Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Arildialquilfosfatasa

Arildialquilfosfatasa (EC 3.1.8.1, también conocida como fosfotriesterasa , hidrolasa de organofosfato , hidrolasa de paratión , paraoxón ase y paratión aril esterasa ; nombre s...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Arildialquilfosfatasa (EC 3.1.8.1, también conocida como fosfotriesterasa , hidrolasa de organofosfato , hidrolasa de paratión , paraoxónase y paratión aril esterasa ; nombre sistemático ariltrifosfato dialquilfosfohidrolasa ) es una metaloenzima que hidroliza el enlace triéster [ 1 ] que se encuentra en los insecticidas organofosforados :

un aril dialquil fosfato + H 2 O⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }fosfato de dialquilo + un alcohol arílico

El gen ( opd , por organofosfato-degradador) que codifica la enzima se encuentra en un plásmido grande (pSC1, 51 Kb) endógeno de Pseudomonas diminuta , [ 2 ] aunque el gen también se ha encontrado en muchas otras especies bacterianas como Flavobacterium sp. (ATCC27551), donde también está codificado en un elemento extracromosómico (pSM55, 43 Kb). [ 2 ]

Los organofosfatos son ésteres del ácido fosfórico y forman parte de los compuestos organofosforados . Se encuentran presentes en insecticidas , herbicidas y gases nerviosos , entre otros. Algunos organofosfatos menos tóxicos se utilizan como disolventes , plastificantes y aditivos EP . El uso de organofosfatos representa aproximadamente el 38 % del uso total de plaguicidas a nivel mundial. [ 3 ]

Gene

Se han identificado cepas bacterianas capaces de degradar plaguicidas organofosforados (OP) en muestras de suelo de diferentes partes del mundo. [ 3 ] [ 4 ] La primera especie bacteriana degradadora de organofosforados se aisló de una muestra de suelo de Filipinas en 1973, [ 5 ] que se identificó como Flavobacterium sp. ATCC27551. Desde entonces, otras especies han demostrado tener capacidad de degradación de OP, como Pseudomonas diminuta (aislada de una muestra de suelo de EE. UU.), Agrobacterium radiobacter (aislada de una muestra de suelo de Australia), Alteromonas haloplanktis (aislada de una muestra de suelo de EE. UU.) y Pseudomonas sp. WBC-3 (aislada de una muestra de suelo de China). [ 3 ]

La capacidad de hidrolizar organofosfatos no es exclusiva de las bacterias. Se ha descubierto que algunas especies de hongos y cianobacterias también los hidrolizan. [ 3 ] Además, mediante búsquedas de homología de secuencias de genomas completos, se identificaron varias otras especies bacterianas que también contienen secuencias de la misma familia de genes que opd , incluidas bacterias patógenas como Escherichia coli ( yhfV ) y Mycobacterium tuberculosis . [ 3 ]

La secuencia genética que codifica la enzima ( opd ) en Flavobacterium sp. ATCC27551 y Pseudomonas diminuta está altamente conservada (100% de homología de secuencia ), [ 4 ] aunque los plásmidos donde se encuentran los genes tienen secuencias muy diferentes aparte de una región conservada de 5,1 Kb [ 4 ] [ 6 ] donde se encuentra el gen. [ 2 ]

Un análisis más detallado de la organización del gen opd de Flavobacterium sugiere una posible arquitectura similar a la de un transposón , lo que explicaría la amplia distribución del gen entre otras especies microbianas que podría haber ocurrido mediante transferencia lateral de ADN. El gen opd está flanqueado por secuencias de inserción de transposición, características de la familia de transposones Tn3 . Además, se identificaron una secuencia similar a una transposasa (homóloga a TnpA ) y una secuencia similar a una resolvasa (homóloga a TnpR ) en regiones corriente arriba del gen opd , [ 4 ] características de los transposones de clase II como Tn3.

Además, se identificó otro marco de lectura abierto aguas abajo de opd que codifica una proteína que degrada aún más el p -nitrofenol , uno de los subproductos de la degradación de OP. Se cree que esta proteína actúa como un complejo con PTE, ya que se observa un aumento drástico de la actividad cuando PTE está presente. [ 4 ]

Por lo tanto, la organización arquitectónica característica de la región del gen opd sugiere que diferentes especies adquirieron el gen mediante transferencia horizontal a través de transposición y transferencia de plásmidos.

