Lactoilglutationa liase - Lactoylglutathione lyase
| lactoilglutationa liase | |||||||||
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Diagrama de fita da glioxalase I humana com seus íons catalíticos de zinco mostrados como duas esferas roxas. Um inibidor, S-hexil glutationa , é mostrado como um modelo de preenchimento de espaço ; as esferas verde, vermelho, azul e amarelo correspondem ao carbono , oxigénio , azoto e enxofre átomos , respectivamente.
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| Identificadores | |||||||||
| EC nº | 4.4.1.5 | ||||||||
| CAS no. | 9033-12-9 | ||||||||
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| IntEnz | Vista IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entrada BRENDA | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme view | ||||||||
| KEGG | Entrada KEGG | ||||||||
| MetaCyc | via metabólica | ||||||||
| PRIAM | perfil | ||||||||
| Estruturas PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontologia Genética | AmiGO / QuickGO | ||||||||
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Em enzimologia , uma lactoilglutationa liase ( EC 4.4.1.5 ) (também conhecida como glioxalase I ) é uma enzima que catalisa a isomerização de adutos hemitioacetais, que são formados em uma reação espontânea entre um grupo glutationil e aldeídos como o metilglioxal .
- glutationa + aducto de metilglioxal hemitioacetal (R) -S-lactoilglutationa
Glyoxalase I deriva seu nome de sua catálise da primeira etapa no sistema glioxalase , um sistema crítico de desintoxicação de duas etapas para o metilglioxal . O metilglioxal é produzido naturalmente como um subproduto da bioquímica normal, mas é altamente tóxico, devido às suas reações químicas com proteínas , ácidos nucléicos e outros componentes celulares. A segunda etapa de desintoxicação, na qual (R) -S-lactoilglutationa é dividida em glutationa e D-lactato, é realizada pela glioxalase II , uma hidrolase . Raramente, essas reações realizadas pelo sistema glioxalase não oxida a glutationa, que geralmente atua como uma coenzima redox . Embora a aldose redutase também possa desintoxicar o metilglioxal, o sistema da glioxalase é mais eficiente e parece ser a mais importante dessas vias. A glioxalase I é um alvo atraente para o desenvolvimento de medicamentos para o tratamento de infecções por alguns protozoários parasitas e câncer . Vários inibidores da glioxalase I foram identificados, como S- (N-hidroxi-N-metilcarbamoil) glutationa.
A glioxalase I é classificada como uma liase carbono-enxofre , embora, estritamente falando, a enzima não forme ou quebre uma ligação carbono-enxofre. Em vez disso, a enzima desloca dois átomos de hidrogênio de um átomo de carbono do metilglioxal para o átomo de carbono adjacente. Na verdade, a reação é uma reação redox intramolecular ; um carbono é oxidado enquanto o outro é reduzido. O mecanismo prossegue subtraindo e adicionando prótons , formando um intermediário enediolado, em vez de transferir hidretos . Excepcionalmente para uma metaloproteína , esta enzima mostra atividade com vários metais diferentes. A glioxalase I também é incomum por ser estereoespecífica na segunda metade de seu mecanismo, mas não na primeira metade. Estruturalmente, a enzima é um dímero de domínio trocado em muitas espécies, embora as duas subunidades tenham se fundido em um monômero na levedura , por meio da duplicação do gene .
Nomenclatura
O nome sistemático desta classe de enzimas é (R) -S-lactoilglutationa metilglioxal-liase (formadora de glutationa isomerizada) ; outros nomes incluem metilglioxalase , aldoketomutase , cetona-aldeído mutase e (R) -S-lactoilglutationa metilglioxal-liase (isomerização) . Em alguns casos, a porção glutationil pode ser fornecida por tripanotiona , o análogo da glutationa em protozoários parasitas, como os tripanossomos . O gene humano para essa enzima é denominado GLO1 .
Gene
A lactoilglutationa liase em humanos é codificada pelo gene GLO1 .
