cistationina beta sintasa

La cistationina-β-sintasa , también conocida como CBS , es una enzima ( EC 4.2.1.22 ) que en humanos está codificada por el gen CBS . Cataliza el primer paso de la vía de transulfuración , de homocisteína a cistationina : ^{[ 5 ]}

L -serina + L- homocisteína${\displaystyle \rightleftharpoons }$L -cistationina + H ₂ O

La CBS utiliza el cofactor piridoxal-fosfato (PLP) y puede ser regulada alostéricamente por efectores como el cofactor ubicuo S -adenosil- L -metionina (adoMet). Esta enzima pertenece a la familia de las liasas , específicamente a las hidroliasas , que rompen los enlaces carbono-oxígeno .

La CBS es una enzima multidominio compuesta por un dominio enzimático N-terminal y dos dominios CBS . El gen CBS es el locus más común para las mutaciones asociadas con la homocistinuria . ^{[ 6 ]}

El nombre sistemático de esta clase de enzimas es L -serina hidroliasa (que añade homocisteína; formadora de L -cistationina). Otros nombres de uso común incluyen:

• β-tionasa,
• cisteína sintasa,
• L -serina hidroliasa (añadiendo homocisteína),
• metilcisteína sintasa,
• serina sulfhidrasa y
• serina sulfhidrilasa.

La metilcisteína sintasa recibió el número EC 4.2.1.23 en 1961. Esto se debió a una reacción secundaria de la CBS. El número EC 4.2.1.23 fue eliminado en 1972. ^{[ 7 ]}

La enzima humana cistationina β-sintasa es un tetrámero y comprende 551 aminoácidos con un peso molecular de subunidad de 61 kDa . Presenta una organización modular de tres módulos con el dominio hemo N-terminal seguido de un núcleo que contiene el cofactor PLP . ^{[ 9 ]} El cofactor se encuentra en el interior del dominio hemo y está unido por una base de Schiff. ^{[ 10 ]} Una base de Schiff es un grupo funcional que contiene un enlace C=N con el átomo de nitrógeno conectado a un grupo arilo o alquilo . El dominio hemo está compuesto por 70 aminoácidos y parece que el hemo solo existe en la CBS de mamíferos y está ausente en la CBS de levaduras y protozoos . En el extremo C , el dominio regulador de la CBS contiene una repetición en tándem de dos dominios CBS de β-α-β-β-α, un motivo de estructura secundaria que se encuentra en otras proteínas. ^{[ 9 ]} La CBS tiene un dominio inhibidor C-terminal. El dominio C-terminal de la cistationina β-sintasa regula su actividad mediante efectos tanto intrastéricos como alostéricos y es importante para mantener el estado tetramérico de la proteína. ^{[ 9 ]} Esta inhibición se atenúa mediante la unión del efector alostérico , adoMet , o mediante la deleción del dominio regulador; sin embargo, la magnitud de los efectos difiere. ^{[ 9 ]} Las mutaciones en este dominio se correlacionan con enfermedades hereditarias . ^{[ 11 ]}

El dominio hemo contiene un bucle N-terminal que se une al hemo y proporciona los ligandos axiales C52 y H65. La distancia del hemo al sitio de unión de PLP sugiere su no función en la catálisis, sin embargo, la eliminación del dominio hemo causa pérdida de sensibilidad redox , por lo que se hipotetiza que el hemo es un sensor redox. ^{[ 10 ]} La presencia de protoporfirina IX en CBS es una enzima dependiente de PLP única y solo se encuentra en la CBS de mamíferos. D. melanogaster y D. discoides tienen extensiones N-terminales truncadas y por lo tanto impiden los residuos conservados de histidina y cisteína ligando hemo . Sin embargo, la secuencia de Anopheles gambiae tiene una extensión N-terminal más larga que la enzima humana y contiene los residuos conservados de histidina y cisteína ligando hemo como el hemo humano . Por lo tanto, es posible que las CBS en mohos mucilaginosos e insectos sean hemoproteínas que sugieren que el dominio hemo es una innovación evolutiva temprana que surgió antes de la separación de los animales y los mohos mucilaginosos. ^{[ 9 ]} El PLP es una aldimina interna y forma una base de Schiff con K119 en el sitio activo. Entre los dominios catalítico y regulador existe un sitio hipersensible que causa la escisión proteolítica y produce una enzima dimérica truncada que es más activa que la enzima original. Tanto la enzima truncada como la enzima encontrada en levadura no están reguladas por adoMet. La enzima de levadura también se activa por la deleción del extremo C-terminal para producir la enzima dimérica. ^{[ 9 ]}

A finales de 2007, se habían resuelto dos estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB : 1JBQ yPDB : 1M54 .

