La ribosa-5-fosfato isomerasa (Rpi), codificada por el gen RPIA, es una enzima (EC 5.3.1.6) que cataliza la conversión entre ribosa-5-fosfato (R5P) y ribulosa-5-fosfato (Ru5P). Pertenece a una clase más amplia de isomerasas que catalizan la interconversión de isómeros químicos (en este caso, isómeros estructurales de la pentosa). Desempeña un papel vital en el metabolismo bioquímico, tanto en la vía de la pentosa fosfato como en el ciclo de Calvin. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es D-ribosa-5-fosfato aldosa-cetosa-isomerasa.
Estructura
Gene
En los seres humanos, la RpiA se codifica en el segundo cromosoma del brazo corto (brazo p), en la posición 11.2. Su secuencia codificante tiene una longitud de casi 60.000 pares de bases. La única mutación genética natural conocida provoca la deficiencia de ribosa-5-fosfato isomerasa, que se describe más adelante. Se cree que la enzima ha estado presente durante la mayor parte de la historia evolutiva. Experimentos de eliminación de genes de varias especies que codifican la RpiA han revelado residuos conservados y motivos estructurales similares, lo que indica un origen antiguo del gen.
Proteína
Un diagrama estructural de la enzima ribosa-5-fosfato isomerasa por Zhang, et al.Rpi existe como dos proteínas distintas, denominadas RpiA y RpiB. Aunque RpiA y RpiB catalizan la misma reacción, no muestran homología de secuencia ni de estructura general. Según Jung et al., una evaluación de RpiA mediante SDS-PAGE muestra que la enzima es un homodímero de subunidades de 25 kDa. La masa molecular del dímero de RpiA se determinó en 49 kDa mediante filtración en gel. Recientemente, se determinó la estructura cristalina de RpiA (véase [1]).Debido a su papel en la vía de las pentosas fosfato y el ciclo de Calvin, la RpiA se encuentra altamente conservada en la mayoría de los organismos, como bacterias, plantas y animales. La RpiA desempeña un papel esencial en el metabolismo de plantas y animales, ya que participa en el ciclo de Calvin, que se lleva a cabo en plantas, y en la vía de las pentosas fosfato, tanto en plantas como en animales.Todos los ortólogos de la enzima mantienen una estructura cuaternaria asimétrica de tetrámero con una hendidura que contiene el sitio activo. Cada subunidad consta de una lámina β de cinco cadenas. Estas láminas β están rodeadas a ambos lados por hélices α. Este motivo αβα es común en otras proteínas, lo que sugiere una posible homología con otras enzimas. Las moléculas de la enzima se mantienen unidas mediante contactos altamente polares en las superficies externas de los monómeros. Se presume que el sitio activo se encuentra donde se unen múltiples extremos C de la lámina β en la hendidura enzimática. Esta hendidura es capaz de cerrarse al reconocer el fosfato en la pentosa (o un inhibidor de fosfato apropiado). Se sabe que el sitio activo contiene residuos conservados equivalentes a los residuos de E. coli Asp81, Asp84 y Lys94. Estos participan directamente en la catálisis.
Mecanismo
En la reacción, la consecuencia general es el movimiento de un grupo carbonilo del carbono 1 al 2; esto se logra mediante un intermediario enodiol (Figura 1). Mediante mutagénesis dirigida, se sugirió que Asp87 de la RpiA de la espinaca desempeña el papel de base general en la interconversión de R5P a Ru5P.
El primer paso en la catálisis es la unión de la pentosa al sitio activo en la hendidura enzimática, seguida del cierre alostérico de dicha hendidura. La enzima es capaz de unirse a la cadena abierta o forma de anillo del azúcar-fosfato. Si se une al anillo de furanosa, lo abre. A continuación, la enzima forma el eneldiol, que se estabiliza mediante un residuo de lisina o arginina. Los cálculos han demostrado que esta estabilización es el factor más significativo que contribuye a la actividad catalítica general de esta isomerasa y de otras similares.