Estrutura
Várias estruturas da glioxalase I foram resolvidas. Quatro estruturas da forma humana foram publicadas, com os códigos de acesso do PDB 1BH5 , 1FRO , 1QIN e 1QIP . Cinco estruturas da forma de Escherichia coli foram publicadas, com os códigos de acesso 1FA5 , 1FA6 , 1FA7 , 1FA8 e 1F9Z . Finalmente, uma estrutura da versão específica da tripanotiona de Leishmania major foi resolvida, 2C21 . Em todos esses casos, a estrutura quaternária da unidade biológica é um dímero de domínio trocado, no qual o sítio ativo e a estrutura secundária da folha beta de 8 fitas é formada a partir de ambas as subunidades. No entanto, em leveduras como Saccharomyces cerevisiae , as duas subunidades se fundiram em um único monômero de tamanho duplo, por meio da duplicação do gene . Cada metade do dímero estrutural é um sanduíche de 3-4 hélices alfa em ambos os lados de uma folha beta antiparalela de 8 fitas; a interface do dímero é amplamente composta pelo encontro face a face das duas planilhas beta.
As estruturas terciária e quaternária da glioxalase I são semelhantes às de vários outros tipos de proteínas. Por exemplo, a glioxalase I se assemelha a várias proteínas que permitem que as bactérias resistam a antibióticos, como fosfomicina , bleomicina e mitomicina . Da mesma forma, as enzimas não relacionadas metilmalonil-CoA epimerase , 3-desmetilubiquinona-9 3-O-metiltransferase e numerosas dioxigenases , como bifenil-2,3-diol 1,2-dioxigenase , catecol 2,3-dioxigenase , 3,4-dihidroxifenilacetato A 2,3-dioxigenase e a 4-hidroxifenilpiruvato dioxigenase se assemelham à glioxalase I na estrutura. Finalmente, muitas proteínas de função desconhecida ou incerta também se assemelham à glioxalase I, como a At5g48480 da planta Arabidopsis thaliana .
O site ativo tem quatro regiões principais.
Função
A principal função fisiológica da glioxalase I é a desintoxicação do metilglioxal , um 2-oxoaldeído reativo que é citostático em baixas concentrações e citotóxico em concentrações milimolares. O metilglioxal é um subproduto da bioquímica normal que é cancerígeno, mutagênico e pode danificar quimicamente vários componentes da célula, como proteínas e ácidos nucléicos. O metilglioxal é formado espontaneamente a partir do fosfato de diidroxiacetona, enzimaticamente pela triosefosfato isomerase e metilglioxal sintase, como também no catabolismo da treonina .
Para minimizar a quantidade de metilglioxal tóxico e outros 2-oxoaldeídos reativos, o sistema glioxalase evoluiu. O metilglioxal reage espontaneamente com a glutationa reduzida (ou seu equivalente, tripanotiona ), formando um hemitioacetal. O sistema de glioxalase converte esses compostos em D- lactato e restaura a glutationa. Nesta conversão, os dois carbonos carbonílicos do 2-oxoaldeído são oxidados e reduzidos, respectivamente, o aldeído sendo oxidado a um ácido carboxílico e o grupo acetal sendo reduzido a um álcool. O sistema glioxalase evoluiu muito cedo na história da vida e é encontrado quase universalmente nas formas de vida.
O sistema glioaxalase consiste em duas enzimas, glioxalase I e glioxalase II . A primeira enzima, descrita aqui, reorganiza o hemitioacetal formado naturalmente pelo ataque da glutationa ao metilglioxal no produto. A glioxalase II hidrolisa o produto para reformar a glutationa e produzir D- lactato . Assim, a glutationa atua excepcionalmente como uma coenzima e é necessária apenas em quantidades catalíticas (ou seja, muito pequenas); normalmente, a glutationa atua como um par redox nas reações de oxidação-redução.
Também foi sugerido que o sistema glioxalase desempenha um papel na regulação do crescimento celular e na montagem de microtúbulos .
