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Glutamina sintetasa

La glutamina sintetasa(GS) (EC 6.3.1.2)[3]​ es una enzima que tiene un papel esencial en el metabolismo del nitrógeno, catalizando la condensación del glutamato y el amoníaco para formar glutamina:

Glutamato-amonio ligasa

Centro activo entre dos monómeros de glutamina sintetasa de la Salmonella typhimurium. Los sitios de unión de los cationes están en amarillo y naranja, el ADP está en rosa y la fosfinotricina está en azul.[1]​
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Número EC 6.3.1.2
Número CAS 9023-70-5
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Humano Ratón
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Glutamina sintetasa,
dominio beta-Grasp
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Símbolo Gln-synt_N
Pfam PF03951
InterPro IPR008147
PROSITE PDOC00162
SCOP 2gls
Estructuras PDB disponibles:
1f1h , 1f52 , 1fpy , 1hto , 1lgr , 2bvc , 2gls , 2qc8 , 2ojw
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Glutamina sintetasa,
dominio catabólico

12 subunidades enzimáticas de la glutamina sintetasa de la Salmonella typhimurium.[2]​
Identificadores
Símbolo Gln-synt_C
Pfam PF00120
InterPro IPR008146
PROSITE PDOC00162
SCOP 2gls
Estructuras PDB disponibles:
1f1h , 1f52 , 1fpy , 1hto , 1lgr , 2bvc , 2gls , 2qc8 , 2ojw
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Glutamato-amonio ligasa (Glutamina sintetasa)
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2qc8
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Número EC 6.3.1.2
Locus Cr. 1 q31
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Humano Ratón
Entrez
2752
UniProt
P15104 n/a
RefSeq
(ARNm)
NM_002065 n/a
PubMed (Búsqueda)
[3]


PMC (Búsqueda)
[4]
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Glutamato ATP NH3 → Glutamina ADP fosfato

Reacción de catalización de la glutamina sintetasa

La glutamina sintetasa utiliza amoníaco producido por la reducción del nitrato, la degradación de aminoácidos y la fosforilación.[4]​ El grupo amino del glutamato es una fuente de nitrógeno para la síntesis de metabolitos provisionales de glutamina.[5]​


También puede haber otro tipo de reacciones vía GS. La formación e hidrólisis del glutamato se ven influidas por la competición entre los iones de amonio y el agua, su afinidad y la concentración de iones de amonio. Se forma la glutamina si un ion de amonio ataca un intermediario de acetil-fosfato, mientras que el glutamato se rehace si el agua ataca el intermediario.[6]​[7]​ Los iones de amonio crean uniones más fuertes con la GS que el agua por las cargas electroestáticas entre un catión y un bolsillo cargado negativamente.[4]​ Otra posible reacción es que el NH2OH se una a la GS en lugar del NH4 y ceda γ-glutamilhidroxamato.[6]​[7]​

Estructura

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Glutamine Synthetase – 12 subunits.[1]​

La glutamina sintetasa puede estar compuesta por 8, 10 o 12 subunidades idénticas, separadas en dos anillos encarados.[6]​[8]​[9]​[10]​ Las GS bacterianas son dodecaedros con 12 centros activos entre cada monómero.[6]​ Cada sitio de unión crea un ‘bifunnel’, que incluye tres lugares de unión a tres sustratos distintos: nucleótidos, iones amonio y aminoácidos.[4]​[6]​[10]​[11]​ En la parte superior del bifunnel se une el ATP, el cual se abre hacia la cara externa de la GS.[4]​ El glutamato se une a la parte superior del centro activo.[7]​ El centro del bifunnel contiene dos partes a las cuales se pegan dos cationes divalentes (Mn2 o Mg2 ). Uno de los sitios de unión a cationes está implicado en la transferencia de un grupo fosfato del ATP al glutamato, mientras que el otro estabiliza GSs activas y ayuda en la unión del glutamato.[6]​

Los puentes de hidrógeno y las interacciones hidrofílicas mantienen a los dos anillos de la GS unidos. Cada subunidad posee en su secuencia un extremo N- y otro C-terminales. El C-terminal (una cadena helicoidal) estabiliza la estructura de la GS insertándose en la región hidrófoba de la otra subunidad, metiéndose dentro de su anillo. A diferencia, el N-terminal se encuentra expuesto al solvente. Además, el canal central está formado por seis hojas β interconectadas por lazos antiparalelos de las doce subunidades.[6]​


Mecanismo

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La GS cataliza la condensación dependiente de ATP del glutamato que carga un amonio con una glutamina.[4]​ La hidrólisis del ATP direcciona[8]​ el primer paso de un mecanismo[4]​[6]​ consistente en dos etapas. El ATP fosforila el glutamato para formar ADP y el intermediario acetil fosfato para dar un γ glutamil fosfato que reaccionará con el ion amonio, formando glutamina y un fosfato inorgánico. El ADP y el Pi no se disocian hasta que el amonio se ha unido y la glutamina es liberada.[6]​


