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oxigenasa de inositol

La inositol oxigenasa , también conocida comúnmente como mio- inositol oxigenasa (MIOX), es una enzima de hierro dimetílico no hemo que oxida el mio -inositol a ácido glucurónic...

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La inositol oxigenasa , también conocida comúnmente como mio- inositol oxigenasa (MIOX), es una enzima de hierro dimetílico no hemo que oxida el mio -inositol a ácido glucurónico . [ 4 ]

mioinositol​
 
O 2
H 2 O
Flecha de reacción hacia la derecha con sustrato(s) menor(es) desde la parte superior izquierda y producto(s) menor(es) hacia la parte superior derecha.
 
 
 
ácido glucurónico

La enzima emplea una transferencia única de cuatro electrones en sus sitios de coordinación Fe(II)/Fe(III) y la reacción procede a través de la unión directa de mio -inositol seguida del ataque del centro de hierro por oxígeno diatómico. Esta enzima forma parte de la única vía conocida para el catabolismo del inositol en humanos [ 5 ] y se expresa principalmente en los riñones. [ 6 ] [ 7 ] La ​​investigación médica reciente sobre MIOX se ha centrado en comprender su papel en enfermedades metabólicas y renales como la diabetes, la obesidad y la lesión renal aguda . Los esfuerzos de ingeniería con enfoque industrial se centran en mejorar la actividad de MIOX para producir ácido glucárico en huéspedes heterólogos.

Estructura

El sitio activo de la enzima MIOX del ratón muestra el sitio activo de dihierro junto con los aminoácidos coordinados. El átomo de Fe se une a los oxígenos de C1 y C6 del mioinositol. La lisina 127 ayuda a promover la abstracción del átomo de hidrógeno del carbono C1.

La mioinositol oxigenasa es una proteína monomérica de 33 kDa tanto en solución como en cristal. [ 8 ] Esta enzima posee un par atómico Fe(II)/Fe(III) en el sitio activo catalítico que permite su singular mecanismo de transferencia de cuatro electrones. Estudios recientes de cristalización dilucidaron las estructuras de la MIOX de ratón [ 8 ] en 2006, seguidas de la MIOX humana [ 9 ] en 2008.

La estructura general de la MIOX de ratón es principalmente helicoidal, con cinco hélices alfa que forman el núcleo de la proteína. [ 8 ] Al igual que otras oxigenasas de dihierro, los centros de coordinación del hierro se encuentran profundamente dentro de la proteína, presumiblemente para proteger a la célula de los intermediarios de reacción de superóxido y radicales que se forman. [ 10 ] Los dos centros de hierro están coordinados por varios aminoácidos y moléculas de agua, como se muestra en el complejo con el sustrato mio -inositol. La estructura de la MIOX humana se superpone estrechamente a la estructura de la MIOX de ratón, compartiendo un 86 % de identidad de secuencia en el alineamiento estructural , pero con algunas diferencias en los residuos que rodean el sitio activo. [ 9 ] La enzima humana se caracteriza por ocho hélices alfa y una pequeña lámina beta de dos hebras antiparalelas . [ 9 ]

El plegamiento de la proteína MIOX diverge del de otras oxigenasas de dihierro no hemo, incluyendo la ribonucleótido reductasa y la metano monooxigenasa soluble . [ 11 ] En cambio, MIOX se asemeja mucho a las proteínas de la superfamilia del dominio HD debido a su estrategia de unión a metales altamente conservada y la presencia de los cuatro ligandos His en el centro de hierro. [ 8 ]

Mecanismo

MIOX puede aceptar D- mio- inositol , así como el isómero quiroso menos abundante de inositol como sustratos. [ 12 ] Una serie de experimentos de cristalización, espectroscopia y teoría funcional de la densidad han revelado un mecanismo putativo (mostrado a la derecha) para la oxidación del mio- inositol . [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Se utilizó espectroscopia ENDOR para determinar que el sustrato se une directamente al centro de di-hierro Fe(II)/Fe(III) de MIOX, muy probablemente a través del átomo O1 del mio- inositol . [ 10 ] En el MIOX de ratón, se demostró que este proceso de unión depende de residuos de aminoácidos proximales, ya que los mutantes de alanina D85A y K127A no pudieron transformar el sustrato. [ 8 ] Este paso de unión posiciona al mio -inositol antes de los pasos catalíticos que implican el ataque de un centro de hierro por oxígeno diatómico seguido de la abstracción de un átomo de hidrógeno del mio- inositol.

