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Isopentenil-difosfato delta isomerasa

La isopentenil pirofosfato Δ isomerasa (IPP isomerasa), también conocida como isopentenil difosfato delta isomerasa, es una isomerasa que cataliza la conversión del pirofosfato de isopentenilo relativamente no reactivo (IPP) al pirofosfato de dimetilalilo electrófilo más reactivo (DMAPP). Esta isomerización es un paso clave en la biosíntesis de isoprenoides a través de la vía de mevalonato y la vía de MEP. Cataliza la siguiente reacción:[1]​

Isopentenil-difosfato delta isomerasa
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Número EC 5.3.3.2
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pirofosfato de isopentenilo --> pirofosfato de dimetilalilo

Esta enzima pertenece a la familia de las isomerasas, específicamente aquellas oxidorreductasas intramoleculares que transponen enlaces C = C. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es isopentenil-difosfato Delta3-Delta2-isomerasa. Otros nombres de uso común incluyen isopentenilpirofosfato Delta-isomerasa, metilbutenilpirofosfato isomerasa e isopentenilpirofosfato isomerasa.[2]​[3]​[4]​

Mecanismo de enzima editar

La isomerasa de IPP cataliza la isomerización de IPP a DMAPP mediante una transposición antarafacial de hidrógeno. La evidencia empírica sugiere que esta reacción se desarrolla mediante un mecanismo de protonación / desprotonación, con la adición de un protón a la cara del doble enlace C3-C4 inactivado que da como resultado un intermedio de carbocatión transitorio. La eliminación del protón pro-R de C2 forma el doble enlace C2-C3 de DMAPP.[5]​[6]​[7]​[8]​

 
El mecanismo para la isomerización entre IPP y DMAPP. Los donantes y aceptores genéricos de protones se muestran porque las identidades de los aminoácidos que llevan a cabo estas funciones no se han establecido de manera concluyente. Tenga en cuenta que la estructura de DMAPP se dibuja incorrectamente, carece de un protón en un grupo metilo terminal.

Estructura enzimática editar

 
Un diagrama de dibujos animados de la isomerasa de IPP humana con el residuo de cisteína catalítica (Cys87) en rojo y el residuo de ácido glutámico catalítico (Glu149) en azul (número de acceso 2ICJ del Banco de datos de proteínas RCSB).

Los estudios cristalográficos han observado que la forma activa de la isomerasa IPP es un monómero con hélices α y láminas β alternas. El sitio activo de la isomerasa de IPP está profundamente enterrado dentro de la enzima y consiste en un residuo de ácido glutámico y un residuo de cisteína que interactúan con lados opuestos del sustrato de IPP, de acuerdo con la estereoquímica antarafacial de la isomerización. El origen del paso de protonación inicial no se ha establecido de manera concluyente. La evidencia reciente sugiere que el residuo de ácido glutámico está involucrado en la etapa de protonación a pesar de la observación de que su cadena lateral de ácido carboxílico se estabiliza en su forma de carboxilato. Esta discrepancia se ha abordado mediante el descubrimiento de una molécula de agua en el sitio activo de la isomerasa de IPP humana, lo que sugiere un mecanismo donde el residuo de glutamina polariza el doble enlace de IPP y lo hace más susceptible a la protonación por agua..[9]​[10]​[11]​[12]​[13]​

La isomerasa de IPP también requiere un catión divalente para plegarse en su conformación activa. La enzima contiene varios aminoácidos, incluido el glutamato catalítico, que participan en la coordinación con Mg+2 o Mn+2. La coordinación del catión metálico con el residuo de glutamato estabiliza el intermedio de carbiocación después de la protonación.[9]​[14]​

Estudios estructurales editar

Hacia el 2007, 25 estructuras han sido solucionadas para esta clase de enzimas, con códigos de accesión PDB 1HX3, 1HZT, 1I9A, 1NFS, 1NFS, 1OW2, 1P0K, 1P0K, 1PPV, 1PPV, 1PVF, 1Q54, 1R67, 1VCF, 1VCF, 1X83, 1X83, 2B2K, 2DHO, 2G73, 2G73, 2I6K, 2ICJ, 2I6K, y 2PNY.