El ATP primero se une en lo alto del centro activo cerca del punto de ensambladura de un catión, mientras que el glutamato se adhiere donde se liga el segundo de los cationes, a la base del centro activo.[5]​[7]​ La presencia de ADP provoca un cambio conformacional de la GS que estabiliza el γ-glutamil fosfato. El amonio se unirá fuertemente a la GS a menos que esté presente el intermediario acil-fosfato. El amonio, en todo caso mejor que el amoníaco, se une a la GS porque su sitio de unión es polar y se encuentra expuesto al solvente.[7]​ En el siguiente paso, la desprotonización del amonio le permite al amoníaco atacar el intermediario desde el lado más cercano a la glutamina.[12]​ El fosfato se desliga por la parte alta del centro activo, mientras que la glutamina se suelta por la parte inferior (pasa por en medio de los dos anillos). Goodsell, DS (junio del 2002). "Glutamine Synthetase" Archivado el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine.. RCSB Protein Data Bank. Retrieved 8 May 2010.[7]​

Función biológica

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La GS predomina en el cerebro, los riñones y el hígado.[4]​[10]​ En el cerebro, la GS participa en la regulación metabólica del glutamato, en la detoxificación y la asimilación de amoníaco y en el reciclaje de neurotransmisores y la terminación de sus señales.[4]​[13]​ La GS, en el cerebro, ante todo se encuentra en los astrocitos. Los astrocitos protegen las neuronas de la excitotoxicidad eliminando el exceso de amoníaco y glutamato.[13]​ Aun así, en ambientes hiperamonémicos (con altos niveles de amoníaco), se da una inflamación astroglial.[13]​[14]​[15]​ Se ha abordado este problema con diferentes explicaciones. Un estudio avala que cambios morfológicos pueden alterar la expresión de la GS en áreas glutamatérgicas o bien que si se dieran determinadas adaptaciones podrían moderarse los altos niveles de glutamato y amoníaco.[13]​ Otra posibilidad es que la inflamación de los astrocitos se deba a una acumulación de glutamina. Para prevenir que se lleguen a alcanzar niveles prominentes de glutamato cortical y de contenido de agua cortical, se ha llevado a cabo un estudio para impedir la actividad de la GS en ratas mediante el uso de MSO.[14]​

Clases

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Parece que hay tres tipos distintos de GS:[16]​[17]​[18]​

  • Los enzimas de clase I (GSI) son específicos de los procariotas, y son oligómeros de 12 subunidades idénticas.[19]​

La actividad del enzima GS de tipo I está controlada por la adenililación de un residuo de tirosina. El enzima que carga con un grupo adenililo es inactivo.[20]​

  • Los enzimas de clase II (GSII) se encuentran en eucariotas y en bacterias que pertenecen a las familias de los Rhizobiaceae, Frankiaceae y Streptomycetaceae (estas bacterias también reúnen una GS de tipo I). Las GSII son decámeros de subunidades iguales.[10]​ Las plantas tienen dos o más izoenzimas de GSII, uno de los cuales es translocado dentro del cloroplasto.
  • Los enzimas de clase III (GSIII), por el momento, sólo se han encontrado en Bacteroides fragilis y en Butyrivibrio fibrisolvens. Son un dodecámero de dobre anillo con cadenas análogas.[21]​ Es más larga (unas 700 unidades de aminoácidos) que la GSI (tiene de promedio entre 450 y 470 aminoácidos) y la GSII (de 350 a 420 aminoácidos). Mientras que las tres clases de GS están claramente relacionadas en cuanto a su estructura, el parecido de sus secuencias no es tanto.


Regulación e inhibición

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Modificación covalente reversible. Un residuo de tirosina de cada subunidad de la GS puede ser modificado por adenililación.[8]​ La adenilil transferasa cataliza reacciones de adenililación y fosforilación.[8]​ La actividad de la adenilil transferasa está influenciada por dos proteínas reguladoras: PA y PD. La PA reduce la actividad de la GS al unir una unidad de AMP a la GS; la PD la elimina. Se cree que la PA y la PD pueden estar interconvertidas vía uridilil transferasa.[8]​ La GS adenililada es menos activa que la que no lo está.[8]​[11]​ En la mayoría de las bacterias gram-negativo, la GS puede ser modificada por adenililación (algunas cianobacterias y algas verdes o excepciones).[22]​


 
Actividad de la glutamina sintetasa influida por proteínas reguladoras.