Función
La proteína codificada por el gen RPIA es una enzima que cataliza la conversión reversible entre ribosa-5-fosfato y ribulosa-5-fosfato en la vía de las pentosas-fosfato. Este gen está altamente conservado en la mayoría de los organismos. La enzima desempeña un papel esencial en el metabolismo de los carbohidratos. Las mutaciones en este gen causan deficiencia de ribosa-5-fosfato isomerasa. Un pseudogén se encuentra en el cromosoma 18.
Vía fósfata pentase
En la fase no oxidativa de la vía de las pentosas fosfato, la RPIA convierte Ru5P en R5P, que a su vez es convertida por la ribulosa-fosfato 3-epimerasa en xilulosa-5-fosfato (figura 3). El resultado de la reacción es, esencialmente, la conversión de las pentosas fosfato en intermediarios utilizados en la vía glucolítica. En la fase oxidativa de la vía de las pentosas fosfato, la RpiA convierte Ru5P en el producto final, R5P, mediante la reacción de isomerización (figura 3). La rama oxidativa de la vía es una fuente importante de NADPH, necesario para las reacciones biosintéticas y la protección contra las especies reactivas de oxígeno.
Ciclo de calvin
En el ciclo de Calvin, la energía de los transportadores de electrones se utiliza en la fijación del carbono, la conversión de dióxido de carbono y agua en carbohidratos. La RPIA es esencial en el ciclo, ya que el Ru5P generado a partir de R5P se convierte posteriormente en ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), el aceptor de dióxido de carbono en la primera reacción oscura de la fotosíntesis (Figura 3). El producto directo de la reacción de la carboxilasa de la RuBP es el gliceraldehído-3-fosfato; este se utiliza posteriormente para producir carbohidratos más grandes. El gliceraldehído-3-fosfato se convierte en glucosa, que posteriormente la planta convierte en formas de almacenamiento (p. ej., almidón o celulosa) o utiliza para obtener energía.
Significado clínico
La deficiencia de ribosa-5-fosfato isomerasa se encuentra mutada en un trastorno poco común, la deficiencia de ribosa-5-fosfato isomerasa. Esta enfermedad solo tiene un paciente conocido, diagnosticado en 1999. Se ha descubierto que está causada por una combinación de dos mutaciones. La primera es una inserción de un codón de terminación prematuro en el gen que codifica la isomerasa, y la segunda es una mutación de sentido erróneo. La patología molecular aún no está clara.
RpiA y hepatocarcinogénesis
La ribosa-5-fosfato isomerasa A humana (RpiA) desempeña un papel en el carcinoma hepatocelular (CHC) humano. Se detectó un aumento significativo en la expresión de RpiA tanto en biopsias tumorales de pacientes con CHC como en un array de tejido hepático canceroso. Cabe destacar que el análisis clinicopatológico indicó que los niveles de ARNm de RpiA estaban altamente correlacionados con el estadio clínico, el grado, el tamaño y tipo de tumor, la invasión y los niveles de alfa-fetoproteína en los pacientes con CHC. Además, la capacidad de RpiA para regular la proliferación celular y la formación de colonias en diferentes líneas celulares de cáncer hepático requirió la señalización de ERK, así como la modulación negativa de la actividad de PP2A, y que los efectos de RpiA podrían modularse mediante la adición de un inhibidor o activador de PP2A. Esto sugiere que la sobreexpresión de RpiA puede inducir la oncogénesis en el CHC.
RpiA y el parásito de malaria
La RpiA generó interés cuando se descubrió que esta enzima desempeña un papel esencial en la patogénesis del parásito Plasmodium falciparum, agente causal de la malaria. Las células de Plasmodium necesitan un alto aporte de NADPH, el poder reductor de la PPP, para su rápido crecimiento. Esta necesidad de NADPH también es necesaria para desintoxicar el hemo, producto de la degradación de la hemoglobina.