Función biológica editar

La protonación de un doble enlace inactivado rara vez se ve en la naturaleza, destacando el mecanismo catalítico único de la isomerasa IPP. La isomerización de IPP a DMAPP es un paso crucial en la síntesis de isoprenoides y derivados de isoprenoides, compuestos que desempeñan papeles vitales en las vías biosintéticas de todos los organismos vivos. Debido a la importancia de la vía del melavonato en la biosíntesis de isoprenoides, la isomerasa IPP se encuentra en una variedad de compartimentos celulares diferentes, incluidos los plastidios y las mitocondrias de mamíferos.[15]​[16]​

 
Ruta del mevalonato

Relevancia patológica editar

Las mutaciones en IDI1, el gen que codifica la IPP isomerasa 1, se han implicado en una disminución de la viabilidad en varios organismos, incluida la levadura Saccharomyces cerevisiae, el nematodo Caenorhabditis elegans y la planta Arabidopsis thaliana. Si bien no ha habido evidencia que implique directamente las mutaciones IDI1 en la enfermedad humana, el análisis genómico ha identificado una ganancia en el número de copias cerca de dos genes de isomerasa IPP en una proporción sustancial de pacientes con esclerosis lateral amiotrófica esporádica, lo que sugiere que la isomerasa puede desempeñar un papel relevante en esta enfermedad..[17]​[18]​[19]​[20]​