La transulfuración, catalizada por la CBS, convierte la homocisteína en cistationina , que la cistationina gamma liasa convierte en cisteína . ^{[ 12 ]}

La CBS ocupa una posición fundamental en el metabolismo del azufre de los mamíferos en la unión de la homocisteína , donde se decide si se conserva la metionina o se convierte en cisteína mediante la vía de transulfuración . Además, la vía de transulfuración es la única capaz de eliminar aminoácidos que contienen azufre en condiciones de exceso. ^{[ 9 ]}

De forma análoga a otras enzimas de β-reemplazo, se predice que la reacción catalizada por CBS implica una serie de intermedios unidos a adoMet . La adición de serina da lugar a una reacción de transchiffización , que forma una aldimina externa . La aldimina sufre una abstracción de protón en el carbono α seguida de una eliminación para generar un intermedio aminoacrilato . El ataque nucleofílico del tiolato de homocisteína sobre el aminoacrilato y la reprotonación en Cα generan la aldimina externa de cistationina . Una reacción final de transaldiminación libera el producto final, la cistationina. ^{[ 9 ]} El producto final, L -cistationina, también puede formar un intermedio aminoacrilato, lo que indica que toda la reacción de CBS es reversible. ^{[ 13 ]}

_{La V₀} medida de una reacción catalizada por enzimas, en general, refleja el estado estacionario (donde [ES] es constante), aunque V₀ _se limita a la parte inicial de la reacción, y el análisis de estas velocidades iniciales se denomina cinética en estado estacionario. El análisis cinético en estado estacionario de la CBS de levadura produce líneas paralelas. Estos resultados concuerdan con el mecanismo ping-pong propuesto, en el que la unión de serina y la liberación de agua van seguidas de la unión de homocisteína y la liberación de cistationina. Por el contrario, la cinética enzimática en estado estacionario de la CBS de rata produce líneas que se cruzan, lo que indica que el sustituyente β de la serina no se libera de la enzima antes de la unión de la homocisteína. ^{[ 9 ]}

Una de las reacciones alternativas en las que interviene la CBS es la condensación de cisteína con homocisteína para formar cistationina y sulfuro de hidrógeno (H₂S ₎ . ^{[ 13 ]} En el cerebro, el _H₂S se produce a partir de L -cisteína por acción de la CBS. Esta vía metabólica alternativa también depende de la adoMet . ^{[ 14 ]}

La actividad de la enzima CBS no se encuentra en todos los tejidos y células. Está ausente en el corazón, los pulmones, los testículos, las glándulas suprarrenales y el bazo de las ratas. En humanos, se ha demostrado su ausencia en el músculo cardíaco y en cultivos primarios de células endoteliales aórticas humanas . La falta de CBS en estos tejidos implica que estos son incapaces de sintetizar cisteína y que esta debe obtenerse de fuentes extracelulares. También sugiere que estos tejidos podrían tener una mayor sensibilidad a la toxicidad de la homocisteína, ya que no pueden catabolizar el exceso de homocisteína mediante transulfuración. ^{[ 13 ]}

La activación alostérica de la CBS por la S-adenosilmetionina (SAM) determina el destino metabólico de la homocisteína . La CBS de mamíferos se activa entre 2,5 y 5 veces por la SAM, con una _constante de disociación de 15 μM. ^{[ 6 ]} La SAM es un activador alostérico que aumenta la Vmax de la reacción de la CBS _, pero no afecta la Km de los sustratos. En otras palabras, la SAM estimula la actividad de la CBS al aumentar la tasa de recambio en lugar de la unión de los sustratos a la enzima. ^{[ 9 ]} Esta proteína podría utilizar el modelo de morfeína de regulación alostérica . ^{[ 15 ]}

La CBS humana desempeña un papel crucial en la vía biosintética de la cisteína al proporcionar un punto de control regulador para la SAM. La homocisteína, tras ser metilada a metionina , puede convertirse en SAM, que dona grupos metilo a diversos sustratos, como neurotransmisores , proteínas y ácidos nucleicos . La SAM actúa como activador alostérico de la CBS y controla su biosíntesis: bajas concentraciones de SAM resultan en una baja actividad de la CBS, canalizando así la homocisteína hacia el ciclo de transmetilación para la formación de SAM. Por el contrario, altas concentraciones de SAM canalizan la homocisteína hacia la vía de transsulfuración para la biosíntesis de cisteína . ^{[ 16 ]}