Propriedades
A glioxalase I requer íons metálicos ligados para a catálise. A enzima humana e suas contrapartes na levedura ( Saccharomyces cerevisiae ) e Pseudomonas putida usam zinco divalente , Zn 2+ . Em contraste, as versões procarióticas costumam usar um íon de níquel . A glioxalase I encontrada em parasitas tripanossomais eucarióticos , como Leishmania major e Trypanosoma cruzi, também pode usar níquel para atividade, possivelmente refletindo a aquisição de seu gene GLO1 por transferência horizontal de genes .
Uma propriedade da glioxalase I é sua falta de especificidade para o íon metálico catalítico. A maioria das enzimas se liga a um tipo específico de metal, e sua atividade catalítica depende da ligação desse metal. Por exemplo, as oxidorredutases freqüentemente usam um íon metálico específico , como ferro , manganês ou cobre, e não funcionarão se seu íon metálico preferido for substituído, devido a diferenças no potencial redox ; assim, a superóxido dismutase ferrosa não pode funcionar se seu ferro catalítico for substituído por manganês e vice-versa. Em contraste, embora a glioxalase I humana prefira usar zinco divalente, ela é capaz de funcionar com muitos outros metais divalentes, incluindo magnésio , manganês , cobalto , níquel e até cálcio . no entanto, a enzima é inativa com o cátion ferroso. Da mesma forma, embora a glioxalase I procariótica prefira o níquel, ela é capaz de funcionar com cobalto, manganês e cádmio ; no entanto, a enzima é inerte com o zinco ligado, devido a uma mudança na geometria de coordenação de octaédrica para trigonal bipiramidal . Estudos estruturais e computacionais revelaram que o metal liga os dois carbonil oxigênios da fração metilglioxal em dois de seus locais de coordenação, estabilizando o ânion intermediário enediolato.
Outra propriedade incomum da glioxalase I é sua estereoespecificidade inconsistente. A primeira etapa de seu mecanismo de reação (a abstração do próton de C 1 e subsequente protonação de O 2 ) não é estereoespecífica e funciona igualmente bem, independentemente da quiralidade inicial em C 1 no substrato hemitioacetal. O intermediário enodiolado resultante é aquiral, mas a segunda etapa do mecanismo de reação (a abstração de um próton de O 1 e subsequente protonação de C 2 ) é definitivamente estereoespecífico, produzindo apenas a forma ( S ) de D-lactoilglutationa. Acredita-se que isso resulte dos dois glutamatos ligados opostamente no íon metálico; qualquer um é capaz de realizar a primeira etapa, mas apenas um é capaz de realizar a segunda etapa. A razão dessa assimetria ainda não está totalmente determinada.
Mecanismo de reação
A molécula de metilglioxal consiste em dois grupos carbonil flanqueados por um átomo de hidrogênio e um grupo metil . Na discussão abaixo, esses dois carbonos carbonil serão denotados como C1 e C2, respectivamente. Tanto no substrato hemitioacetal quanto no produto (R) -S-lactoilglutationa, a porção glutationa está ligada ao grupo C1 carbonil.
O mecanismo básico da glioxalase I é o seguinte. O substrato hemitioacetal é formado quando uma molécula de glutationa - provavelmente em sua forma reativa de tiolato - ataca o carbonil C1 do metilglioxal ou um composto relacionado, tornando esse carbono tetravalente. Essa reação ocorre espontaneamente na célula, sem o envolvimento da enzima. Este hemitioacetal é então ligado pela enzima, que desloca um hidrogênio de C1 para C2. O carbonil C2 é reduzido a uma forma de álcool tetravalente pela adição de dois prótons, enquanto o carbonil C1 é restaurado pela perda de um hidrogênio enquanto retém sua ligação à porção glutationa.
