ENZIMA LIGASA Objetivos y y
Entender la importancia biológi ca de la presencia de enzimas ligasas en las células. sí como su mecanismo de acción. Conocer las características generales de la enzima ligasa, así c
Función
Enzima que cataliza la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato 1 (ATP, GTP, etc.) :
(1)
Un ejemplo es la piruvato carboxilasa, que cataliza la reacción:
(2)
Se trata de un grupo de enzimas muy importantes y recién conocidas, pu es antes se pensaba que este ef ect ecto se llevaba a cabo por la acción conjunta de dos enzimas, una fosfocinasa, para fosforilar a una sustancia A (A + ATP A - + ADP ) y u na transf er erasa qu e pasarí a y u nirí a esa sustancia A, con otra, B 1 (A - + B A B + Pi ) . Otros nombres comunes para llamar a las ligasas son: sintetasa, porque es usada para sintetizar 1, 2 nuevas moléculas, o carboxilasa cuando son usadas pa ra añadir dióxido de carbono a una molécula.
Fórmula
Estructural
Desde el punto de vista quí mi mico, estas enzimas están formadas de carbono (C), Hidrógeno (H), oxigeno (O), Nitrógeno (Ni), y A zuf re re (S) combinados, pero siempre con peso molecular bastante elevado 2 y comunes propiedades catalíticas especificas. La a c c i ó n de es t a s en z i ma s se m a n if i es t a c o n la fo r m a c i ó n de en l a ce s entre átomos de carbono - oxigeno de diversas moléculas, o bi en entre carbono - a zuf re re, carbono - nitrógeno y carbono carbono. De acuerdo a su formula estructural y sus propiedades f ís micas, las ligasas son ísicas y quí mi clasificadas como EC6 en el esquema de clasificación de enzimas EC. A su vez las ligasas se dividen en seis 3 subclases: y
EC 6.1, incluye ligasas usadas para formar uniones oxí geno-carbono.
y
EC 6.2, ligasa usadas para formar uniones carbono-azuf re. re.
y
EC 6.3, incluye ligasas usadas para crear uniones carbono-nitrógeno.
y
EC 6.4, abarca ligasas que forman uniones carbono-carbono.
y
EC 6.5, incluye ligasa que forman ésteres fosfóricos.
y
EC 6.6, ligasa usadas como unión nitrógeno-metal.
Por lo que las enzimas que pertenecen a este grupo, varí an su formula estructural dependiendo de la formación de estos enlaces. 1
Características físico químicas La ligasas poseen las siguientes características f ísico quí micas: El análisis de las enzimas ligasas obtenidas en forma más pura, cristalizada, demuestra que son proteínas. Catalizan
la unión entre dos moléculas de gran tamaño, dando lugar a un nuevo enlace quí mico. Se consideran como catalizadores altamente especí ficos que: modifican la velocidad de los cambios promovidos por ellas, determinan que sustancias particulares, de pref erencia a otras distintas son las que van a suf rir los cambios e impulsan dentro de los distintos cambios posibles que pueda seguir una 3 sustancia, cuál de ellos en especial, será el utilizado. Este tipo de enzimas son las responsables de que las reacciones se lleven a cabo en condiciones favorables para el individuo, aunque libera energí a, no hay liberaciones bruscas a temperaturas fi jas en 4 un medio de pH, concentración salina, etc.; prácticamente constante.
