Enolasa

La fosfopiruvato hidratasa , generalmente conocida como enolasa , es una metaloenzima ( EC 4.2.1.11 ) que cataliza la conversión de 2-fosfoglicerato (2-PG) a fosfoenolpiruvato (PEP), el noveno y penúltimo paso de la glucólisis . La reacción química es:

2-fosfo- D -glicerato${\displaystyle \rightleftharpoons }$fosfoenolpiruvato + H ₂ O

La fosfopiruvato hidratasa pertenece a la familia de las liasas , específicamente a las hidroliasas, que rompen los enlaces carbono-oxígeno. El nombre sistemático de esta enzima es 2-fosfo- D -glicerato hidroliasa (formadora de fosfoenolpiruvato) .

La reacción es reversible, dependiendo de las concentraciones ambientales de sustratos. ^{[ 3 ]} El pH óptimo para la enzima humana es 6,5. ^{[ 4 ]} La enolasa está presente en todos los tejidos y organismos capaces de glucólisis o fermentación . La enzima fue descubierta por Lohmann y Meyerhof en 1934, ^{[ 5 ]} y desde entonces se ha aislado de una variedad de fuentes incluyendo músculo humano y eritrocitos . ^{[ 4 ]} En humanos, la deficiencia de ENO1 está relacionada con la anemia hemolítica hereditaria , mientras que la deficiencia de ENO3 está relacionada con la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo XIII .

En los seres humanos existen tres subunidades de enolasa, α , β y γ , cada una codificada por un gen independiente que puede combinarse para formar cinco isoenzimas diferentes : αα, αβ, αγ, ββ y γγ. ^{[ 3 ] [ 6 ]} Tres de estas isoenzimas (todas homodímeros) se encuentran con mayor frecuencia en las células humanas adultas que las demás:

• Enolasa αα o no neuronal (NNE). También conocida como enolasa 1. Se encuentra en diversos tejidos, como el hígado, el cerebro, el riñón, el bazo y el tejido adiposo. Está presente en cierta cantidad en todas las células humanas normales.
• Enolasa ββ o enolasa específica del músculo (MSE). También conocida como enolasa 3. Esta enzima se encuentra principalmente en el tejido muscular, donde está presente en niveles muy elevados.
• Enolasa γγ o enolasa específica de neuronas (NSE). También conocida como enolasa 2. Se expresa en niveles muy altos en neuronas y tejidos neurales, donde puede representar hasta el 3 % de la proteína soluble total. En la mayoría de las células de mamíferos, su expresión es mucho menor.

Cuando están presentes en la misma célula, las diferentes isoenzimas forman fácilmente heterodímeros .

La enolasa es un miembro de la gran superfamilia de enolasas . Tiene un peso molecular de 82.000–100.000 daltons dependiendo de la isoforma. ^{[ 3 ] [ 4 ]} En la alfa enolasa humana , las dos subunidades están orientadas antiparalelamente de modo que Glu ²⁰ de una subunidad forma un enlace iónico con Arg ⁴¹⁴ de la otra subunidad. ^{[ 3 ]} Cada subunidad tiene dos dominios distintos. El dominio N-terminal más pequeño consta de tres α-hélices y cuatro β-láminas . ^{[ 3 ] [ 6 ]} El dominio C-terminal más grande comienza con dos β-láminas seguidas de dos α-hélices y termina con un barril compuesto de β-láminas y α-hélices alternadas dispuestas de modo que las β-láminas están rodeadas por las α-hélices. ^{[ 3 ] [ 6 ]} La estructura compacta y globular de la enzima resulta de interacciones hidrofóbicas significativas entre estos dos dominios.

La enolasa es una enzima altamente conservada, con cinco residuos del sitio activo especialmente importantes para su actividad. En comparación con la enolasa de tipo silvestre, una enolasa mutante que difiere en los residuos Glu ¹⁶⁸ , Glu ²¹¹ , Lys ³⁴⁵ o Lys ³⁹⁶ presenta un nivel de actividad reducido en un factor de 105. ^{[ 3 ]} Asimismo, los cambios que afectan a His ¹⁵⁹ dejan a la mutante con solo el 0,01% de su actividad catalítica. ^{[ 3 ]} Dos cofactores de Mg ²⁺ en el sitio activo son parte integral de la enolasa y sirven para estabilizar las cargas negativas en el sustrato. ^{[ 3 ] [ 6 ]}

Recientemente, las funciones secundarias de varias enolasas, como la interacción con el plasminógeno , han despertado interés en los bucles catalíticos de las enzimas y su diversidad estructural. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Utilizando sondas isotópicas, se propone que el mecanismo general para convertir 2-PG en PEP es una reacción de eliminación E1cB que involucra un intermedio carbaniónico. ^{[ 9 ]} El siguiente mecanismo detallado se basa en estudios de estructura cristalina y cinética . ^{[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Cuando el sustrato, 2-fosfoglicerato, se une a la α-enolasa, su grupo carboxilo se coordina con dos cofactores de iones de magnesio en el sitio activo. Esto estabiliza la carga negativa en el oxígeno desprotonado mientras aumenta la acidez del hidrógeno alfa. La Lys ³⁴⁵ de la enolasa desprotona el hidrógeno alfa, y la carga negativa resultante se estabiliza por resonancia con el oxígeno del carboxilato y por los cofactores de iones de magnesio. Tras la creación del intermedio carbaniónico, el hidróxido en C3 se elimina como agua con la ayuda de Glu ²¹¹ , y se forma PEP.

