Malato sintasa

En enzimología, una malato sintasa (EC 2.3.3.9) es una enzima que cataliza la reacción química.

acetil-CoA + H₂O + glyoxylate ${\displaystyle \rightarrow }$ ()S)-malato + CoA

Los tres sustratos de esta enzima son acetil-CoA, H₂O y glioxilato, mientras que sus dos productos son (S)-malato y CoA. Esta enzima participa en el metabolismo del piruvato, así como en el metabolismo del glioxilato y el dicarboxilato.Esta enzima pertenece a la familia de las transferasas, específicamente a las aciltransferasas, que convierten los grupos acilo en grupos alquilo durante la transferencia. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA:glioxilato C-acetiltransferasa (hidrolizante de tioésteres, formadora de carboximetilo). Otros nombres comunes incluyen L-malato glioxilato-liasa (acetilante de CoA), glioxilato transacetilasa, glioxilato transacetasa, glioxílica transacetasa, enzima condensadora de malato, malato sintetasa, sintetasa málica y enzima condensadora málica.

Las malato sintasas se dividen en dos familias principales: las isoformas A y G. La isoforma G es monomérica, con un tamaño aproximado de 80 kD, y se encuentra exclusivamente en bacterias. La isoforma A tiene un peso aproximado de 65 kD por subunidad y puede formar homomultímeros en eucariotas. Esta enzima contiene un barril TIM central, intercalado entre un cierre alfa-helicoidal N-terminal y un dominio alfa/beta, derivado de dos inserciones en la secuencia del barril TIM. La enzima termina con un tapón C-terminal de cinco hélices. El sitio activo, donde el acetil-CoA y el glioxilato se unen a la enzima, se encuentra entre el barril TIM y el tapón C-terminal. Tras la unión, la molécula de acetil-CoA forma una J insertada en el bolsillo de unión mediante un enlace de hidrógeno intramolecular entre el N7 del anillo de adenina y un grupo hidroxilo en la cola de panteteína. Además, un ion magnesio crítico en el sitio activo se coordina con glioxilato, ácido glutámico 427, ácido aspártico 455 y dos moléculas de agua. Los aminoácidos que interactúan con el acetil CoA al unirse están altamente conservados. La identidad de secuencia es alta dentro de cada clase de isoformas, pero entre ambas clases la identidad de secuencia se reduce a aproximadamente el 15 %. El dominio alfa/beta, sin función aparente, no se observa en la isoforma A.

El mecanismo de la malato sintasa es una reacción aldólica seguida de hidrólisis de tioéster. Inicialmente, el aspartato 631 actúa como base catalítica, extrayendo un protón del carbono alfa del acetil-CoA y creando un enolato estabilizado por la arginina 338. Este se considera el paso determinante de la velocidad del mecanismo. Posteriormente, el enolato recién formado actúa como un nucleófilo que ataca al aldehído del glioxilato, impartiendo una carga negativa al oxígeno, que es estabilizado por la arginina 338 y el catión magnesio coordinador. Este intermediario, malil-CoA, se hidroliza en la porción acil-CoA, generando un anión carboxilato. La enzima finalmente libera malato y coenzima A.