Proteína

Estructura

La fosfotriesterasa (PTE) pertenece a una familia de metaloenzimas que posee dos átomos metálicos catalíticos de Zn²⁺ , unidos mediante un ligando común y coordinados por cadenas laterales de imidazol de residuos de histidina que se agrupan alrededor de los átomos metálicos. [ 7 ] La ​​proteína forma un homodímero. [ 8 ] La estructura general consiste en un motivo de barril α/β, presente también en otras 20 proteínas catalíticas. El sitio activo de estas proteínas se localiza en la porción C-terminal del barril β, donde también se encuentra el sitio activo de la PTE. [ 7 ]

Esquema de la reacción de hidrólisis enzimática del paraoxón en ácido dietilfosfórico y p -nitrofenol.

Catálisis

La catálisis de organofosfatos ocurre a través de una sustitución nucleofílica con inversión de configuración ( mecanismo S N 2 ) alrededor del centro de fósforo del sustrato. [ 7 ] En el sitio activo, los cationes metálicos ayudan en la catálisis polarizando aún más el enlace P–O del sustrato, lo que lo hace más susceptible a un ataque nucleofílico. Además, un residuo básico abstrae un protón de una molécula de agua, y el ion hidróxido producido une los dos cationes divalentes y actúa como nucleófilo. El OH − ataca entonces el centro de fósforo del sustrato, seguido de un evento de transferencia de protón. El enlace P–O se rompe y los productos se liberan del sitio activo. [ 9 ] La tasa de recambio ( k cat ) de la fosfotriesterasa es de casi 10 4 s −1 para la hidrólisis de paraoxón, [ 10 ] y los productos son p-nitrofenol y ácido dietilfosfórico .

Especies

La fosfotriesterasa está presente en dos especies, Pseudomonas diminuta y Flavobacterium sp. ATCC27551. Otras variantes genéticas que también codifican enzimas degradadoras de organofosfatos están presentes en otras especies. La lista incluye especies bacterianas como la radiorresistente Deinococcus radiodurans , los patógenos Mycobacterium tuberculosis y Mycobacterium bovis , la bacteria anaerobia Desulfatibacillum alkenivorans , las bacterias termófilas Geobacillus sp. y Thermoanaerobacter sp. X514, Escherichia coli ( yhfV ) y muchos otros grupos de bacterias, [ 3 ] y también algunas arqueas como Sulfolobus acidocaldarius . [ 11 ]

Diagrama esquemático de la pared celular de bacterias Gram negativas (Pseudomonas) que muestra la membrana interna donde se ancla el PTE y el espacio periplásmico.

localización subcelular

La fosfotriesterasa es una proteína asociada a la membrana que se traduce con un péptido diana de 29 aminoácidos (motivo Tat), [ 12 ] [ 10 ] [ 13 ] que luego se escinde de la proteína madura tras su inserción en la membrana plasmática. [ 1 ] La proteína se ancla a la membrana interna de la célula, orientada hacia el periplasma. [ 14 ]

Función

La enzima fosfotriesterasa hidroliza los compuestos organofosforados rompiendo el enlace triéster en el sustrato.

Compuestos organofosforados que sirven como sustratos para la hidrólisis catalizada por enzimas mediante PTE.

La enzima tiene una especificidad de sustrato muy amplia, [ 12 ] y es muy eficiente catalizando la reacción: PTE hidroliza paraoxón a una velocidad cercana al límite de difusión, [ 15 ] lo que indica que la enzima ha evolucionado de forma óptima para utilizar este sustrato. [ 13 ] Actúa específicamente sobre triésteres de organofosfato sintéticos y fosforofluoridatos . [ 3 ] No parece tener un sustrato natural y, por lo tanto, puede haber evolucionado de forma óptima para utilizar paraoxón y otros plaguicidas agrícolas comunes. [ 15 ]

Los productos de la reacción son ácido dietilfosfórico y p -nitrofenol. [ 4 ] Este último producto es degradado posteriormente por una enzima codificada 750 pb corriente abajo del gen opd , que codifica una presunta hidrolasa de 29 kDa que podría estar involucrada en la degradación de compuestos aromáticos y actúa en conjunto con PTE. [ 4 ] Esta enzima es homóloga a las hidrolasas de Pseudomonas putida , Pseudomonas azelaica , Rhodococcus sp. y P. fluorescens . [ 4 ]

Los organofosforados no son tóxicos para las bacterias, pero actúan como inhibidores de la acetilcolinesterasa en los animales. [ 16 ] Algunas especies de bacterias también pueden utilizar los organofosforados como fuente de nutrientes y carbono. [ 14 ]

