Glutamato-cisteína ligasa - Glutamate–cysteine ligase

La glutamato cisteína ligasa (GCL) ( EC 6.3.2.2 ), anteriormente conocida como gamma-glutamilcisteína sintetasa (GCS), es la primera enzima de la vía biosintética del glutatión celular (GSH) que cataliza la reacción química :

L -glutamato + L -cisteína + ATP gamma-glutamil cisteína + ADP + P _i${\ Displaystyle \ rightleftharpoons}$

GSH, y por extensión GCL, es fundamental para la supervivencia celular. Casi todas las células eucariotas, desde plantas hasta levaduras y humanos, expresan una forma de la proteína GCL con el propósito de sintetizar GSH. Para resaltar aún más la naturaleza crítica de esta enzima, la eliminación genética de GCL da como resultado la letalidad embrionaria. Además, se sabe que la desregulación de la función y actividad enzimática de GCL está implicada en la gran mayoría de las enfermedades humanas, como la diabetes, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, la EPOC, el VIH / SIDA y el cáncer. Esto generalmente implica una función deteriorada que conduce a una disminución de la biosíntesis de GSH, una capacidad antioxidante celular reducida y la inducción de estrés oxidativo. Sin embargo, en el cáncer, se potencia la expresión y actividad de GCL, lo que sirve tanto para apoyar el alto nivel de proliferación celular como para conferir resistencia a muchos agentes quimioterapéuticos.

Función

La glutamato cisteína ligasa (GCL) cataliza el primer paso y limitante de la producción del antioxidante celular glutatión (GSH), que implica la condensación de cisteína y glutamato dependiente de ATP para formar el dipéptido gamma-glutamilcisteína (γ-GC). Este acoplamiento de péptidos es único porque se produce entre el resto amino de la cisteína y el ácido carboxílico terminal de la cadena lateral del glutamato (de ahí el nombre de gamma-glutamil cisteína). Este enlace peptídico es resistente a la escisión por las peptidasas celulares y requiere una enzima especializada, gamma-glutamil transpeptidasa (γGT), para metabolizar γ-GC y GSH en sus aminoácidos constituyentes.

La actividad enzimática de GCL generalmente dicta los niveles celulares de GSH y la capacidad biosintética de GSH. La actividad enzimática de GCL está influenciada por numerosos factores, incluida la expresión celular de las proteínas de la subunidad de GCL, el acceso a sustratos (la cisteína suele limitar la producción de γ-GC), el grado de inhibición por retroalimentación negativa por GSH y postraduccionalidad funcionalmente relevante. modificaciones a sitios específicos en las subunidades de GCL. Dado su estatus como enzima limitante de la velocidad en la biosíntesis de GSH, los cambios en la actividad de GCL equivalen directamente a cambios en la capacidad biosintética celular de GSH. Por tanto, las estrategias terapéuticas para alterar la producción de GSH se han centrado en esta enzima.

Regulación

De acuerdo con su importancia crítica para mantener la vida, la GCL está sujeta a una regulación de múltiples niveles de su expresión, función y actividad. La expresión de GCL está regulada en los niveles transcripcional (transcripción del ADN de GCLC y GCLM para producir ARNm), postranscripcional (la estabilidad del ARNm a lo largo del tiempo), traduccional (procesamiento del ARNm en proteína) y postraduccional (que implica modificaciones al existente proteínas). Aunque se requiere expresión constitutiva basal para mantener la viabilidad celular, la expresión de las subunidades de GCL también es inducible en respuesta al estrés oxidativo , el agotamiento de GSH y la exposición a sustancias químicas tóxicas , y los factores de transcripción Nrf2 , AP-1 y NF-κB regulan la expresión inducible y constitutiva de ambas subunidades