Las ligasas son activadas en una zona muy restringida de pH, y presenta un punto óptimo de pH donde su actividad es mayor. Estas enzimas en su punto isoeléctrico, muestran propiedades parecidas 3, 4 desde el punto de vista de viscosidad, solubili dad, difusión, etc. Las ligasas son inactivadas a altas temperaturas y, en general, la cinética de la desnaturalización térmica de las estas da resultados muy parecidos a lo s de la desnaturalización térmica de las proteínas; por ejemplo la sintetasa de la mayorí a de las reacciones quí micas, a temperaturas elevadas, alrededor de 60 a 70 ° C , la actividad neta aumenta varios cientos, como sucede con la velocidad de la 5 desnaturalización térmica de las proteínas. Utilizan siempre, pa ra el p roceso de reacción, la energí a p roporcionada po r el ATP o compuestos homólogos que son degradados, Por consiguiente las enzimas de esta clase son los únicos que intervienen en reacción no espontánea desde un punto de vista termodinámico. Actúan sobre los 1, 3 sustratos más diversos y revisten particular importancia en el metabolismo de los ácidos nucleicos. Los problemas de solubilidad y de precipitación son comunes a estas enzimas; en general, son solubles en agua o soluciones salinas, insolubles en alcohol, precipitan con determinadas concentraciones de sales neutras, etc. Todos los agentes que desnaturalizan, destruyen o inactivan a estas enzimas, son el calor, los ácidos fuertes, o los metales pesados que pueden combinarse con ellas. A este grupo pertenecen enzimas de gran relevancia reciente, como las aminoácido ARTt ligasas conocidas habitualmente con el nombre de sintetasas de aminoácidos ARTt o enzimas activadoras de aminoácidos que representan el primer paso en el proceso biosintético de las proteínas, y que forman 3 uniones C-O; A-sintetasa, qu e fo r ma a ce t il c o en z im a . Por ejemplo, la ADN ligasa lleva a cabo la 6 ligación (o re asociación covalente) de las moléculas para obtener hebras continuas de ADN.
2
Ligasas que participan en procesos metabólicos importantes y
Sintetasa
Descripción:
Tipo de enzima que cataliza la unión de dos moléculas, acoplada a la hidrólisis de un enlace pirofosfato que pertenece a una molécula de ATP o a un compuesto parecido, formando en este proceso un enlace rico en energí a. Tabla 1: Reacciones en las que participa la Sintetasa Precursor/es
Enzima / Proceso
Producto/s
UMP
Sintetasa
CMP
Ciclo Ciclo
de las pentosas, nucleótidos y dinucleótidos
En esta reacción entra ATP y glutamina y aparece como producto glutámico.
Inositato (IMP)
Sintetasa Liasa
Ciclo
Adenilato (AMP)
de las pentosas, nucleótidos y dinucleótidos
En esta reacción entra aspartato y GTP y apa rece como producto fumarato.
Fosfatídico Inositol
y
Sintetasa
Fosfatidilinositol
Ciclo
ácido fosfatídico - glicerol - serina - etanolamina - colina
Arginino sintetasa (EC 6.3.4)
Ligasa que forma enlace
Carbono-Nitrógeno
Otros nombres: citrullinaaspartato ligasa; arginino succinato sintetasa; argininosuccinico sintetasa acido; arginosuccinato sintetasa. Nombre sistemático: L-citrulli na: L-aspartato ligasa (AMP-formación) Descripción:
Enzima que transforma el arginosuccinato en arginina con la liberación de succínico en 7 el ciclo de la urea. Reacción:
ATP + L-citrullina + L-aspartato = AMP + difosfato + 2-(N -L-arginino) succinato Tabla 2: Reacción en la que participa la Arginino sintetasa
Precursor/es
Enzima / Proceso
Arginosuccinato Arginino sintetasa
Producto/s
Arginina Succinato
3
Ciclo Ciclo
de la urea y semialdehído glutámico
(3)
Figura
y
1: Ciclo de la urea y semialdehído glutámico
Carbamoil fosfato sintetasa (EC 6.3.5)
Ligasa que forma enlace Carbono-Nitrógeno con Glutamina como donante Ami da-N
Otros nombres: carbamil fosfato sintetasa (glutamina); carbamoilfosfato sintetasa II; glutaminedependent carbamyl phosphate synthetase; CPS; carbono-dióxido-glutamina amida-ligasa (ADPformación, carbamato-fosforilación). Nombre sistemático: hidrogeno-carbonato: L-glutamina amida-ligasa Descripción:
Enzima de la que se conocen dos clases: (1) carbamoil fosfato sintetasa I, enzima dependiente de la glutamina y localizada en la matriz mitocondrial que cataliza el proceso de síntesis de la urea (ureogénesis). Y (2) carbamoil fosfato sintetasa II, enzima citoplasmática que cataliza la formación de carbamoilfosfato en la biosíntes is de las pirimidinas, y que utiliza glutamina como 8 donador de nitrógeno. Reacción: -
2 ATP + L-glutamina + HCO3 + H2O = 2 ADP + fosfato + L-glutamato + carbamoil fosfato Tabla 3: Reacción en la que participa la Carbamoil fosfato sintetasa Precursor/es
Enzima / Proceso
Producto/s
Ciclo Ciclo
Ornitina
Carbamoil
fosfato sintetasa
Citrulina
de la urea y semial dehído glutámico
En esta reacción entra CO2 y amoniaco y aparece como producto ATP.