La inhibición de la GS se ha centrado en gran parte en los sitios de unión a ligandos.[6]​ Otros inhibidores son el resultado del metabolismo de la glutamina: triptófano, histidina, carbamoil fosfato, glucosamina-6-fosfato, citidina trifosfato (CTP) y adenosina monofosfato (AMP).[5]​[8]​[23]​ Otros inhibidores/reguladores son la glicina y la alanina. La alanina, la glicina y la serina enlazan con el centro de unión al sustrato glutamato. El GDP, el AMP y el ADP se unen al ATP.[6]​ La L-serina, la L-alanina y la glicina se juntan al lugar de unión del L-glutamato en la GS que no está adenililada. Los cuatro aminoácidos se ensamblan al centro a través de los átomos que cualquier aminoácido comparte, es decir, el grupo carboxilo, el grupo amino y el hidrógeno, los tres unidos a un átomo de carbono alfa central.[5]​ El glutamato es otro producto del metabolismo de la glutamina; no obstante, el glutamato es un sustrato de la GS que la inhibe impidiéndole que actúe como regulador de la GSII. Cada inhibidor puede reducir la actividad de la enzima; una vez todos los metabolitos finales de la flutamina están ligados a la GS, su actividad está casi completamente inhibida.[8]​ Muchos señales de entrada inhibidores modulan la acción de la GS viéndose el ajuste a nivel de la concentración de nitrógeno en el organismo.


La respuesta a esta regulación discrimina dos clases de GS eucariota, según el lugar dónde estén situados, en tejidos cerebrales o no cerebrales. La GS que no está en cerebro responde a los productos finales de una ruta de inhibición, mientras que la GS que se encuentra en el cerebro, a diferencia, no.[6]​ Altas concentraciones de metabolitos dependientes de glutamina podrían inhibir la actividad de la GS, así mismo unos niveles bajos podrían activar su actividad.[6]​

 
La sulfoximin metionina actuando como un inhibidor del centro reactivo del glutamato.

Inhibidores:

  • Sulfoximin metionina (MSO): la MSO es un inhibidor que se une al centro reactivo que debería permanecer libre hasta que se le una el glutamato. Ya junto a la GS, la MSO es fosforilada por el ATP con lo cual la GS se inhibe de forma irreversible. La entrada de glutamato en el centro activo está bloqueada cuando se da una estabilización del bucle flexible del mismo centro.[7]​
  • Fosfinotricina[1]​ (PPT, Glufosinato de amonio): la fosfinotricina es un inhibidor que de modo similar también se une al centro activo que debe quedar libre a disposición del glutamato. El glufosinato es usado a modo de herbicida. Las plantas tratadas con glufosinato mueren debido a una acumulación de amoníaco y al decaimiento de la fotosíntesis.[10]​
  • Muchos inhibidores sintéticos pueden hallarse sin dificultad alguna hoy en día.[6]​

