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Glicerol deshidrogenasa

La glicerol deshidrogenasa ( EC 1.1.1.6, también conocida como glicerol deshidrogenasa ligada a NAD + , glicerol: NAD + 2-oxidorreductasa, GDH, GlDH, GlyDH) es una enzima de la ...

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La glicerol deshidrogenasa ( EC 1.1.1.6, también conocida como glicerol deshidrogenasa ligada a NAD + , glicerol: NAD + 2-oxidorreductasa, GDH, GlDH, GlyDH) es una enzima de la familia de las oxidorreductasas que utiliza el NAD + para catalizar la oxidación del glicerol para formar glicerina ( dihidroxiacetona ). [1] [2]

Reacción general de glicerol a glicerina con NAD+ catalizada por la glicerol deshidrogenasa

Esta enzima es una oxidorreductasa, específicamente una alcohol deshidrogenasa dependiente de metales que desempeña un papel en el metabolismo anaeróbico del glicerol y ha sido aislada de varias bacterias , incluidas Enterobacter aerogenes, [3] Klebsiella aerogenes, [4] Streptococcus faecalis, [5] Erwinia aeroidea, [6] Bacillus megaterium, [7] y Bacillus stearothermophilus. Sin embargo, la mayoría de los estudios de la glicerol deshidrogenasa se han realizado en Bacillus stearothermophilus ( B. stearothermophilus) debido a su termoestabilidad y, por lo tanto, la siguiente información estructural y funcional se referirá principalmente a la caracterización de la enzima en esta bacteria. [8]

Estructura

La glicerol deshidrogenasa es un homooctámero compuesto por ocho subunidades monoméricas idénticas formadas por una única cadena polipeptídica de 370 aminoácidos (peso molecular 42.000 Da). Cada subunidad contiene 9 láminas beta y 14 hélices alfa dentro de dos dominios distintos (N-terminal, residuos 1-162 y C-terminal, residuos 163-370). La hendidura profunda formada entre estos dos dominios sirve como sitio activo de la enzima. Este sitio activo consta de un ion metálico unido, un sitio de unión del anillo de nicotinamida NAD + y un sitio de unión del sustrato .

Las investigaciones sobre la estructura de B. stearothermophilus muestran que el sitio activo contiene un catión divalente: el ion zinc , Zn 2+ . Este ion zinc forma interacciones dipolares tetraédricas entre los residuos de aminoácidos Asp173, His256 e His274, así como una molécula de agua.

El sitio de unión del NAD + , que se asemeja al pliegue de Rossmann dentro del dominio N-terminal, se extiende desde la superficie de la enzima hasta la hendidura que contiene el sitio activo. El anillo de nicotinamida (la región activa del NAD + ) se une en una cavidad de la hendidura que consiste en los residuos Asp100, Asp123, Ala124, Ser127, Leu129, Val131, Asp173, His174 y Phe247.

Finalmente, el sitio de unión del sustrato consta de los residuos Asp123, His256, His274 así como una molécula de agua. [9]

Función

Codificada por el gen gldA, la enzima glicerol deshidrogenasa, la GlyDH cataliza la oxidación del glicerol a glicerina. A diferencia de las vías más comunes que utilizan glicerol, la GlyDH oxida eficazmente el glicerol en vías metabólicas anaeróbicas en condiciones independientes del ATP (un mecanismo útil en la descomposición del glicerol en bacterias). Además, la GlyDH oxida selectivamente el grupo hidroxilo C2 para formar una cetona en lugar de un grupo hidroxilo terminal para formar un aldehído. [10]

Mecanismo

Si bien aún no se ha caracterizado el mecanismo preciso de esta enzima específica, los estudios cinéticos respaldan que la catálisis de la reacción química por GlyDH

glicerol + NAD + glicerina + NADH + H + ⇌ {\displaystyle \arponesderechoizquierdo}

es comparable a las de otras alcohol deshidrogenasas. Por lo tanto, el siguiente mecanismo ofrece una representación razonable de la oxidación del glicerol por NAD + .

Mecanismo de la glicerol deshidrogenasa

Después de que el NAD + se une a la enzima, el sustrato de glicerol se une al sitio activo de tal manera que se tienen dos interacciones coordinadas entre dos grupos hidroxilo adyacentes y el ion zinc vecino. Luego, la GlyDH cataliza la desprotonación asistida por base del grupo hidroxilo C2, formando un alcóxido. El átomo de zinc sirve además para estabilizar la carga negativa en el intermediario alcóxido antes de que el exceso de densidad electrónica alrededor del átomo de oxígeno cargado se desplace para formar un doble enlace con el átomo de carbono C2. Posteriormente, el hidruro se elimina del carbono secundario y actúa como un nucleófilo en la transferencia de electrones al anillo de nicotinamida NAD + . Como resultado, el H + eliminado por la base se libera como un protón en la solución circundante; seguido de la liberación del producto glicerina, luego NADH por GlyDH. [11]

Implicaciones industriales

Como resultado del aumento de la producción de biodiesel, también ha aumentado la formación del subproducto, el glicerol crudo. Si bien el glicerol se utiliza comúnmente en alimentos, productos farmacéuticos, cosméticos y otras industrias, el aumento de la producción de glicerol crudo ha resultado muy costoso de purificar y utilizar en estas industrias. Debido a esto, los investigadores están interesados ​​en encontrar nuevas formas económicas de utilizar productos de glicerol de baja calidad. La biotecnología es una de esas técnicas: se utilizan enzimas particulares para descomponer el glicerol crudo para formar productos como 1,3-propanodiol, 1,2-propanodiol, ácido succínico, dihidroxiacetona (glicerol), hidrógeno, poligliceroles y poliésteres. Como catalizador para la conversión de glicerol en glicerina, la glicerol deshidrogenasa es una de esas enzimas que se está investigando para este propósito industrial. [12]