En términos de regulación funcional enzimática, el propio GSH actúa como un inhibidor de retroalimentación de la actividad de GCL. En concentraciones normales de sustrato fisiológico, el monómero GCLC solo puede sintetizar gamma-glutamilcisteína; sin embargo, los niveles fisiológicos normales de GSH (estimado en alrededor de 5 mM) supera con creces el GSH K _i para GCLC, lo que sugiere que sólo la holoenzima GCL es funcional en condiciones basales. Sin embargo, durante el estrés oxidativo o las agresiones tóxicas que pueden resultar en el agotamiento del GSH celular o su oxidación a disulfuro de glutatión (GSSG), es probable que la función de cualquier GCLC monomérico en la célula se vuelva bastante importante. En apoyo de esta hipótesis, los ratones que carecen de expresión de la subunidad GCLM debido a desmontables genéticos niveles de exposición bajos de tejido GSH (~ 10-20% del nivel normal), que es aproximadamente el nivel de la GSH K _i para GCLC monomérica.

Estructura

Glutamato-cisteína ligasa animal

La cisteína ligasa de glutamato animal (GCL) es una enzima heterodimérica compuesta por dos subunidades de proteínas que están codificadas por genes independientes ubicados en cromosomas separados:

• La subunidad catalítica de glutamato cisteína ligasa ( GCLC , ~ 73 kDa) posee todos los sitios de unión de sustrato y cofactor y es responsable de toda la catálisis.
• La subunidad modificadora de glutamato cisteína ligasa ( GCLM , ~ 31 kDa) no tiene actividad enzimática por sí sola, pero aumenta la eficacia catalítica de GCLC cuando forma un complejo en la holoenzima.

En la mayoría de las células y tejidos, la expresión de la proteína GCLM es menor que la de la GCLC y, por tanto, la GCLM limita la formación del complejo holoenzimático. Por tanto, la suma total de la actividad de GCL celular es igual a la actividad de la holoenzima + la actividad del GCLC monomérico restante. compuesto por una subunidad catalítica y una moduladora. La subunidad catalítica es necesaria y suficiente para toda la actividad enzimática de GCL, mientras que la subunidad moduladora aumenta la eficiencia catalítica de la enzima. Los ratones que carecen de la subunidad catalítica (es decir, que carecen de toda la síntesis de novo de GSH) mueren antes del nacimiento. Los ratones que carecen de la subunidad moduladora no demuestran un fenotipo obvio, pero presentan una marcada disminución de GSH y una mayor sensibilidad a las agresiones tóxicas.

Planta glutamato cisteína ligasa

La glutamato cisteína ligasa vegetal es una enzima homodimérica sensible a redox , conservada en el reino vegetal. En un ambiente oxidante, se forman puentes disulfuro intermoleculares y la enzima cambia al estado activo dimérico. El potencial de punto medio del par de cisteína crítico es -318 mV. Además del control dependiente de redox, la enzima GCL de la planta es inhibida por retroalimentación por el glutatión. GCL se encuentra exclusivamente en plastidios , y la glutatión sintetasa (GS) tiene un doble objetivo en plastidios y citosol, por lo que GSH y gamma-glutamilcisteína se exportan de los plastidios. Ambas enzimas de biosíntesis de glutatión son esenciales en las plantas; los knock-outs de GCL y GS son letales para el embrión y la plántula.

A finales de 2007, se han resuelto 6 estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB 1V4G , 1VA6 , 2D32 , 2D33 , 2GWC y 2GWD .

Referencias

• MacKinnon, Charlotte M .; Carter, Philip E .; Smyth, S. Jane; Dunbar, Bryan; Fothergill, John E. (1987). "Clonación molecular de ADNc para el componente C1s del complemento humano. La secuencia completa de aminoácidos" . Revista europea de bioquímica . 169 (3): 547–553. doi : 10.1111 / j.1432-1033.1987.tb13644.x . PMID  3500856 .
• Snoke, JE; Yanari, S; Bloch, K (1953). "Síntesis de glutatión a partir de gamma-glutamilcisteína" . La revista de química biológica . 201 (2): 573–586. doi : 10.1016 / S0021-9258 (18) 66212-X . PMID  13061393 .
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