Um estudo computacional, combinado com os dados experimentais disponíveis, sugere o seguinte mecanismo de resolução atômica para a glioxalase I. No sítio ativo, o metal catalítico adota uma geometria de coordenação octaédrica e, na ausência de substrato, liga-se a duas águas, dois glutamatos opostos , uma histidina e uma outra cadeia lateral, geralmente outra histidina ou glutamatos . Quando o substrato entra no sítio ativo, as duas águas são derramadas e os dois oxigênios de carbonila do substrato são ligados diretamente ao íon metálico. Os dois glutamatos opostos adicionam e subtraem prótons de C1 e C2 e seus respectivos oxigênios, O1 e O2. A primeira metade da reação transfere um próton de C1 para O2, enquanto a segunda metade transfere um próton de O1 para C2. A primeira reação pode ser realizada por qualquer um dos glutamatos opostos, dependendo da quiralidade inicial de C1 no substrato hemitioacetal; entretanto, a segunda metade é estereoespecífica e realizada por apenas um dos glutamatos opostos.
É digno de nota que o primeiro mecanismo teoricamente confirmado para o substrato R da glioxalase foi publicado recentemente.
O mecanismo catalítico da Glyoxalase foi estudado por meio da teoria do funcional da densidade, simulações de dinâmica molecular e métodos híbridos de QM / MM. A razão para a especificidade especial da enzima (ela aceita ambos os enantiômeros de seu substrato quiral, mas os converte no mesmo enantiômero do produto) é a maior basicidade e flexibilidade de um dos glutamatos do sítio ativo (Glu172).
Transferência de próton vs. hidreto
Glyoxalase I foi originalmente acreditado para operar pela transferência de um hidreto , que é um próton rodeado por dois elétrons (H - ). Nisso, pensava-se que se assemelhava ao clássico mecanismo de reação de Cannizzaro , no qual o ataque de um hidroxilato a um aldeído o transforma em um ânion álcool tetravalente; esse ânion doa seus hidrogênios a um segundo aldeído, formando um ácido carboxílico e um álcool. (Na verdade, dois aldeídos idênticos reduzem e oxidam um ao outro, deixando o mesmo estado de oxidação.)
Na glioxalase I, esse mecanismo de transferência de hidreto funcionaria da seguinte maneira. O ataque da glutationa deixaria um O carregado - e o hidrogênio aldeído ligado a C 1 . Se o oxigênio carbonílico de C 2 pode assegurar um hidrogênio de uma cadeia lateral ácida obrigatória da enzima, formando um álcool, então o hidrogênio de C 1 pode deslizar simultaneamente com seus elétrons para C 2 (a transferência de hidreto). Ao mesmo tempo, o elétron extra no oxigênio de C 1 poderia reformar a ligação dupla da carbonila, dando assim o produto final.
Um mecanismo alternativo (e finalmente correto) usando transferência de prótons (H + ) foi proposto na década de 1970. Nesse mecanismo, uma cadeia lateral básica da enzima abstrai o próton aldeído de C 1 ; ao mesmo tempo, o próton a é adicionado ao oxigênio de C 2 , formando um enodiol . O ene significa que uma ligação dupla se formou entre C 2 e C 1 , a partir dos elétrons deixados para trás pela abstração do próton aldeído; o diol refere-se ao fato de que dois álcoois foram feitos dos dois grupos carbonil iniciais. Nesse mecanismo, o intermediário forma o produto adicionando outro próton ao C 2 .