Además, Plasmodium requiere una producción intensa de ácidos nucleicos para su rápida proliferación. La R5P, producida mediante una mayor actividad de la vía de las pentosas fosfato, se utiliza para generar 5-fosfo-D-ribosa α-1-pirofosfato (PRPP), necesaria para la síntesis de ácidos nucleicos. Se ha demostrado que las concentraciones de PRPP aumentan 56 veces en los eritrocitos infectados en comparación con los no infectados. Por lo tanto, el diseño de fármacos dirigidos a la RpiA en Plasmodium falciparum podría tener potencial terapéutico para pacientes con malaria.
Interacciones
Se ha demostrado que RPIA interactúa con PP2A.
Estudios estructurales
A finales de 2007, se habían resuelto 15 estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB 1LK5, 1LK7, 1LKZ, 1M0S, 1NN4, 1O1X, 1O8B, 1UJ4, 1UJ5, 1UJ6, 1USL, 1XTZ, 2BES, 2BET y 2F8M.
Referencias
^U.S. National Library of Medicine http://ghr.nlm.nih.gov/gene/RPIA
^Sørensen KI, Hove-Jensen B (febrero de 1996). "El catabolismo ríbose de Escherichia coli: caracterización del gen rpiB encoding ribosa fosfato isomerasa B y del gen rpiR, que está involucrado en la regulación de la expresión rpiB". Journal of Bacteriology. 178 4): 1003 –11. doi:10.1128/jb.178.4.1003-1011.1996. PMC 177759. PMID 8576032.
^ a bJung CH, Hartman FC, Lu TY, Larimer FW (enero 2000). "D-ribose-5-phosphate isomerase from spinach: heterologous overexpression, purification, characterization, and site-directed mutagenesis of the recombinant enzima". Archivos de Bioquímica y Biofísica. 373 2): 409 –17. doi:10.1006/abbi.1999.1554. PMID 10620366. S2CID 13217828.
^Zhang RG, Andersson CE, Skarina T, Evdokimova E, Edwards AM, Joachimiak A, Savchenko A, Mowbray SL (octubre de 2003). "La estructura de resolución 2.2 Å de RpiB/AlsB de Escherichia coli ilustra un nuevo enfoque de la reacción isomerasa ribosa-5-fosfato". Journal of Molecular Biology. 332 5): 1083 –94. doi:10.1016/j.jmb.2003.08.009. PMC 2792017. PMID 14499611.
^Rossmann MG, Moras D, Olsen KW (julio de 1974). "Evolución química y biológica de la proteína de unión nucleótida". Naturaleza. 250 (463): 194–9. Bibcode:1974Natur.250..194R. doi:10.1038/250194a0. PMID 4368490. S2CID 4273028.
^ a b cZhang Rg, Andersson CE, Savchenko A, Skarina T, Evdokimova E, Beasley S, Arrowsmith CH, Edwards AM, Joachimiak A, Mowbray SL (enero 2003). "Structure de Escherichia coli ribose-5-phosphate isomerase: una enzima ubicua de la vía fósfata pentosa y el ciclo Calvin". Estructura. 11 1): 31–42. doi:10.1016/S0969-2126(02)00933-4. PMC 2792023. PMID 12517338.
^Gengenbacher M, Fitzpatrick TB, Raschle T, Flicker K, Sinning I, Müller S, Macheroux P, Tews I, Kappes B (febrero de 2006). "Vitamin B6 biosíntesis por el parásito de malaria Plasmodium falciparum: información bioquímica y estructural". El Diario de Química Biológica. 281 (6): 3633–41. doi:10.1074/jbc.M508696200. PMID 16339145.
^Woodruff, William W.; Wolfenden, Richard (18 de julio de 1978). "Inhibición de la ribosa-5-fosfato por 4-phosphoerythronate". Journal of Biological Chemistry. 254 (13). Retrieved 6 de marzo 2013.
^Feierberg I, Åqvist (2002). "Modificación computacional de reacciones enzimáticas de keto-enol isomerization". Cuentas Teóricas de Química. 108 2): 71–84. doi:10.1007/s00214-002-0365-7. S2CID 95097042.
^Berg, Jeremy M. (2012). Bioquímica. New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-2936-4.