4
(4)
y
Succinil sintetasa (EC 6.2.1.5)
Ligasa formada por un Acido-Tiol
Nombre Sistemático: succinatoCoA ligasa (ADP-formación) Otros nombres: succinil-CoA sintetasa; succinil tioquinasa; succinato tioquinasa; succinil coenzima A sintetasa (adenosina difosfato-formación). Enzima que actúa en el ciclo del ácido cítrico uniéndose al succinil-CoA por medio de la incorporación de un fosfato inorgánico. Se forma un producto intermedio, el succinil-fosfato y se 9 libera la coenzima A. Descripción:
Reacción:
ATP + succinato + CoA = ADP + fosfato + succinil-CoA
(5)
Tabla 4: Reacción en la que participa la Succinil Sintetasa Precursor/es
Enzima / Proceso
Producto/s
Succinil CoA
Succinil sintetasa
Succinato
Ciclo Ciclo
de Krebs
En esta reacción entran ADP+Pi y aparece como producto ATP y SHCoA.
y
M etilc ro tonoil-Co A
Carboxilasa (EC 6.4.1.4)
Ligasa que forma enlace Carbono-Carbono
Nombre Sistemático: 3-metilcrotonoil-CoA: carbono-dióxido ligasa (ADP-formación) Otros nombres: metilcrotonil coenzima A carboxilasa; -metillcrotonil coenzima A carboxilasa; metilcrotonil-CoA carboxilasa Descripción:
Enzima que participa en reacciones sintéticas en las que se unen dos moléculas a 10 expensas de un "enlace fosfato de alta energí a" del ATP. Reacción: -
ATP + 3-metill crotonoil-CoA + HCO3 = ADP + fosfato + 3-metillglutaconil-CoA Precursor/es
Enzima / Proceso
b - metilcrotonil CoA
C arboxilasa
Producto/s
(6)
Ciclo
b - metilglutacrotonil CoA Ciclo isovalerato - leucina - vali na
Tabla 5: Reacción en la que participa la Metilcrotonoil-CoA Carboxilasa (EC 6.4.1.4)
5
Figura
2: Ciclo de Krebs en la que participa la Succinil Sintetasa
6
Figura
3: Ciclo isovalerato - leucina - valina en la que participa la Metilcrotonoil-CoA Carboxilasa (EC 6.4.1.4)
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Artí culo científico relacionado con la enzima ligasa
Mecanismo genético de reparación del ADN, examinado a fondo11 Autores: Equipo de cientí ficos de la Universidad de Washington, el Instituto de Investigación Scripps, la Universidad de Maryland y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. T omado del portal de Solo Ciencia y T ecnología.
Publicado en Rev Esp Enf erm Metab Oseas. 2002; 11:122. - vol.11 núm. 03
Resumen
La enzima, ADN ligasa, repara lo s millones de discontinuidades de ADN generadas durante la vida normal de la célula, por ejemplo, acoplando los abundantes f ragmentos de ADN formados durante la copia del material genético en la división celular. El estudio realizado muestra que la ADN ligasa cambia de una forma abierta, extendida, a una forma cerrada, circular, a medida qu e va u niendo la s hebras del ADN. El ADN es reactivo ba jo el a taque continuo de toxinas ambientales y metabolitos celulares. La reparación del ADN dañado es vital para mantener la integridad del diseño genético. Cuando
estos procesos de reparación se desequilibran, la s células pueden funcionar mal, morir o volverse cancerosas, por lo que es muy importante saber cómo los "mecánicos del ADN" hacen su traba jo. Las ADN ligasas son blancos atractivos para la quimioterapia del cáncer y otras enf ermedades.