Esperava-se que os prótons do solvente contribuíssem para a formação do produto a partir do enodiol intermediário do mecanismo de transferência de prótons e, quando tais contribuições não foram observadas na água tritiada , 3 H 1 O, o mecanismo de transferência de hidreto foi favorecido. No entanto, uma hipótese alternativa - que o sítio ativo da enzima estava profundamente enterrado longe da água - não pôde ser descartada e, no final das contas, provou ser correta. Os primeiros indícios surgiram quando as temperaturas sempre crescentes mostraram uma incorporação cada vez maior de trítio, o que é consistente com a transferência de prótons e inesperada pela transferência de hidreto. A evidência decisiva pode ser encontrada em estudos do efeito do isótopo de hidrogênio-deutério em substratos fluorados no grupo metil e deuterados no aldeído. O flúor é um bom grupo de saída; o mecanismo de transferência de hidreto prevê menos eliminação de íons de fluoreto com a amostra deuterada, enquanto o mecanismo de transferência de próton prevê mais . Experimentos com três tipos de glioxalase I (formas de levedura, rato e camundongo) apoiaram o mecanismo de transferência de prótons em todos os casos. Este mecanismo foi finalmente observado nas estruturas cristalinas da glioxalase I.
Significado clínico
Comportamento
A expressão de Glo1 está correlacionada com diferenças no comportamento semelhante à ansiedade em camundongos, bem como no comportamento no teste de suspensão da cauda , que é sensível a drogas antidepressivas ; no entanto, a direção desses efeitos nem sempre foi consistente, o que gerou ceticismo. As diferenças na expressão de Glo1 em camundongos parecem ser causadas por uma variante do número de cópias que é comum entre cepas consanguíneas de camundongos. Tem sido proposto que os efeitos comportamentais de Glo1 são devidas à actividade da sua principal substrato metilglioxal em GABA A receptores . Foi demonstrado que um inibidor de pequena molécula de glioxalase I tem propriedades ansiolíticas, identificando assim outra possível indicação para inibidores de glioxalase I.
Como alvo de drogas
A glioxalase I é um alvo para o desenvolvimento de fármacos contra bactérias, protozoários (principalmente Trypanosoma cruzi e Leishmania ) e câncer humano. Vários inibidores foram desenvolvidos, a maioria dos quais compartilha a porção glutationa . Entre a família de inibidores que se ligam mais fortemente à enzima humana estão os derivados de S- ( N- aril- N- hidroxicarbamoil) glutationa, mais notavelmente o derivado p- bromofenil, que tem uma constante de dissociação de 14 nM. Acredita-se que o análogo mais próximo do estado de transição seja S- ( N- hidroxi- N - p- iodofenilcarbamoil) glutationa; a estrutura cristalina deste composto ligado à enzima humana foi resolvida para resolução de 2 Å (código de acesso PDB 1QIN ).
Os experimentos sugerem que o metilglioxal é preferencialmente tóxico para as células em proliferação, como as do câncer.
Pesquisas recentes demonstram que a expressão de GLO1 é regulada positivamente em vários tumores malignos humanos, incluindo melanoma metastático.
Referências
Leitura adicional
- Ekwall K, Mannervik B (fevereiro de 1973). "A configuração estereoquímica do grupo lactoil de S-lactoilglutationina formado pela ação da glioxalase I de eritrócitos suínos e levedura". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Assuntos Gerais . 297 (2): 297–9. doi : 10.1016 / 0304-4165 (73) 90076-7 . PMID 4574550 .
- Racker E (junho de 1951). "O mecanismo de ação da glioxalase" . The Journal of Biological Chemistry . 190 (2): 685–96. doi : 10.1016 / S0021-9258 (18) 56017-8 . PMID 14841219 .
- Allen RE, Lo TW, Thornalley PJ (abril de 1993). "Um método simplificado para a purificação de glioxalase de glóbulos vermelhos humanos. I. Características, imunoblotting e estudos de inibidores". Journal of Protein Chemistry . 12 (2): 111–9. doi : 10.1007 / BF01026032 . PMID 8489699 . S2CID 31587421 .
- Larsen K, Aronsson AC, Marmstål E, Mannervik B (1985). "Comparação imunológica de glioxalase I de leveduras e mamíferos e determinação quantitativa da enzima em tecidos humanos por radioimunoensaio". Bioquímica e Fisiologia Comparada. B, Comparative Biochemistry . 82 (4): 625–38. doi : 10.1016 / 0305-0491 (85) 90499-7 . PMID 3937656 .
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