Además, se producen cambios conformacionales dentro de la enzima que facilitan la catálisis. En la α-enolasa humana, el sustrato rota hasta su posición al unirse a la enzima debido a las interacciones con los dos iones de magnesio catalíticos, Gln ¹⁶⁷ y Lys ^396. Los movimientos de los bucles Ser ³⁶ a His ⁴³ , Ser ¹⁵⁸ a Gly ¹⁶² y Asp ²⁵⁵ a Asn ²⁵⁶ permiten que Ser ³⁹ se coordine con Mg ²⁺ y cierre el sitio activo. Además de la coordinación con los iones de magnesio catalíticos, el pKa del hidrógeno alfa del sustrato también disminuye debido a la protonación del grupo fosforilo por His ¹⁵⁹ y su proximidad a Arg ^374. Arg ³⁷⁴ también provoca la desprotonación de Lys ^{345 en el sitio activo, lo que prepara a Lys 345} para su función en el mecanismo.

En experimentos médicos recientes, se han analizado las concentraciones de enolasa en un intento por diagnosticar ciertas afecciones y su gravedad. Por ejemplo, concentraciones más altas de enolasa en el líquido cefalorraquídeo se correlacionaron más fuertemente con el astrocitoma de bajo grado que otras enzimas analizadas ( aldolasa , piruvato quinasa , creatina quinasa y lactato deshidrogenasa ). ^{[ 16 ]} El mismo estudio mostró que la tasa más rápida de crecimiento tumoral se produjo en pacientes con los niveles más altos de enolasa en el LCR. También se han identificado niveles elevados de enolasa en pacientes que han sufrido un infarto de miocardio o un accidente cerebrovascular reciente . Se ha inferido que los niveles de enolasa específica de neuronas en el LCR, NSE sérica y creatina quinasa (tipo BB) son indicativos en la evaluación pronóstica de las víctimas de paro cardíaco. ^{[ 17 ]} Otros estudios se han centrado en el valor pronóstico de los valores de NSE en víctimas de accidentes cerebrovasculares. ^{[ 18 ]}

Los autoanticuerpos contra la alfa-enolasa están asociados con la artritis reumatoide ^{[ 19 ]} y el síndrome raro llamado encefalopatía de Hashimoto . ^{[ 20 ]}

Se han sintetizado inhibidores de moléculas pequeñas de la enolasa como sondas químicas (análogos del sustrato) del mecanismo catalítico de la enzima y, más recientemente, se han investigado como posibles tratamientos para el cáncer y las enfermedades infecciosas. ^{[ 21 ] [ 22 ]} La mayoría de los inhibidores tienen propiedades quelantes de metales y se unen a la enzima mediante interacciones con el átomo de magnesio estructural Mg(A). ^{[ 23 ] [ 24 ]} El más potente de ellos es el fosfonoacetohidroxamato, ^{[ 24 ]} que en su forma no protonada tiene afinidad pM por la enzima. Tiene similitud estructural con el presunto intermedio catalítico, entre PEP y 2-PG. Se han realizado intentos de utilizar este inhibidor como fármaco antitripanosómico, ^{[ 25 ]} y más recientemente, como agente anticancerígeno, específicamente en glioblastoma que es deficiente en enolasa debido a la deleción homocigótica del gen ENO1 como parte del locus supresor de tumores 1p36 ( letalidad sintética ). ^{[ 26 ]} Un antibiótico fosfonato de producto natural , SF2312 ( CAS 107729-45-3), que es activo contra bacterias gram positivas y negativas, especialmente en condiciones anaeróbicas, ^{[ 27 ]} es un inhibidor de alta potencia de la enolasa PDB : 4zcw​ que se une de manera similar al fosfonoacetohidroxamato PDB : 4za0 ​.^{[ 28 ]} SF2312 inhibe la actividad de la enolasa tanto en origen eucariota como procariota , ^{[ 29 ]} lo que refleja la fuerte conservación evolutiva de la enolasa y el antiguo origen de la vía glucolítica. SF2312 es una molécula quiral con solo el enantiómero 3S mostrando actividad inhibidora de la enolasa y actividad biológica contra bacterias. ^{[ 30 ]} Más recientemente, se demostró que un derivado de SF2312, denominado HEX, y un profármaco del mismo, POMHEX, ejercen actividad antineoplásica contra el glioma con deleción de ENO1 en un modelo preclínico de ratón ortotópico intracraneal. ^{[ 31 ]} Un ligando alostérico, ENOblock ^{[ 22 ]} se describió inicialmente como un inhibidor de la enolasa, pero posteriormente se demostró que en realidad no inhibe la enzima, sino que interfiere con el ensayo enzimático in vitro de la enolasa. ^{[ 32 ]}Se descubrió que ENOblock altera la localización celular de la enolasa, influyendo en sus funciones secundarias no glucolíticas, como la regulación de la transcripción. ^{[ 33 ]} Un análisis posterior mediante un ensayo comercial también indicó que ENOblock puede inhibir la actividad de la enolasa en contextos biológicos, como células y tejidos animales. ^{[ 33 ]} El metilglioxal también se ha descrito como un inhibidor de la enolasa humana. ^{[ 34 ]}

Los inhibidores de la enolasa análogos del estado de transición del sitio activo se han explorado preclínicamente para el tratamiento de varios patógenos microbianos, así como en oncología de precisión para tumores con deleciones homocigóticas 1p36, que carecen de ENO1. ^{[ 31 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

El fluoruro es un competidor conocido del sustrato de la enolasa, el 2-PG. El fluoruro puede formar un complejo con magnesio y fosfato, que se une al sitio activo en lugar del 2-PG. ^{[ 4 ]} Un estudio encontró que el fluoruro podría inhibir la enolasa bacteriana in vitro . ^{[ 41 ]} La actividad inhibidora de la enolasa del anión fluoruro puede contribuir al efecto anticaries de la pasta dental fluorada, al limitar la producción de ácido láctico (un producto de la glucólisis, que requiere enolasa).

• Enolasa en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.