En los mamíferos, la CBS es una enzima altamente regulada que contiene un cofactor hemo que funciona como sensor redox, ^{[ 11 ]} capaz de modular su actividad en respuesta a cambios en el potencial redox. Si la forma de reposo de la CBS en la célula tiene hemo ferroso (Fe²⁺ ⁾ , existe la posibilidad de que la enzima se active en condiciones oxidantes mediante su conversión al estado férrico (Fe³⁺ ⁾ . ^{[ 9 ]} La forma Fe²⁺ ^de la enzima se inhibe al unirse al CO o al óxido nítrico , mientras que la actividad enzimática se duplica cuando el Fe²⁺ ^se oxida a Fe³⁺ ^. El estado redox del hemo depende del pH, favoreciéndose la oxidación de Fe²⁺ ^- CBS a Fe³⁺ ^- CBS en condiciones de pH bajo. ^{[ 17 ]}

Dado que la CBS de los mamíferos contiene un cofactor hemo, mientras que la levadura y la enzima del protozoo Trypanosoma cruzi no tienen cofactores hemo, los investigadores han especulado que el hemo no es necesario para la actividad de la CBS. ^{[ 9 ]}

La CBS está regulada a nivel transcripcional por NF-Y , SP-1 y SP-3 . Además, su expresión se incrementa a nivel transcripcional por glucocorticoides y glucógeno , y disminuye por la insulina . La metionina incrementa la expresión de CBS a nivel postranscripcional.

El síndrome de Down es una afección médica caracterizada por una sobreexpresión de la cistationina beta sintasa (CBS) y un bajo nivel de homocisteína en sangre. Se ha especulado que la sobreexpresión de la cistationina beta sintasa podría ser la principal causa de esta enfermedad (junto con la disfunción de GabaA y DYRK1A ). El fenotipo del síndrome de Down es opuesto a la hiperhomocisteinemia (descrita más adelante). La Fundación Jerome Lejeune patentó inhibidores farmacológicos de la CBS en noviembre de 2011 y se planean ensayos clínicos (en animales y humanos).

La hiperhomocisteinemia es una afección médica caracterizada por un nivel anormalmente alto de homocisteína en la sangre. Las mutaciones en el gen CBS son la causa más común de hiperhomocisteinemia hereditaria. Los defectos genéticos que afectan las vías enzimáticas MTHFR , MTR y MTRR/MS también pueden contribuir a niveles elevados de homocisteína. Los errores congénitos en el gen CBS provocan hiperhomocisteinemia con complicaciones en el sistema cardiovascular, lo que conduce a una enfermedad arterial temprana y agresiva. La hiperhomocisteinemia también afecta a otros tres sistemas orgánicos importantes: el ocular, el nervioso central y el esquelético. ^{[ 9 ]}

La homocistinuria debida a la deficiencia de CBS es un tipo especial de hiperhomocisteinemia. Es una enfermedad autosómica recesiva hereditaria poco frecuente, que generalmente se diagnostica durante la infancia. Se han identificado un total de 131 mutaciones diferentes causantes de homocistinuria. Una característica funcional común de las mutaciones en los dominios de CBS es que estas mutaciones anulan o reducen fuertemente la activación por SAM . ^{[ 16 ]} No se ha descubierto una cura específica para la homocistinuria; sin embargo, muchas personas son tratadas con altas dosis de vitamina B ₆ , que es un cofactor de CBS.

La cistationina beta sintasa (CBS) participa en el desarrollo del ovocito . Sin embargo, se sabe poco sobre los patrones de expresión regional y celular de la CBS en el ovario, y la investigación actual se centra en determinar su localización y expresión durante el desarrollo folicular en los ovarios. ^{[ 18 ]}

La ausencia de cistationina beta sintasa en ratones provoca infertilidad debido a la pérdida de la expresión de proteínas uterinas. ^{[ 19 ]}

Los genes que controlan la expresión de la enzima CBS podrían no funcionar con una eficiencia del 100 % en individuos que presentan alguno de los SNP ( polimorfismos de un solo nucleótido , un tipo de mutación ) que afectan a este gen. Entre las variantes conocidas se incluyen los SNP A360A, C699T, I278T, N212N y T42N (entre otros). Estos SNP, que tienen efectos diversos sobre la eficacia de la enzima, pueden detectarse mediante métodos estándar de análisis de ADN.

• homocistinuria
• Cisteína
• metilación del ADN
• Metabolismo
• Aminoácido
• S-adenosil-L-metionina
• Hemo

• Página principal de CBS en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Colorado
• Cistationina beta-sintasa en BRENDA: El sistema integral de información enzimática.
• Cistationina beta-sintasa: Entrada en el banco de datos de proteínas