Fosfopentosa epimerasa

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La fosfopentosa epimerasa (también conocida como ribulosa-fosfato 3-epimerasa y ribulosa 5-fosfato 3-epimerasa, EC 5.1.3.1), codificada en humanos por el gen RPE, es una metaloproteína que cataliza la interconversión entre D-ribulosa 5-fosfato y D-xilulosa 5-fosfato.

D-ribulose 5-phosphate D-xylulose 5-fosfato

Esta conversión reversible es necesaria para la fijación de carbono en las plantas (a través del ciclo de Calvin) y para la fase no oxidativa de la vía de las pentosas fosfato. Esta enzima también ha estado implicada en otras interconversiones de pentosas y glucuronatos.

En Cupriavidus metallidurans se conocen dos copias del gen que codifica la PPE, una está codificada cromosómicamente como P40117, la otra está en un plásmido Q04539. La PPE se ha encontrado en una amplia gama de bacterias, arqueobacterias, hongos y plantas. Todas las proteínas tienen entre 209 y 241 residuos de aminoácidos. La enzima tiene una estructura de barril TIM.

Nomenclature

El nombre sistemático de esta clase de enzimas es D-ribulosa-5-fosfato 3-epimerasa. Otros nombres de uso común incluyen:

  • epimerasa fosforibulosa,
  • eritrose-4-fosfato isomerasa,
  • fosfoketopentose 3-epimerase,
  • xilulosa fosfato 3-epimerasa,
  • epimerasa fosfoketopentosa,
  • ribulosa 5-fosfato 3-epimerasa,
  • D-ribulose phosphate-3-epimerase,
  • D-ribulose 5-fosfato epimerasa,
  • D-ribulose-5-P 3-epimerase,
  • D-xylulose-5-fosfato 3-epimerasa, y
  • pentose-5-fosfato 3-epimerasa.

Esta enzima participa en tres vías metabólicas: vía de las pentosas fosfato, interconversiones de pentosas y glucuronatos, y fijación de carbono.

La proteína humana que contiene este dominio es el gen RPE.

Familia

La fosfopentosa epimerasa pertenece a dos familias de proteínas de jerarquía creciente. Esta enzima pertenece a la familia de las isomerasas, concretamente a aquellas racemasas y epimerasas que actúan sobre los carbohidratos y sus derivados. Además, la base de datos de Clasificación Estructural de Proteínas ha definido la superfamilia de “unión a ribulosa fosfato” de la que es miembro esta epimerasa. Otras proteínas incluidas en esta superfamilia son la 5'-monofosfato descarboxilasa (OMPDC) y la 3-ceto-l-gulonato 6-fosfato descarboxilasa (KGPDC).

Estructura

A finales de 2007, se habían resuelto 4 estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB 1H1Y, 1H1Z, 1RPX y 1TQJ.

En general

Los estudios cristalográficos han ayudado a dilucidar la estructura de la apoenzima de la fosfopentosa epimerasa. Los resultados de estos estudios han demostrado que esta enzima existe como un homodímero en solución. Además, la fosfopentosa epimerasa se pliega en un barril de (β/α)8 triosa fosfato isomerasa (TIM) que incluye bucles. El barril central está compuesto por 8 hebras paralelas que forman la lámina beta central, con hélices ubicadas entre hebras consecutivas. Se sabe que los bucles en esta estructura regulan las especificidades del sustrato. Específicamente, el bucle que conecta la hélice α6 con la hebra β6 recubre el sitio activo al unirse al sustrato.

Como se mencionó anteriormente, la fosfopentosa epimerasa es una metaloenzima. Requiere un cofactor para su funcionalidad y se une a un catión metálico divalente por subunidad. Se ha demostrado que esta enzima utiliza Zn2+ predominantemente para la catálisis, junto con Co2+ y Mn2+. Sin embargo, la fosfopentosa epimerasa humana, que está codificada por el gen RPE, difiere en que se une a Fe2+ predominantemente en la catálisis. Fe2+ está coordinado octaédricamente y estabiliza el intermediario de reacción 2,3-endiolato observado en la figura.

Sitio activo

La región del bucle β6/α6 interactúa con el sustrato y regula el acceso al sitio activo. Phe147, Gly148 y Ala149 de esta región recubren el sitio activo una vez que se ha producido la unión. Además, el ion Fe2+ está coordinado con His35, His70, Asp37, Asp175 y los oxígenos O2 y O3 del sustrato. La unión de los átomos del sustrato al catión de hierro ayuda a estabilizar el complejo durante la catálisis. Los estudios de mutagénesis también han indicado que dos ácidos aspárticos se encuentran dentro del sitio activo y ayudan a mediar la catálisis a través de una reacción de transferencia de 1,1-protones. Los ácidos aspárticos son los catalizadores ácido/base. Por último, una vez que el ligando está unido al sitio activo, una serie de metioninas (Met39, Met72 y Met141) restringen el movimiento posterior a través de la constricción.

