). La enzima final es la PNP oxidasa (pdxH), que cataliza la oxidación del 4' grupo hidroxilo a un aldehído usando dioxígeno, lo que da como resultado peróxido de hidrógeno.

La primera rama está catalizada en E. coli por enzimas codificadas por epd, pdxB, serC y pdxA. Estos comparten similitudes mecánicas y homología con las tres enzimas en la biosíntesis de serina (serA (homólogo de pdxB), serC, serB (sin embargo, epd es un homólogo de gap), lo que apunta hacia un origen evolutivo compartido de las dos vías. En varias especies existen dos homólogos de E. coli gen serC, generalmente uno en un operón ser (serC) y el otro en un operón pdx, en cuyo caso se llama pdxF .

Un "camino fortuito" se encontró en una biblioteca de sobreexpresión que podría suprimir la auxotrofia causada por la eliminación de pdxB (que codifica la eritronato 4 fosfato deshidrogenasa) en E. coli. La vía fortuita fue muy ineficaz, pero fue posible gracias a la actividad promiscua de varias enzimas. Comenzó con 3-fosfohidroxipiruvato (el producto de la enzima codificada por serA en la biosíntesis de serina) y no requirió eritronato-4-fosfato. El 3PHP se desfosforiló, lo que dio como resultado un intermedio inestable que se descarboxila espontáneamente (de ahí la presencia del fosfato en la vía biosintética de la serina) a glicaldehído. El glicaldehído se condensó con glicina y el producto fosforilado fue 4-fosfohidroxitreonina (4PHT), el sustrato canónico de la 4-PHT deshidrogenasa (pdxA).

Biosíntesis independiente de DXP

La ruta biosintética de PLP independiente de DXP consiste en un paso catalizado por PLP-sintasa, una enzima compuesta por dos subunidades. PdxS cataliza la condensación de ribulosa 5-fosfato, gliceraldehído-3-fosfato y amoníaco; esta última molécula es producida por PdxT que cataliza la producción de amoníaco a partir de glutamina. PdxS es un barril (β/α)8 (también conocido como barril TIM) que forma un dodecámero.

Síntesis abiótica

La utilización generalizada del PLP en el metabolismo central, especialmente en la biosíntesis de aminoácidos, y su actividad en ausencia de enzimas, sugiere que el PLP puede ser un "prebiótico" compuesto, es decir, uno que es anterior al origen de la vida orgánica (que no debe confundirse con compuestos prebióticos, sustancias que sirven como fuente de alimento para las bacterias beneficiosas). De hecho, al calentar NH3 y glicolardehído se forman espontáneamente una variedad de piridinas, incluido el piridoxal. Bajo ciertas condiciones, el PLP se forma a partir de cianoacetileno, diacetileno, monóxido de carbono, hidrógeno, agua y ácido fosfórico.

Inhibidores

Se conocen varios inhibidores de las enzimas PLP.

Un tipo de inhibidor forma un electrófilo con PLP, lo que hace que reaccione irreversiblemente con el sitio activo lisina. Tales inhibidores son compuestos acetilénicos (por ejemplo, propargilglicina) y compuestos vinílicos (por ejemplo, vinilglicina). Un tipo diferente de inhibidor inactiva el PLP, como los análogos de los sustratos α-metilo y aminooxi (por ejemplo, α-metilglutamato). Otros inhibidores tienen buenos grupos salientes que atacan nucleófilamente al PLP. Tal es la cloroalanina, que inhibe una gran cantidad de enzimas.

Ejemplos de inhibidores:

• Levothyroxine En ratas dadas sólo 10 μg de D, L-thyroxina diariamente durante 15 días, la actividad de cisteine desulfhidrase hepática desaparece y las actividades de serina y deshidratación y glutamato alanina disminuyen alrededor del 40%. La alimentación in vivo de piridoxal-5-fosfato o la adición in vitro de la coenzima a las preparaciones hepáticas restaura la actividad completa a todas estas enzimas, y la ligera inhibición in vitro en presencia de 10^{; 5 -} La tiroxina M también es revertida por piridoxal-5-fosfato.
• La forma inactiva pyridoxina inhibe competitivamente el pyridoxal-5'-fosfato activo. En consecuencia, los síntomas de la suplementación de vitamina B6 en la forma de piridoxina pueden imitar los de deficiencia de vitamina B6; un efecto que tal vez podría evitarse complementando con P5P en su lugar.
• AlaP (fosfonato alanino) inhibe la masa de raza alanina, pero su falta de especificidad ha provocado nuevos diseños de inhibidores de ALR.
• Gabaculine y Vigabatrin inhiben GABA aminotransferasa
• Canalina y 5-fluorometilornitina inhiben ornitina aminotransferasa
• Amino-oxi SAM inhibe sinthase ACC

Evolución

Las enzimas dependientes de piridoxal-5-fosfato (vitamina B6) tienen múltiples orígenes evolutivos. Las enzimas B6 en general divergieron en cuatro líneas evolutivas independientes: familia α (es decir, aspartato aminotransferasa), familia β (serina deshidratasa), familia de D-alanina aminotransferasa y familia de alanina racemasa. Un ejemplo de similitud evolutiva en la familia Beta se ve en el mecanismo. Todas las enzimas β son liasas y catalizan reacciones en las que participan Cα y Cβ. En general, en las enzimas dependientes de PLP, el PLP está unido en todos los casos de forma covalente mediante un enlace imino al grupo amino en el sitio activo.