Orotidina 5'-fosfato descarboxilasa

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La descarboxilasa de orotidina 5'-fosfato (descarboxilasa de OMP) u orotidilato descarboxilasa es una enzima que participa en la biosíntesis de pirimidina. Cataliza la descarboxilación de monofosfato de orotidina (OMP) para formar monofosfato de uridina (UMP). La función de esta enzima es esencial para la biosíntesis de novo de los nucleótidos de pirimidina trifosfato de uridina, trifosfato de citidina y trifosfato de timidina. La descarboxilasa de OMP ha sido un objetivo frecuente de la investigación científica debido a su demostrada eficiencia catalítica extrema y su utilidad como marcador de selección para la ingeniería de cepas de levadura.

Esquema de reacción catalizada por OMP decarboxylase

Catalisis

La descarboxilasa OMP es conocida por ser un catalizador extraordinariamente eficiente capaz de acelerar la velocidad de reacción no catalizada por un factor de 1017. Para poner esto en perspectiva, la reacción no catalizada que tardaría 78 millones de años en convertir la mitad de los reactivos en productos se acelera a 18 milisegundos cuando es catalizada por la descarboxilasa OMP. Esta extrema eficiencia enzimática es especialmente interesante porque la descarboxilasa OMP no utiliza cofactores y no contiene sitios metálicos ni grupos prostéticos. La catálisis depende de un puñado de residuos de aminoácidos cargados ubicados dentro del sitio activo de la enzima.

Imagen que representa la estructura del sitio activo de la decarboxilasa OMP cuando está ligada al inhibidor BMP. Tenga en cuenta los residuos de Lys y Asp que rodean el 6-hidroxil del sustrato. (Imágen capturada de la instantánea del visor de pimol de la estructura de cristal de 1LOR)

El mecanismo exacto por el cual la OMP descarboxilasa cataliza su reacción ha sido objeto de rigurosa investigación científica. La fuerza impulsora de la pérdida del carboxilo unido al C6 del anillo de pirimidina proviene de la proximidad de un grupo carboxilo de residuo de aspartato en el sitio activo de la enzima, que desestabiliza el estado fundamental en relación con el estado de transición de la reacción no catalizada. Ha habido múltiples hipótesis sobre qué forma toma el estado de transición antes de que ocurra la protonación del carbono C6 para producir el producto final. Muchos estudios investigaron la unión de un potente inhibidor de la OMP descarboxilasa, el 6-hidroxi uridina monofosfato (BMP, un derivado del ácido barbitúrico), dentro del sitio activo, para identificar qué residuos de aminoácidos esenciales están directamente involucrados con la estabilización del estado de transición. (Véase la figura de la enzima unida a BMP) Se han propuesto varios mecanismos para la descarboxilación enzimática de OMP, incluyendo la protonación en O2 para formar una especie zwitteriónica como intermediario, la estabilización aniónica de O4 o el ataque nucleofílico en C5. El consenso actual sugiere que el mecanismo procede a través de un carbanión estabilizado en el C6 después de la pérdida de dióxido de carbono. Este mecanismo fue sugerido a partir de estudios que investigaban los efectos isotópicos cinéticos junto con la inhibición competitiva y la mutagénesis del sitio activo. En este mecanismo, la especie de carbanión de vida corta es estabilizada por un residuo de lisina cercano, antes de ser extinguida por un protón. (Véase el esquema del mecanismo catalítico) La intermediación de un carbanión de vinilo altamente básico que no se beneficia de la estabilización electrónica es rara en un sistema enzimático y en los sistemas biológicos en general. Sorprendentemente, el microambiente enzimático ayuda a estabilizar considerablemente el carbanión. El pKaH del intermedio carbaniónico unido a la enzima resultó ser menor o igual a 22 según estudios de intercambio de deuterio. Si bien sigue siendo muy básico, se estima que el pKaH correspondiente del intermedio carbaniónico libre es mucho más alto, alrededor de 30-34 (según mediciones en el análogo 1,3-dimetiluracilo), lo que lleva a la conclusión de que la enzima estabiliza el carbanión en al menos 14 kcal/mol.

Esquemática de reacción que muestra el mecanismo de la catalisis de de decarboxilasa de OMP a través de un carbanion de vinilo putative en la posición C6. Es probable que este carbanión se estabilice por el cercano residuos de lisina protonada. La numeración de residuos Lys93 y Asp91 corresponde a la secuencia de decarboxilasa OMP de S cerevisiae.

Relación con la sintesis UMP

En levaduras y bacterias, la OMP descarboxilasa es una enzima de función única. Sin embargo, en los mamíferos, la OMP descarboxilasa es parte de una proteína única con dos actividades catalíticas. Esta enzima bifuncional se denomina UMP sintasa y también cataliza la reacción precedente en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina, la transferencia de ribosa 5-fosfato desde 5-fosforribosil-1-pirofosfato a orotato para formar OMP. En los organismos que utilizan la OMP descarboxilasa, esta reacción es catalizada por la orotato fosforribosiltransferasa.

Importancia en genética de levadura

Las mutaciones en el gen que codifica la descarboxilasa OMP en levaduras (URA3) provocan auxotrofia en uracilo. Además, una función de la descarboxilasa OMP hace que las cepas de levadura sean sensibles a la molécula de ácido 5-fluoroorótico (5-FOA). El establecimiento del gen URA3 como marcador de selección con estrategias de selección tanto positivas como negativas ha hecho que la expresión controlada de la descarboxilasa OMP sea una herramienta de laboratorio importante para la investigación de la genética de las levaduras.

Véase también

  • Efecto del círculo

Referencias

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