Mecanismo

Este es un mecanismo por el cual la epimerasa fosfopentosa convierte la ribulosa 5-fosfato a xilulosa 5-fosfato. El intermedio en 2,3-trans-enediolate.

La fosfopentosa utiliza un mecanismo catalítico de tipo ácido/base. La reacción se lleva a cabo de tal manera que el fosfato de trans-2,3-enodiol es el intermediario. Los dos ácidos aspárticos mencionados anteriormente actúan como donantes y aceptores de protones. Asp37 y Asp175 están unidos por enlaces de hidrógeno al catión de hierro en el sitio activo. Cuando Asp37 se desprotona, ataca a un protón en el tercer carbono de la D-ribulosa 5-fosfato, que forma el intermediario. En un paso concertado, cuando Asp37 captura un protón, el enlace carbonilo en el sustrato captura un segundo protón de Asp175 para formar un grupo hidroxilo. El complejo de hierro ayuda a estabilizar cualquier carga adicional. Es el C3 de la D-ribulosa 5-fosfato el que experimenta esta epimerización, formando D-xilulosa 5-fosfato. El mecanismo se muestra claramente en la figura.

Función

Ciclo de calvin

Los experimentos de microscopía electrónica en plantas han demostrado que la fosfopentosa epimerasa se localiza en la membrana tilacoide de los cloroplastos. Esta epimerasa participa en la tercera fase del ciclo de Calvin, que implica la regeneración de la ribulosa 1,5-bisfosfato. La RuBP es el aceptor del dióxido de carbono (CO2) en el primer paso de la vía, lo que sugiere que la fosfopentosa epimerasa regula el flujo a través del ciclo de Calvin. Sin la regeneración de la ribulosa 1,5-bisfosfato, el ciclo no podría continuar. Por lo tanto, la xilulosa 5-fosfato se convierte reversiblemente en ribulosa 5-fosfato por esta epimerasa. Posteriormente, la fosforibulosa quinasa convierte la ribulosa 5-fosfato en ribulosa 1,5-bisfosfato.

Vía fósfata pentase

Las reacciones de la vía de las pentosas fosfato (PPP) tienen lugar en el citoplasma. La fosfopentosa epimerasa afecta específicamente a la parte no oxidativa de la vía, que implica la producción de varios azúcares y precursores. Esta enzima convierte la ribulosa 5-fosfato en el epímero apropiado para la reacción de la transcetolasa, la xilulosa 5-fosfato. Por lo tanto, la reacción que ocurre en la vía de las pentosas fosfato es exactamente la inversa de la reacción que ocurre en el ciclo de Calvin. El mecanismo sigue siendo el mismo e implica la formación de un intermediario endiolato.

Debido a su participación en esta vía, la fosfopentosa epimerasa es una enzima importante para la respuesta celular al estrés oxidativo. La generación de NADPH por la vía de las pentosas fosfato ayuda a proteger las células contra las especies reactivas del oxígeno. El NADPH es capaz de reducir el glutatión, que desintoxica el cuerpo al producir agua a partir del peróxido de hidrógeno (H2O2). Por lo tanto, la fosfopentosa epimerasa no solo altera el flujo a través de la PPP, sino que también evita la acumulación de peróxidos.

Evolución

Las estructuras de muchos análogos de la fosfopentosa epimerasa se han descubierto mediante estudios cristalográficos. Debido a su papel en el ciclo de Calvin y la vía de las pentosas fosfato, la estructura general se conserva. Cuando se compararon las secuencias de organismos evolutivamente distantes, se observó una similitud superior al 50%. Sin embargo, los aminoácidos ubicados en la interfaz del dímero, que participan en muchas interacciones intermoleculares, no están necesariamente conservados. Es importante señalar que los miembros de la superfamilia de "unión a la ribulosa fosfato" resultaron de una evolución divergente a partir de un ancestro de barril (β/α)8.

Metas contra las drogas y malaria

El organismo protozoario Plasmodium falciparum es un importante agente causal de la malaria. La fosfopentosa epimerasa ha sido implicada en la vía del shikimato, una vía esencial para la propagación de la malaria. A medida que la enzima convierte la ribulosa 5-fosfato en xilulosa 5-fosfato, esta última se metaboliza a su vez en eritrosa 4-fosfato. La vía del shikimato convierte luego la eritrosa 4-fosfato en corismato. Es la fosfopentosa epimerasa la que permite que Plasmodium falciparum utilice la eritrosa 4-fosfato como sustrato. Debido a la participación de esta enzima en la vía del shikimato, la fosfopentosa epimerasa es un objetivo farmacológico potencial para el desarrollo de antipalúdicos.

Véase también

  • Phosphopentose Isomerase
  • Phosphoribulose Kinase
  • Camino del fosfato de Pentose
  • TIM barrel
  • RPE (encoder gen humano Ribulose-fosfato 3-epimerasa)

Referencias

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  • Diagrama en nlm.nih.gov
  • Diagrama en stanford.edu
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