^Struzyńska L, Chalimoniuk M, Sulkowski G (septiembre 2005). "El papel de la astroglia en el cerebro de rata adulta expuesta por Pb con respecto a la toxicidad glutamatosa". Toxicology. 212 ()2-3): 185 –94. doi:10.1016/j.tox.2005.04.013. PMID 15955607.
^Martin W, Henze K, Kellerman J, Flechner A, Schnarrenberger C (febrero de 1996). "Microsequencing and cDNA cloning of the Calvin cycle/OPPP enzima ribose-5-phosphate isomerase (EC 5.3.1.6) from spinach chloroplasts". Planta molecular Biología. 30 4): 795 –805. doi:10.1007/BF00019012. PMID 8624410. S2CID 4218453.
^A. A. Benson; J. A. Bassham; M. Calvin; T. C. Goodale; V. A. Haas; W. Stepka (1950). "El camino del carbono en la fotosíntesis. V. Chromatografía de papel y Radioautografía de los Productos1". Journal of the American Chemical Society. 72 4): 1710 –1718. doi:10.1021/ja01160a080.
^Nelson, David L. (2005). Principios de Bioquímica. New Yord: W.H Freeman and Company. ISBN 0-7167-4339-6.
^Wamelink MM, Grüning NM, Jansen EE, Bluemlein K, Lehrach H, Jakobs C, Ralser M (septiembre de 2010). "La diferencia entre rara y excepcionalmente rara: caracterización molecular de la deficiencia de isomerasa de 5 fosfatos" (PDF). Journal of Molecular Medicine. 88 (9): 931 –9. doi:10.1007/s00109-010-0634-1. hdl:1871/34686. PMID 20499043. S2CID 10870492.
^ a bHuck JH, Verhoeven NM, Struys EA, Salomons GS, Jakobs C, van der Knaap MS (abril de 2004). "Ribose-5-fosfato deficiencia isomerasa: nuevo error innato en la vía del fosfato pentose asociado con una leucoencefalopatía lentamente progresiva". American Journal of Human Genetics. 74 4): 745 –51. doi:10.1086/383204. PMC 1181951. PMID 14988808.
^Riganti C, Gazzano E, Polimeni M, Aldieri E, Ghigo D (agosto 2012). "La vía de fosfato pentose: una defensa antioxidante y una encrucijada en el destino de la célula tumoral". Biología Radical Libre & Medicina. 53 3): 421 –36. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2012.05.006. PMID 22580150.
^ a bCiou SC, Chou YT, Liu YL, Nieh YC, Lu JW, Huang SF, Chou YT, Cheng LH, Lo JF, Chen MJ, Yang MC, Yuh CH, Wang HD (Julio 2015). "La isomerasa Ríbose-5-fosfato A regula la hepatocarcinogénesis a través de la señalización PP2A y ERK". International Journal of Cancer. 137 1): 104 –15. doi:10.1002/ijc.29361. PMID 25429733.
^Becker K, Rahlfs S, Nickel C, Schirmer RH (abril de 2003). "Glutathione-funciones y metabolismo en el parásito malaria Plasmodium falciparum". Química Biológica. 384 4): 551 –66. doi:10.1515/BC.2003.063. PMID 12751785. S2CID 20083367.
Dickens F, Williamson DH (noviembre de 1956). "Pentosa fosfato isomerasa y epimerasa de los tejidos animales". The Biochemical Journal. 64 3): 567 –78. doi:10.1042/bj0640567. PMC 1199776. PMID 13373810.
Horecker BL, Smyrniotis PZ, Seegmiller JE (noviembre de 1951). "La conversión enzimática de 6-phosphogluconate a ribulose-5-fosfato y ribosa-5-fosfato". El Diario de Química Biológica. 193 1): 383 –96. doi:10.1016/S0021-9258(19)52464-4. PMID 14907726.
Hurwitz J, Weissbach A, Horecker BL, Smyrniotis PZ (Febrero 1956). "Spinach phosphoribulokinase". El Diario de Química Biológica. 218 2): 769 –83. doi:10.1016/S0021-9258(18)65841-7. PMID 13295229.