Importancia ambiental

Las fosfotriesterasas se consideran un candidato prometedor como biocatalizador para la biorremediación. [ 7 ] Su amplia especificidad de sustrato y eficiencia catalítica las convierte en un objetivo atractivo para el uso potencial de microorganismos que contienen el gen opd en la desintoxicación de suelos tóxicos debido al uso excesivo de plaguicidas. [ 3 ] Además, los organofosforados actúan como inhibidores de la acetilcolinesterasa (AChE). El neurotransmisor AChE es un componente vital del sistema nervioso central (SNC) en insectos y animales, y la inhibición de su correcto metabolismo produce una sobreestimulación del SNC, lo que finalmente provoca la muerte de insectos y mamíferos. [ 3 ] [ 17 ] Por consiguiente, el uso de microorganismos degradadores de organofosforados es un método potencialmente eficaz, de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente para eliminar estos compuestos tóxicos del entorno. [ 3 ]

Historia

Se han aislado especies bacterianas con capacidad para degradar plaguicidas organofosforados a partir de muestras de suelo de diferentes partes del mundo. La primera cepa bacteriana identificada capaz de hidrolizar organofosforados fue Flavobacterium sp. ATCC 27551, hallada por Sethunathan y Yoshida en 1973 a partir de una muestra de suelo originaria de Filipinas. [ 5 ] Desde entonces, se ha descubierto que otras especies también poseen enzimas degradadoras de organofosforados similares a las encontradas en Flavobacterium . [ 6 ] .

Referencias

  1. 1 2 Pinjari AB, Pandey JP, Kamireddy S, Siddavattam D (julio de 2013). "Expresión y localización subcelular de la hidrolasa de organofosfato en la cepa Ind01 de Pseudomonas sp. degradadora de acefato y su uso como un biocatalizador potencial para la eliminación de insecticidas organofosforados". Letters in Applied Microbiology . 57 (1): 63– 8. doi : 10.1111/lam.12080 . PMID 23574004 . S2CID 12006833 .  
  2. 1 2 3 Harper LL, McDaniel CS, Miller CE, Wild JR (octubre de 1988). "Plásmidos disímiles aislados de Pseudomonas diminuta MG y una especie de Flavobacterium (ATCC 27551) contienen genes opd idénticos" . Microbiología Aplicada y Ambiental . 54 (10): 2586– 9. Bibcode : 1988ApEnM..54.2586H . doi : 10.1128/AEM.54.10.2586-2589.1988 . PMC 204325. PMID 3202637 .  
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Singh BK (febrero de 2009). "Bacterias degradadoras de organofosforados: ecología y aplicaciones industriales". Nature Reviews. Microbiology . 7 (2): 156– 64. doi : 10.1038/nrmicro2050 . PMID 19098922 . S2CID 205497513 .  
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Siddavattam D, Khajamohiddin S, Manavathi B, Pakala SB, Merrick M (mayo de 2003). "Organización tipo transposón del grupo de genes de degradación de organofosfatos (opd) portados por plásmidos encontrado en Flavobacterium sp" . Microbiología Aplicada y Ambiental . 69 (5): 2533– 9. Bibcode : 2003ApEnM..69.2533S . doi : 10.1128 / AEM.69.5.2533-2539.2003 . PMC 154515. PMID 12732518 .  
  5. 1 2 Sethunathan N, Yoshida T (julio de 1973). "Una especie de Flavobacterium que degrada diazinón y paratión". Revista Canadiense de Microbiología . 19 (7): 873– 5. doi : 10.1139/m73-138 . PMID 4727806 . 
  6. 1 2 Mulbry WW, Karns JS, Kearney PC, Nelson JO, McDaniel CS, Wild JR (mayo de 1986). "Identificación de un gen de paratión hidrolasa portado por plásmido de Flavobacterium sp. mediante hibridación Southern con opd de Pseudomonas diminuta " . Microbiología Aplicada y Ambiental . 51 (5): 926–30 . Bibcode : 1986ApEnM..51..926M . doi : 10.1128 / AEM.51.5.926-930.1986 . PMC 238989. PMID 3015022 .  
  7. 1 2 3 4 Benning MM, Kuo JM, Raushel FM, Holden HM (diciembre de 1994). "Estructura tridimensional de la fosfotriesterasa: una enzima capaz de desintoxicar agentes nerviosos organofosforados". Biochemistry . 33 (50): 15001– 7. doi : 10.1021/bi00254a008 . PMID 7999757 . S2CID 9424327 .  
  8. ↑ Dong YJ, Bartlam M, Sun L, Zhou YF, Zhang ZP, Zhang CG, Rao Z, Zhang XE (octubre de 2005). "Estructura cristalina de la metil paratión hidrolasa de Pseudomonas sp. WBC-3". Journal of Molecular Biology . 353 (3): 655– 63. doi : 10.1016/j.jmb.2005.08.057 . PMID 16181636 . 
  9. ↑ Aubert SD, Li Y, Raushel FM (mayo de 2004). "Mecanismo para la hidrólisis de organofosfatos por la fosfotriesterasa bacteriana". Biochemistry . 43 (19): 5707– 15. doi : 10.1021/bi0497805 . PMID 15134445 . 
  10. 1 2 Mulbry WW, Karns JS (febrero de 1989). "Purificación y caracterización de tres hidrolasas de paratión de cepas bacterianas gramnegativas" . Microbiología Aplicada y Ambiental . 55 (2): 289– 93. Bibcode : 1989ApEnM..55..289M . doi : 10.1128/AEM.55.2.289-293.1989 . PMC 184103. PMID 2541658 .  
  11. ^ Chen L, Brügger K, Skovgaard M, Redder P, She Q, Torarinsson E, Greve B, Awayez M, Zibat A, Klenk HP, Garrett RA (julio de 2005). "El genoma de Sulfolobus acidocaldarius, un organismo modelo de Crenarchaeota" . Revista de Bacteriología . 187 (14): 4992– 9. doi : 10.1128/JB.187.14.4992-4999.2005 . PMC 1169522 . PMID 15995215 .  
  12. 1 2 Classen JJ, Engler CR, Kenerley CM, Whittaker AD (abril de 2000). "Un modelo logístico del crecimiento de hongos en el subsuelo con aplicación a la biorremediación". Journal of Environmental Science and Health, Part A . 35 (4): 465– 488. Bibcode : 2000JESHA..35..465C . doi : 10.1080/10934520009376982 . S2CID 98035446 . 
  13. 1 2 Caldwell SR, Newcomb JR, Schlecht KA, Raushel FM (julio de 1991). "Límites de difusión en la hidrólisis de sustratos por la fosfotriesterasa de Pseudomonas diminuta ". Biochemistry . 30 (30): 7438– 7444. doi : 10.1021/bi00244a010 . ISSN 0006-2960 . PMID 1649628 .  
  14. 1 2 Singh BK, Walker A (mayo de 2006). "Degradación microbiana de compuestos organofosforados" . FEMS Microbiology Reviews . 30 (3): 428–71 . doi : 10.1111/j.1574-6976.2006.00018.x . PMID 16594965 . 
  15. 1 2 Dumas DP, Caldwell SR, Wild JR, Raushel FM (noviembre de 1989). "Purificación y propiedades de la fosfotriesterasa de Pseudomonas diminuta " . The Journal of Biological Chemistry . 264 (33): 19659– 65. doi : 10.1016/S0021-9258(19)47164-0 . PMID 2555328 . 
  16. ↑ Lotti M (2002). "Promoción de la polineuropatía retardada inducida por organofosfatos mediante ciertos inhibidores de la esterasa". Toxicology . 181–182 : 245–248 . Bibcode : 2002Toxgy.181..245L . doi : 10.1016/s0300-483x(02)00291-3 . PMID 12505319 . 
  17. ↑ Ragnarsdottir KV (2000). "Destino ambiental y toxicología de los plaguicidas organofosforados". Journal of the Geological Society . 157 (4): 859– 876. Bibcode : 2000JGSoc.157..859R . doi : 10.1144/jgs.157.4.859 . S2CID 129950334 . 