Referencias editar

  1. ↑ «IDI1 - Isopentenyl-diphosphate Delta-isomerase - Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) (Baker's yeast) - IDI1 gene & protein». UniProt. Consultado el 6 de junio de 2016. 
  2. ↑ Kaneda K, Kuzuyama T, Takagi M, Hayakawa Y, Seto H (2001). "An unusual isopentenyl diphosphate isomerase found in the mevalonate pathway gene cluster from Streptomyces sp. strain CL190". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (3): 932–7. doi:10.1073/pnas.020472198. PMC 14687. PMID 11158573.
  3. ↑ Bishop JM (1983). "Cellular oncogenes and retroviruses". Annu. Rev. Biochem. 52: 301–54. doi:10.1146/annurev.bi.52.070183.001505. PMID 6351725.
  4. ↑ Agranoff BW, Eggerer H, Henning U, Lynen F (1960). "Biosynthesis of terpenes. VII. Isopentenyl pyrophosphate isomerase". J. Biol. Chem. 235: 326–32. PMID 13792054.
  5. ↑ Cornforth JW, Cornforth RH, Popják G, Yengoyan L (Sep 1966). "Studies on the biosynthesis of cholesterol. XX. Steric course of decarboxylation of 5-pyrophosphomevalonate and of the carbon to carbon bond formation in the biosynthesis of farnesyl pyrophosphate". The Journal of Biological Chemistry. 241 (17): 3970–3987. PMID 4288360.
  6. ↑ Cornforth RH, Popják G (1969). "Chemical syntheses of substrates of sterol biosynthesis". In Raymond BC (ed.). Methods in Enzymology. 15. Academic Press. pp. 359–390.
  7. ↑ Reardon JE, Abeles RH (Sep 1986). "Mechanism of action of isopentenyl pyrophosphate isomerase: evidence for a carbonium ion intermediate". Biochemistry. 25 (19): 5609–5616. doi:10.1021/bi00367a040. PMID 3022798.
  8. ↑ Street IP, Christensen DJ, Poulter CD (1990). "Hydrogen exchange during the enzyme-catalyzed isomerization of isopentenyl diphosphate and dimethylallyl diphosphate". Journal of the American Chemical Society. 112 (23): 8577–8578. doi:10.1021/ja00179a049.
  9. ↑ a b Hall NR, Fish DE, Hunt N, Goldin RD, Guillou PJ, Monson JR (Jun 1992). "Is the relationship between angiogenesis and metastasis in breast cancer real?". Surgical Oncology. 1 (3): 223–229. doi:10.1016/0960-7404(92)90068-v. PMID 1285217.
  10. ↑ Zheng W, Sun F, Bartlam M, Li X, Li R, Rao Z (Mar 2007). "The crystal structure of human isopentenyl diphosphate isomerase at 1.7 A resolution reveals its catalytic mechanism in isoprenoid biosynthesis". Journal of Molecular Biology. 366 (5): 1447–1458. doi:10.1016/j.jmb.2006.12.055. PMID 17250851.
  11. ↑ Street IP, Coffman HR, Baker JA, Poulter CD (Apr 1994). "Identification of Cys139 and Glu207 as catalytically important groups in the active site of isopentenyl diphosphate:dimethylallyl diphosphate isomerase". Biochemistry. 33 (14): 4212–4217. doi:10.1021/bi00180a014. PMID 7908830.
  12. ↑ Wouters J, Oudjama Y, Barkley SJ, Tricot C, Stalon V, Droogmans L, Poulter CD (Apr 2003). "Catalytic mechanism of Escherichia coli isopentenyl diphosphate isomerase involves Cys-67, Glu-116, and Tyr-104 as suggested by crystal structures of complexes with transition state analogues and irreversible inhibitors". The Journal of Biological Chemistry. 278 (14): 11903–11908. doi:10.1074/jbc.M212823200. PMID 12540835.
  13. ↑ Zhang C, Liu L, Xu H, Wei Z, Wang Y, Lin Y, Gong W (Mar 2007). "Crystal structures of human IPP isomerase: new insights into the catalytic mechanism". Journal of Molecular Biology. 366 (5): 1437–1446. doi:10.1016/j.jmb.2006.10.092. PMID 17137593.
  14. ↑ Bonanno JB, Edo C, Eswar N, Pieper U, Romanowski MJ, Ilyin V, Gerchman SE, Kycia H, Studier FW, Sali A, Burley SK (Nov 2001). "Structural genomics of enzymes involved in sterol/isoprenoid biosynthesis". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (23): 12896–12901. doi:10.1073/pnas.181466998. PMC 60796. PMID 11698677.
  15. ↑ Bach TJ (Mar 1995). "Some new aspects of isoprenoid biosynthesis in plants--a review". Lipids. 30 (3): 191–202. doi:10.1007/BF02537822. PMID 7791527.
  16. ↑ Ramos-Valdivia AC, van der Heijden R, Verpoorte R (Dec 1997). "Isopentenyl diphosphate isomerase: a core enzyme in isoprenoid biosynthesis. A review of its biochemistry and function". Natural Product Reports. 14 (6): 591–603. doi:10.1039/np9971400591. PMID 9418296.
  17. ↑ Mayer MP, Hahn FM, Stillman DJ, Poulter CD (Sep 1992). "Disruption and mapping of IDI1, the gene for isopentenyl diphosphate isomerase in Saccharomyces cerevisiae". Yeast. 8 (9): 743–748. doi:10.1002/yea.320080907. PMID 1441751.
  18. ↑ Yochem J, Hall DH, Bell LR, Hedgecock EM, Herman RK (Apr 2005). "Isopentenyl-diphosphate isomerase is essential for viability of Caenorhabditis elegans". Molecular Genetics and Genomics. 273 (2): 158–166. doi:10.1007/s00438-004-1101-x. PMID 15765206.
  19. ↑ Okada K, Kasahara H, Yamaguchi S, Kawaide H, Kamiya Y, Nojiri H, Yamane H (Apr 2008). "Genetic evidence for the role of isopentenyl diphosphate isomerases in the mevalonate pathway and plant development in Arabidopsis". Plant & Cell Physiology. 49 (4): 604–616. doi:10.1093/pcp/pcn032. PMID 18303110.
  20. ↑ Kato T, Emi M, Sato H, Arawaka S, Wada M, Kawanami T, Katagiri T, Tsuburaya K, Toyoshima I, Tanaka F, Sobue G, Matsubara K (Nov 2010). "Segmental copy-number gain within the region of isopentenyl diphosphate isomerase genes in sporadic amyotrophic lateral sclerosis". Biochemical and Biophysical Research Communications. 402 (2): 438–442. doi:10.1016/j.bbrc.2010.10.056. PMID 20955688.
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