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs) es utilizado por organismos aeróbicos para producir energía mediante la oxidación del acetil-CoA, derivado del piruvato (un producto de la glucólisis). El ciclo del ácido cítrico acepta el acetil-CoA y lo metaboliza para formar dióxido de carbono. Un ciclo relacionado, llamado ciclo del glioxilato, se encuentra en muchas bacterias y plantas. En las plantas, el ciclo del glioxilato tiene lugar en los glioxisomas. En este ciclo, la isocitrato liasa y la malato sintasa omiten los pasos de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico. En otras palabras, la malato sintasa trabaja junto con la isocitrato liasa en el ciclo del glioxilato para evitar dos pasos oxidativos del ciclo de Krebs y permitir la incorporación de carbono del acetato o los ácidos grasos en muchos microorganismos. Juntas, estas dos enzimas producen succinato (que sale del ciclo para sintetizar azúcares) y malato (que permanece en el ciclo del glioxilato). Durante este proceso, el acetil-CoA y el agua se utilizan como sustratos. Como resultado, la célula no pierde dos moléculas de dióxido de carbono como ocurre en el ciclo de Krebs. El ciclo del glioxilato, facilitado por la malato sintasa y la isocitrato liasa, permite que las plantas y bacterias se alimenten de acetil-CoA u otros compuestos de dos carbonos. Por ejemplo, la Euglena gracilis, un alga eucariota unicelular, consume etanol para formar acetil-CoA y, posteriormente, carbohidratos. En las plantas en germinación, el ciclo del glioxilato permite la conversión de lípidos de reserva en carbohidratos dentro de los glioxisomas.La malato sintasa se encuentra como un octámero de subunidades idénticas (cada una de aproximadamente 60 kDa) en algunas plantas, incluido el maíz. Se encuentra como homotetrámero en el hongo Candida y como homodímero en las eubacterias. La malato sintasa se fusiona al extremo C-terminal de la isocitrato liasa en C. elegans, lo que resulta en una única proteína bifuncional. Si bien actualmente no existe suficiente información secuencial para determinar la historia evolutiva exacta de la malato sintasa, las secuencias de plantas, hongos y C. elegans son distintas y no presentan homólogos de las arqueobacterias.Tradicionalmente, las malato sintasas se describen en bacterias como parte del ciclo del glioxilato, y la actividad de la malato sintasa no se había reportado para una proteína humana antes de un estudio de Strittmatter et al. En este estudio, se descubrió que CLYBL es una enzima mitocondrial humana con actividad de malato sintasa. Se encuentra en múltiples taxones eucariotas y se conserva en bacterias. CLYBL se diferencia de otras malato sintasas en que carece de una gran porción del dominio C-terminal y muestra una actividad y eficiencia específicas menores. CLYBL está vinculada a la vía metabólica de la vitamina B12 porque se coexpresa fuertemente con MUT, MMAA y MMAB, tres miembros de la vía mitocondrial de la B12. Además, un polimorfismo de pérdida de función, que conduce a la pérdida de la proteína CLYBL, se asocia simultáneamente con niveles bajos de B12 en el plasma humano. Aunque no se comprende bien el mecanismo exacto de la participación de CLYBL en el metabolismo de la vitamina B12, se cree que convierte la citramalil-CoA en piruvato y acetil-CoA. Sin esta conversión, la itaconil-CoA, precursora de la citramalil-CoA, se acumula en la célula, lo que provoca la inactivación de la vitamina B12. Esta inactivación inhibe el ciclo de la metionina, lo que reduce el metabolismo de la serina, la glicina, los monocarbonatos y el folato.Dado que el ciclo del glioxilato ocurre en bacterias y hongos, estudiar los mecanismos de la malato sintasa (así como de la isocitrato liasa) es importante para comprender la patogénesis en humanos, animales y plantas. El estudio de la malato sintasa puede arrojar luz sobre las vías metabólicas que permiten a los patógenos sobrevivir dentro de un huésped, así como para dilucidar posibles tratamientos. Se han realizado numerosos estudios sobre la actividad de la malato sintasa en patógenos, como Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas aeruginosa, Brucella melitensis y Escherichia coli.La malato sintasa y la vía del glioxilato son especialmente importantes para M. tuberculosis, ya que permiten la persistencia a largo plazo de su infección. Cuando las células de M. tuberculosis son fagocitadas, la bacteria regula positivamente los genes que codifican las enzimas de derivación del glioxilato. Mycobacterium tuberculosis es uno de los patógenos mejor estudiados en relación con la enzima malato sintasa. La estructura y la cinética de la malato sintasa de Mycobacterium tuberculosis han sido bien categorizadas. La malato sintasa es esencial para la supervivencia de Mycobacterium tuberculosis, ya que permite a la bacteria asimilar acetil-CoA en carbohidratos de cadena larga y sobrevivir en ambientes hostiles. Además, la malato sintasa previene la toxicidad causada por la acumulación de glioxilato producida por la isocitrato liasa. La regulación negativa de la malato sintasa reduce la tolerancia al estrés, la persistencia y el crecimiento de Mycobacterium tuberculosis dentro de los macrófagos. La enzima puede ser inhibida por moléculas pequeñas (aunque la inhibición depende del microambiente), lo que sugiere que podrían utilizarse como nuevas quimioterapias.

Pseudomonas aeruginosa causa infecciones graves en humanos y la Organización Mundial de la Salud la considera una amenaza crítica debido a su resistencia a múltiples terapias. La derivación de glioxilato es esencial para el crecimiento de Pseudomonas aeruginosa en un organismo huésped. En 2017, McVey et al. examinaron la estructura tridimensional de la malato sintasa G de P. aeruginosa. Descubrieron que es un monómero compuesto por cuatro dominios y que está altamente conservado en otros patógenos. Además, utilizaron análisis computacionales para identificar dos bolsillos de unión que podrían servir como dianas farmacológicas.

Brucella melitensis es una bacteria patógena que causa fiebre e inflamación del epidídimo en ovejas y ganado vacuno, y puede transmitirse a los humanos a través del consumo de leche no pasteurizada. La malato sintasa se ha identificado como un posible factor de virulencia en esta bacteria. En 2016, Adi et al. construyeron una estructura cristalizada tridimensional de la proteína para identificar dominios catalíticos e investigar posibles inhibidores. Identificaron cinco inhibidores con toxicidad no oral que sirvieron como fármacos contra la bacteria, lo que sugiere posibles vías de tratamiento para la brucelosis.

En Escherichia coli, los genes que codifican las enzimas necesarias para el ciclo del glioxilato se expresan a partir del operón policistrónico ace. Este operón contiene genes que codifican la malato sintasa (aceB), la isocitrato liasa (aceA) y la isocitrato deshidrogenasa quinasa/fosfatasa (aceK).A principios de 2018, se habían resuelto varias estructuras de malato sintasas, incluidas aquellas con códigos de acceso PDB 2GQ3, 1D8C, 3OYX, 3PUG, 5TAO, 5H8M, 2JQX, 1P7T y 1Y8B.