Lecturas adicionales

  • Aldridge WN (enero de 1953). "Esterasas séricas. I. Dos tipos de esterasa (A y B) que hidrolizan p -nitrofenil acetato, propionato y butirato, y un método para su determinación" . The Biochemical Journal . 53 (1): 110–7 . doi : 10.1042/bj0530110 . PMC 1198110. PMID 13032041 .  
  • Bosmann HB (julio de 1972). "Enzimas marcadoras de membrana. Caracterización de una arilesterasa de la corteza cerebral de cobaya que utiliza p -nitrofenil acetato como sustrato". Biochimica et Biophysica Acta . 276 (1): 180– 91. doi : 10.1016/0005-2744(72)90019-8 . PMID 5047702 . 
  • Mackness MI, Thompson HM, Hardy AR, Walker CH (julio de 1987). "Distinción entre esterasas 'A' y arilesterasas. Implicaciones para la clasificación de esterasas" . The Biochemical Journal . 245 (1): 293–6 . doi : 10.1042/bj2450293 . PMC 1148115. PMID 2822017 .  
  • Main AR (1960). "La diferenciación de las esterasas de tipo A en el suero de oveja" . Biochem. J. 75 ( 1): 188–195 . doi : 10.1042/bj0750188 . PMC 1204348. PMID 14420012 .