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Complessi multienzimatici: struttura, ruolo metabolico ed esempi chiave

Dr. Nicola Tazzini

I complessi multienzimatici sono strutture discrete e stabili formate da enzimi associati in modo non covalente che catalizzano due o più reazioni consecutive di una via metabolica.[1]
Possono essere considerati come un passo in avanti nell’evoluzione dell’efficienza catalitica in quanto assicurano vantaggi che i singoli enzimi, anche quelli che hanno raggiunto la perfezione catalitica, da soli non avrebbero.[2]

Indice

Vantaggi dei complessi multienzimatici

Nel corso dell’evoluzione alcuni enzimi si sono evoluti sino al raggiungimento della perfezione catalitica. Si tratta di enzimi per i quali quasi ogni collisione con il proprio substrato ne determina la conversione in prodotto. Esempi sono:

La velocità con cui avviene una reazione enzimatica è dunque in parte è determinata dalla frequenza con cui i substrati e gli enzimi collidono. Ne deriva che un modo semplice per aumentare la velocità sia aumentare le concentrazioni di enzima e substrato. Tuttavia, visto l’enorme numero di reazioni che si verificano all’interno della cellula le loro concentrazioni non potranno essere elevate. Infatti, nella cellule la concentrazione della maggior parte dei metaboliti è dell’ordine delle micromoli (10-6 M), e per la maggior parte degli enzimi anche più bassa.[3]

Come la canalizzazione metabolica ottimizza le reazioni biochimiche

L’evoluzione ha imboccato strade differenti per aumentare la velocità di reazione. Una di queste è stata l’ottimizzazione dell’organizzazione spaziale degli enzimi, con la formazione dei complessi multienzimatici e degli enzimi multifunzionali. Sono strutture che permettono di minimizzare la distanza che il prodotto di una reazione percorre per passare al sito attivo che catalizza la reazione successiva, essendo i siti attivi vicini.[1]

Quello che si verifica è la canalizzazione o incanalamento dei substrati, in inglese substrate channeling, che può avvenire anche attraverso veri e propri canali intramolecolari.[4]

La canalizzazione dei substrati è in grado di aumentare la velocità di reazione, ma più in generale l’efficienza catalitica, in più modi, di seguito brevemente descritti.

Un altro vantaggio metabolico apportato dai complessi multienzimatici, analogamente a quanto accade con gli enzimi multifunzionali, è che consentono di controllare coordinato dell’attività catalitica degli enzimi che lo compongono. Se si aggiunge il fatto che spesso l’enzima che catalizza la prima reazione della sequenza è l’enzima regolatorio, è possibile evitare:

Esempi

Da quanto detto in precedenza non sorprende che, specialmente nelle cellule eucariote, i complessi multienzimatici, al pari degli enzimi multifunzionali, siamo comuni e coinvolti in differenti vie metaboliche, sia anaboliche che cataboliche, mentre sono pochi gli enzimi liberamente diffusibili. Due esempi di complessi enzimatici sono il complesso della triptofano sintasi (EC 4.2.1.20), il cui tunnel fu il primo a essere scoperto, e quello della carbamil fosfato sintetasi batterica (EC 6.3.4.16).[5][6][7]

α-Chetoacido deidrogenasi

Esempi di complessi multienzimatici sono gli appartenenti alla famiglia delle α-chetoacido deidrogenasi o 2-ossiacido deidrogenasi:

α-Chetoglutarato Deidrogenasi

I tre complessi sono correlati strutturalmente e funzionalmente. PDC è formato da copie multiple di tre enzimi:

PDC, sia nei procarioti che negli eucarioti presenta quindi una struttura di base E1–E2–E3, struttura che si ritrova anche negli altri due complessi. In aggiunta, all’interno di una data specie E3 è identica, mentre E1 ed E2 sono omologhe.[9]

Sebbene questi enzimi siamo specifici per i rispettivi substrati, utilizzano gli stessi cofattori, ossia coenzima A, NAD+, tiamina pirofosfato, FAD, e lipoamide.
Al fine di differenziarle vengono indicate, per PDC, OGDH e BCKDH come:

Nota: PDC degli eucarioti è il più grande complesso multienzimatico conosciuto, più grande di un ribosoma e visibile al microscopio elettronico.[10]

PDC è il ponte di collegamento tra glicolisi e ciclo dell’acido citrico, catalizzando la decarbossilazione ossidativa del piruvato in acetil-CoA, con rilascio di CO2 e trasferimento di elettroni al NAD+.
Analogamente, OGDH e BCKDH catalizzano la decarbossilazioni ossidative dell’α-chetoglutarato, derivante dal succinil-CoA, e degli α-chetoacidi a catena ramificata, derivanti da valina, leucina e isoleucina, determinando:

La notevole somiglianza esistente tra le strutture proteiche, i cofattori richiesti e i meccanismi di reazione riflettono senza dubbio una origine evolutiva comune.[10]

Triptofano sintasi

Il complesso della triptofano sintasi è uno degli esempi di canalizzazione dei substrati meglio studiati.[4] E’ presente nei batteri e nelle piante ma non negli animali.[11] Nei batteri è formato da due subunità α e due β assemblate in unità dimeriche αβ, che sembrano esser l’unità funzionale del complesso, a dare una struttura tetramerica αββα.[5][6]