La enzima opera coordinadamente con otra proteína de forma anular, conocida como Sliding Clamp (abrazadera desli zante). Las proteínas de este grupo, como por ejemplo la PCNA humana, actúan como reguladores maestros de la reparación de ADN, guiando a las enzimas correctoras al sitio dañado. La ligasa actúa como el inspector de calidad que certifica que el ADN está listo para el paso final de unir los extremos.
Figura
4: En esta ilustración, la ADN ligasa, en color,
Rodea la doble hélice del ADN. (Foto: WUSTL)
8
Los investigadores usaron una combinación de cristalog raf í a de rayos X y dispersión de rayos X de pequeño ángulo (SAXS), valiéndose de un organismo modelo llamado Sulfolobus solfataricus que comparte muchas características bioquí micas de organismos multicelulares, incluyendo a los humanos. Los resultados de esta investigación muestran por primera vez cómo se ensamblan dinámicamente estas proteínas por acción de la ADN ligasa y cambian su forma para unir los extremos del ADN durante la copia y reparación.
ANEXOS M etabolismo de los
12
bisfosfonatos
Los bisfosfonatos son compuestos análogos del pirofosfato en los cuales el puente de oxí geno entre los dos fosfatos ha sido reemplazado por un grupo metileno. La substitución de uno o ambos átomos de hidrógeno de la molécula de metileno por distintos radicales genera una g ran variedad de bisfosfonatos. Aunque algunos de estos derivados son ampliamente utilizados en el tratamiento de la osteoporosis sus mecanismos de acción presentan todaví a muchas incógnitas. Para los bisfosfonatos se han descrito dos mecanismos distintos en función de la ausencia o presenc ia de nitrógeno en su molécula. En el primer caso los bisfosfonatos son metabolizados a análogos citotóxicos del ATP, mientras que los bisfosfonatos que contienen nitrógeno en su molécula son inhibidores de la farnesil pirofosfato sintetasa en la ví a del mevalonato. La capacidad de algunas aminoacil t-RNA sintetasas de catalizar la síntesis de derivados bisfosfonatos del ATP habí a sido descrita hace tiempo y por razones históricas se las ha considerado como las únicas enzimas capaces de sintetizar in vivo los ref eridos derivados del ATP según la siguiente reacción: E + Aa + ATP <---> EoAa-AMP + PPi2) E.Aa-AMP + pC(R1)(R2)p -> AppC(R1)(R2)p + Aa + E
(7)
Sin embargo, basándose en la experiencia en cuanto al mecanismo de acción de las ligasa, al grupo de investigación les pareció que las aminoacil t-RNA sintetasas debí an constituir tan solo un caso particular de una ligasa capaz de llevar a cabo esta síntes is. Esto les ha llevado a explorar la capacidad de otras ligasas (T4 RNA ligasa, T4 DNA ligase, ubiqui tin activating enzyme (E1), lucif erase, acetyl-CoA a nd acyl-CoA synthetases) de catalizar la síntes is de derivados bisfosfonatos del ATP y de los dinucleósido polifosfatos. Los resultados que actualmente disponen, permiten afirmar que el comportamiento de cada bisfosfonato es dif erente para cada ligasa ensayada. De ello se deduce, qu e al ser la estructura qu í mica de los bisfosfonatos tan diversa, cada uno de ellos podrá o no i nteraccionar (como substrato, inhibidor o ef ector) con un enzima en particular, por lo que cada bisfosfonato, tanto en investigación básica como clínica requiere un estudio individualizado para poder conocer su modo de acción.
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10