Véase también

Referencias

Notas
  1. ^ Mallinder, Phillip R.; Pritchard, Andrew; Moir, Anne (1992). "Clonación y caracterización de un gen de Bacillus stearothermophilus var. non-diastaticus que codifica una glicerol deshidrogenasa". Gene . 110 (1): 9–16. doi :10.1016/0378-1119(92)90438-U. ISSN  0378-1119. PMID  1339360.
  2. ^ Marshall, JH; May, JW; Sloan, J. (1985). "Purificación y propiedades del glicerol: NAD+ 2-oxidorreductasa (glicerol deshidrogenasa) de Schizosaccharomyces pombe". Microbiología . 131 (7): 1581–1588. doi : 10.1099/00221287-131-7-1581 . ISSN  1350-0872.
  3. ^ Burton, Robert Main; Kaplan, Nathan O. (1953). "Una deshidrogenasa de glicerol específica de DPN de Aerobacter Aerogenes1". Revista de la Sociedad Química Americana . 75 (4): 1005–1006. doi :10.1021/ja01100a520. ISSN  0002-7863.
  4. ^ Lin ECC; Magasanik B (1960). "La activación de la glicerol deshidrogenasa de Aerobacter aerogenes por cationes monovalentes". J. Biol. Chem . 235 (6): 1820–1823. doi : 10.1016/S0021-9258(19)76888-4 . PMID  14417009.
  5. ^ Jacobs, NJ; VanDemark PJ. (abril de 1960). "Comparación del mecanismo de oxidación del glicerol en Streptococcus faecalis cultivado aeróbicamente y anaeróbicamente". Journal of Bacteriology . 79 (4): 532–538. doi :10.1128/JB.79.4.532-538.1960. PMC 278726 . PMID  14406375. 
  6. ^ Sugiura, Mamoru; Oikawa, Tsutomu; Hirano, Kazuyuki; Shimizu, Hiroshi; Hirata, Fumio (1978). "Purificación y algunas propiedades de la glicerol deshidrogenasa de Erwinia aroideae". Boletín Químico y Farmacéutico . 26 (3): 716–721. doi : 10.1248/cpb.26.716 . ISSN  0009-2363. PMID  647848.
  7. ^ SCHARSCHMIDT, Margrit; PFLEIDERER, Gerhard; METZ, Harald; BRÜMMER, Wolfgang (1983). "Isolierung und Charakterisierung von glicerina-deshidrogenasa ausBacillus megaterium". Zeitschrift für fisiologische Chemie de Hoppe-Seyler . 364 (2): 911–922. doi :10.1515/bchm2.1983.364.2.911. ISSN  0018-4888.
  8. ^ Spencer, P.; Bown, KJ; Scawen, MD; Atkinson, T.; Gore, MG (1989). "Aislamiento y caracterización de la glicerol deshidrogenasa de Bacillus stearothermophilus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Estructura de proteínas y enzimología molecular . 994 (3): 270–279. doi :10.1016/0167-4838(89)90304-X. ISSN  0167-4838. PMID  2493267.
  9. ^ Ruzheinikov, Sergey N.; Burke, Jacky; Sedelnikova, Sveta; Baker, Patrick J.; Taylor, Robert; Bullough, Per A.; Muir, Nicola M.; Gore, Michael G.; Rice, David W. (2001). "Glicerol deshidrogenasa" (PDF) . Estructura . 9 (9): 789–802. doi :10.1016/S0969-2126(01)00645-1. ISSN  0969-2126. PMID  11566129.
  10. ^ Leichus, Betty N.; Blanchard, John S. (1994). "Análisis isotópico de la reacción catalizada por la glicerol deshidrogenasa". Bioquímica . 33 (48): 14642–14649. doi :10.1021/bi00252a033. ISSN  0006-2960. PMID  7981227.
  11. ^ Hammes-Schiffer, Sharon; Benkovic, Stephen J. (2006). "Relacionar el movimiento de las proteínas con la catálisis". Revista anual de bioquímica . 75 (1): 519–541. doi :10.1146/annurev.biochem.75.103004.142800. ISSN  0066-4154. PMID  16756501.
  12. ^ Pachauri, Naresh; He, Brian. (Julio de 2006). "Utilización de valor agregado de glicerol crudo de la producción de biodiesel: un estudio de las actividades de investigación actuales" (PDF) . Sociedad Estadounidense de Ingenieros Agrícolas y Biológicos . Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-04 . Consultado el 2014-03-03 .
Bibliografía
  • Asnis RE, Brodie AF (1953). "Una glicerol deshidrogenasa de Escherichia coli". J. Biol. Chem . 203 (1): 153–9. doi : 10.1016/S0021-9258(19)52625-4 . PMID:  13069498.
  • Burton RM; Kaplan NO (1953). "Una glicerol deshidrogenasa específica de DPN de Aerobacter aerogenes ". J. Am. Chem. Soc . 75 (4): 1005–1007. doi :10.1021/ja01100a520.
  • Lin ECC; Magasanik B (1960). "La activación de la glicerol deshidrogenasa de Aerobacter aerogenes por cationes monovalentes". J. Biol. Chem . 235 (6): 1820–1823. doi : 10.1016/S0021-9258(19)76888-4 . PMID  14417009.
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