Il complesso catalizza gli ultimi due passaggi della sintesi del triptofano. Nel primo passaggio dall’indolo-3-glicero fosfato, per azione di una liasi (EC 4.1.2.8) presente sulle subunità α, viene prodotta una molecola di gliceraldeide-3-fosfato e l’indolo. L’indolo diffonde quindi verso il sito attivo presente sulla subunità β sfruttando un tunnel idrofobico di circa 30 Å che, in ciascuna coppia αβ, connette i due siti attivi. Nel sito attivo della subunità β avviene, in presenza del piridossal-5-fosfato, il secondo passaggio, la condensazione tra l’indolo e una serina a dare il triptofano.[4][12]

Acetil-CoA carbossilasi

L’acetil-CoA carbossilasi (ACC; EC 6.4.1.2), membro della famiglia delle carbossilasi biotina-dipendenti, catalizza la prima tappa di comando della sintesi degli acidi grassi, ossia la carbossilazione dell’acetil-CoA a malonil-CoA. Il malonil-CoA a sua volta è utilizzato come donatore di unità bicarboniose dalla acido grasso sintasi (EC 2.3.1.85) durante il processo di allungamento che porterà alla sintesi dell’acido palmitico.[13]

Nei batteri ACC è un complesso multienzimatico composto da due enzimi, la biotina carbossilasi (EC 6.3.4.14) e una carbossitransferasi, cui si aggiunge una proteina trasportatrice della biotina (BCCP).[13]
Al contrario, nei mammiferi e negli uccelli è un enzima multifunzionale, in quanto le due attività enzimatiche sono presenti su una stessa catena polipeptidica, nella quale si ritrova anche BCCP.[8]
Nelle piante superiori sono presenti entrambe le forme.[14]

Carbamil fosfato sintetasi

Altro esempio ben caratterizzato di canalizzazione dei substrati è il complesso della carbamil fosfato sintetasi dei batteri, che catalizza la sintesi del carbamil fosfato, necessario sia per la sintesi delle pirimidine e dell’arginina. Il complesso presenta un tunnel lungo circa 100 Å all’interno del quale si muovono i prodotti delle sue tre attività enzimatiche.
La prima catalizza la cessione dell’azoto ammidico della glutammina in forma di ione ammonio, il quale entra nel tunnel dove nel secondo sito attivo si combina con il bicarbonato, a spese di una molecola di ATP, a dare carbamato, che infine nell’ultimo sito attivo viene fosforilato a carbamil fosfato.[7][15]

Bibliografia

  1. ^ a b c Michal G., Schomburg D. Biochemical pathways. An atlas of biochemistry and molecular biology. 2nd Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2012.
  2. ^ a b c d e Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011.
  3. ^ Alberts B., Johnson A., Lewis J., Morgan D., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular biology of the cell. 6th Edition. Garland Science, Taylor & Francis Group, 2015.
  4. ^ a b c d Moran L.A., Horton H.R., Scrimgeour K.G., Perry M.D. Principles of Biochemistry. 5th Edition. Pearson, 2012.
  5. ^ a b Hyde C.C., Ahmed S.A., Padlan E.A., Miles E.W., and Davies D.R. Three-dimensional structure of the tryptophan synthase multienzyme complex from Salmonella typhimurium. J Biol Chem 1988;263(33):17857-17871. doi:10.1016/S0021-9258(19)77913-7
  6. ^ a b Hyde C.C., Miles E.W. The tryptophan synthase multienzyme complex: exploring structure-function relationships with X-ray crystallography and mutagenesis. Nat Biotechnol 1990:8;27-32. doi:10.1038/nbt0190-27
  7. ^ a b Thoden J.B., Holden H.M., Wesenberg G., Raushel F.M., Rayment I. Structure of carbamoyl phosphate synthetase: a journey of 96 A from substrate to product. Biochemistry 1997;36(21):6305-16. doi:10.1021/bi970503q
  8. ^ a b Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010.
  9. ^ Zhou Z.H., McCarthy D.B., O’Connor C.M., Reed L.J., and J.K. Stoops. The remarkable structural and functional organization of the eukaryotic pyruvate dehydrogenase complexes. Proc Natl Acad Sci USA 2001;98(26):14802-14807. doi:10.1073/pnas.011597698
  10. ^ a b Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012.
  11. ^ Xie G., Forst C., Bonner C., Jensen R.A. Significance of two distinct types of tryptophan synthase beta chain in Bacteria, Archaea and higher plants. Genome Biol 2002;3(1):RESEARCH0004. doi:10.1186/gb-2001-3-1-research0004
  12. ^ Hilario E., Caulkins B.G., Huang Y-M. M., You W., Chang C-E.A., Mueller L.J., Dunn M.F., and Fan L. Visualizing the tunnel in tryptophan synthase with crystallography: insights into a selective filter for accommodating indole and rejecting water. Biochim Biophys Acta 2016;1864(3):268-279. doi:10.1016/j.bbapap.2015.12.006
  13. ^ a b Cronan J.E. Jr, Waldrop G.L. Multi-subunit acetyl-CoA carboxylases. Prog Lipid Res 2002;41(5):407-35. doi:10.1016/s0163-7827(02)00007-3
  14. ^ Sasaki Y., Nagano Y. Plant acetyl-CoA carboxylase: structure, biosynthesis, regulation, and gene manipulation for plant breeding. Biosci Biotechnol Biochem 2004;68(6):1175-84. doi:10.1271/bbb.68.1175
  15. ^ Holden H.M., Thoden J.B., Raushel F.M. Carbamoyl phosphate synthetase: an amazing biochemical odyssey from substrate to product. Cell Mol Life Sci 1999;56(5-6):507-22. doi:10.1007/s000180050448
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