Se forma una especie superóxido Fe(III)/Fe(III) cuando el oxígeno diatómico desplaza al agua, que actúa como ligando de coordinación en uno de los átomos de Fe. A continuación, el átomo de hidrógeno del C1 del mioinositol se abstrae para generar un radical que puede ser atacado por un radical de oxígeno. La liberación del ácido D-glucurónico se produce en el cuarto paso.

Función biológica

El mioinositol puede ingerirse a partir de frutas y verduras y transportarse activamente a las células, o bien sintetizarse directamente a partir de glucosa. [ 16 ] En el riñón, la MIOX convierte el mioinositol en ácido glucurónico , que luego puede ingresar a la vía del glucuronato-xilulosa para su conversión en xilulosa-5-fosfato . [ 16 ] Este producto puede luego ingresar fácilmente a la vía de las pentosas fosfato . Por lo tanto, la MIOX permite la conversión y el catabolismo del inositol para generar NADPH y otros azúcares pentosas.

Relevancia de la enfermedad.

El mioinositol es un componente de los fosfatos de inositol y los fosfoinosítidos que actúan como segundos mensajeros en numerosos procesos celulares, incluida la acción de la insulina. Debido a su expresión exclusiva en el riñón, la investigación se ha centrado en comprender el papel potencial de los niveles de mioinositol y la actividad de la MIOX en enfermedades metabólicas como la diabetes mellitus y la obesidad . La disminución de la MIOX y la acumulación de polioles, como el inositol y el xilitol , se han citado como factores que contribuyen a las complicaciones asociadas con la diabetes . [ 17 ] Además, un estudio reciente ha demostrado que la MIOX se encuentra sobreexpresada en el estado diabético, con su transcripción fuertemente regulada por la osmolaridad , los niveles de glucosa y el estrés oxidativo . [ 18 ] Esta sobreexpresión se asocia con la formación de especies reactivas de oxígeno que provocan daño intersticial en el riñón. [ 18 ]

También existe interés en evaluar la expresión de MIOX como un posible biomarcador de lesión renal aguda . Se ha demostrado que la expresión de MIOX aumenta en el suero de animales y en el plasma de pacientes en estado crítico dentro de las 24 horas posteriores a una lesión renal aguda. [ 19 ] Un inmunoensayo de la expresión de MIOX podría predecir estas lesiones potencialmente mortales antes que el método diagnóstico actual: la detección de creatinina plasmática .

Relevancia industrial

La enzima MIOX ha sido objeto de intensos esfuerzos de ingeniería metabólica para producir ácido glucárico a través de vías biosintéticas. En 2004, el Departamento de Energía de EE. UU . publicó una lista de los principales productos químicos de valor añadido a partir de biomasa que incluía el ácido glucárico, producto directo de la oxidación del ácido glucurónico. La primera producción biosintética de ácido glucárico se logró en 2009 con el uso de la enzima uronato deshidrogenasa (UDH). [ 20 ] Desde entonces, la enzima MIOX ha sido modificada genéticamente para mejorar la producción de ácido glucárico a través de numerosas estrategias que incluyen la adición de una etiqueta SUMO N-terminal, evolución dirigida [ 21 ] y también el uso de andamios sintéticos modulares para aumentar su concentración local efectiva.

La conversión de mioinositol en ácido glucárico, un producto químico de alto valor añadido procedente de la biomasa, puede lograrse mediante una combinación de MIOX y UDH, lo que permite la producción heteróloga de ácido glucárico.

Véase también

Referencias

  1. ^ a b c GRCm38: Versión 89 de Ensembl: ENSMUSG00000022613 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ "Referencia humana de PubMed:" . Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  3. ^ "Referencia de PubMed sobre el ratón:" . Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ Bollinger JM, Diao Y, Matthews ML, Xing G, Krebs C (febrero de 2009). "mio-inositol oxigenasa: una vía radicalmente nueva para la activación de O(2) y CH en un clúster de dihierro no hemo" . Dalton Transactions (6): 905–14 . doi : 10.1039/b811885j . PMC 2788986. PMID 19173070 .  
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