Referencias

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  1. ↑ a b c PDB 1FPY
    Gill HS, Eisenberg D (febrero de 2001). «The crystal structure of phosphinothricin in the active site of glutamine synthetase illuminates the mechanism of enzymatic inhibition». Biochemistry 40 (7): 1903-12. PMID 11329256. doi:10.1021/bi002438h. 
  2. ↑ PDB 2GLS
    Yamashita MM, Almassy RJ, Janson CA, Cascio D, Eisenberg D (octubre de 1989). «Refined atomic model of glutamine synthetase at 3.5 A resolution». J. Biol. Chem. 264 (30): 17681-90. PMID 2572586. 
  3. ↑ "Eisenberg D, Almassy RJ, Janson CA, Chapman MS, Suh SW, Cascio D, Smith WW (1987). "Some evolutionary relationships of the primary biological catalysts glutamine synthetase and RuBisCO".Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 52: 483–90. PMID2950091
  4. ↑ a b c d e f g h "Liaw SH, Kuo I, Eisenberg D (Nov 1995)." "Discovery of the ammonium substrate site on glutamine synthetase, a third cation binding site". Protein Sci. 4 (11): 2358–65 doi:10.1002/pro.5560041114. PMC 2143006. PMID 8563633.
  5. ↑ a b c d "Liaw SH, Pan C, Eisenberg D (Jun 1993)". "Feedback inhibition of fully unadenylylated glutamine synthetase from Salmonella typhimurium by glycine, alanine, and serine". Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90 (11):4996–5000. doi:10.1073/pnas.90.11.4996. PMC 46640. PMID 8099447.
  6. ↑ a b c d e f g h i j k l m n "Eisenberg D, Gill HS, Pfluegl GM, Rotstein SH (Mar 2000). "Structure-function relationships of glutamine synthetases". Biochim Biophys Acta. 1477(1-2):122–45. doi:10.1016/S0167-4838(99)00270-8. PMID10708854.
  7. ↑ a b c d e f g Liaw SH, Eisenberg D (Jan 1994). "Structural model for the reaction mechanism of glutamine synthetase, based on five crystal structures of enzyme-substrate complexes". Biochemistry 33 (3):675–81. doi:10.1021/bi00169a007.. PMID 7904828.
  8. ↑ a b c d e f g h Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2007). Biochemistry (6th ed.). San Francisco: W.H. Freeman. pp. 679–706. ISBN 0-7167-8724-5..
  9. ↑ Goodsell DS (2002-06). "Glutamine Synthetase" Archivado el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine.. Molecule of the month.RCSB Protein Data Bank. Retrieved 2010-05-08.
  10. ↑ a b c d e Krajewski WW, Collins R, Holmberg-Schiavone L, Jones TA, Karlberg T, Mowbray SL (Jan 2008). "Crystal structures of mammalian glutamine synthetases illustrate substrate-induced conformational changes and provide opportunities for drug and herbicide design". J Mol Biol. 375 (1):317–28. doi:10.1016/j.jmb.2007.10.029. PMID 18005987.
  11. ↑ a b Ginsburg A, Yeh J, Hennig SB, Denton MD (Feb 1970). "Some effects of adenylylation on the biosynthetic properties of the glutamine synthetase from Escherichia coli". Biochemistry 9 (3):633–49. doi:10.1021/bi00805a025. PMID 4906326.
  12. ↑ Hunt JB, Smyrniotis PZ, Ginsburg A, Stadtman ER (Jan 1975). "Metal ion requirement by glutamine synthetase of Escherichia coli in catalysis of gamma-glutamyl transfer". Arch Biochem Biophys. 166 (1):102–24. doi:10.1016/0003-9861(75)90370-7. PMID 235885
  13. ↑ a b c d Suarez I, Bodega G, Fernandez B (Aug-Sep 2002). "Glutamine synthetase in brain: effect of ammonia". Neurochem Int. 41 (2-3):123–42. doi:10.1016/S0197-0186(02)00033-5. PMID 12020613.
  14. ↑ a b Willard-Mack CL, Koehler RC, Hirata T, et al. (March 1996). "Inhibition of glutamine synthetase reduces ammonia-induced astrocyte swelling in rat". Neuroscience 71(2):589–99. doi:10.1016/0306-4522(95)00462-9. PMID 9053810.
  15. ↑ Tanigami H, Rebel A, Martin LJ, Chen TY, Brusilow SW, Traystman RJ, Koehler RC (2005)"Effect of glutamine synthetase inhibition on astrocyte swelling and altered astroglial protein expression during hyperammonemia in rats"Neuroscience 131 (2):437–49. doi:10.1016/j.neuroscience.2004.10.045. PMC 1819407 . PMID15708485.
  16. ↑ Kumada Y, Benson DR, Hillemann D, Hosted TJ, Rochefort DA, Thompson CJ, Wohlleben W, Tateno Y (April 1993) "Evolution of the glutamine synthetase gene, one of the oldest existing and functioning genes". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90 (7): 3009–13 doi:10.1073/pnas.90.7.3009.. PMC 46226. PMID 8096645.
  17. ↑ Shatters RG, Kahn ML (November 1989). "Glutamine synthetase II in Rhizobium: reexamination of the proposed horizontal transfer of DNA from eukaryotes to prokaryotes". J. Mol. Evol. 29(5):422–8 doi:10.1007/BF02602912. PMID 2575672.
  18. ↑ Brown JR, Masuchi Y, Robb FT, Doolittle WF (June 1994). "Evolutionary relationships of bacterial and archaeal glutamine synthetase genes". J. Mol. Evol. 38 (6):566–76. PMID 7916055.
  19. ↑ "GSI structure". Retrieved 2009-03-31.
  20. ↑ InterPro:IPR001637 Glutamine synthetase class-I, adenylation site
  21. ↑ van Rooyen JM, Abratt VR, Sewell BT (August 2006). "Three-dimensional structure of a type III glutamine synthetase by single-particle reconstruction". J. Mol. Biol. 361(4):796–810. doi:10.1016/j.jmb.2006.06.026.. PMID 16879836.
  22. ↑ Ivanovsky RN, Khatipov EA (1994). "Evidence of covalent modification of glutamine synthetase in the purple sulfur bacterium". FEMS Microbiology Letters 122 (1–2):115–119. doi:10.1111/j.1574-6968.1994.tb07153.x.
  23. ↑ Krishnan IS, Singhal RK, Dua RD (Apr 1986). "Purification and characterization of glutamine synthetase from Clostridium pasteurianum". Biochemistry 35 (7):1589–99. doi:10.1021/bi00355a021. PMID 2871863.
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