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Aconitasa

La aconitasa (ACO) o aconitato hidratasa (EC 4.2.1.3) es una enzima que cataliza la isomerización estereoespecífica de citrato a isocitrato a través de cis-aconitato en el ciclo de Krebs.[1]​ En los humanos, encontramos la aconitasa citosólica (ACO1) y la aconitasa mitocondrial (ACO2); estas dos proteínas son isoenzimas.[2]​ Ambas variantes son proteínas multifunción (en inglés, "moonlightning proteins"), es decir, proteínas formadas por una única cadena polipeptídica que tienen más de una función.[3]

Aconitasa 1, soluble
Estructuras disponibles
PDB

Buscar ortólogos: PDBe, RCSB

Identificadores
Nomenclatura
Símbolos ACO1 (HGNC: 117) IREB1, cAcn, cAc
Identificadores
externos
Número EC 4.2.1.3
Locus Cr. 9 p21.1
Estructura/Función proteica
Tamaño 889 (aminoácidos)
Peso molecular 98.399 (Da)
Ortólogos
Especies
Entrez
48
UniProt
P21399 n/a
RefSeq
(ARNm)
NM_002197 n/a
PubMed (Búsqueda)
PMC (Búsqueda)
Aconitasa 2, mitocondrial
Estructuras disponibles
PDB

Buscar ortólogos: PDBe, RCSB

Identificadores
Nomenclatura
Símbolos ACO2 (HGNC: 118) mAcn, mAc
Identificadores
externos
Número EC 4.2.1.3
Locus Cr. 22 q13.2
Estructura/Función proteica
Tamaño 780 (aminoácidos)
Peso molecular 85.425 (Da)
Ortólogos
Especies
Entrez
50
UniProt
Q99798 n/a
RefSeq
(ARNm)
NM_001098 n/a
PubMed (Búsqueda)
PMC (Búsqueda)

Biosíntesis

El gen humano de la Aconitasa 1 se encuentra en el cromosoma 9, tiene una longitud de entre 66.217 y 70.150 pares de bases y la región codificante es de 44.605 pares de bases, un total de 20 exones.[4][5][6][7]​ El mRna correspondiente tiene una longitud cercana a las 3.500 bases y mediante el proceso de traducción y las modificaciones postraduccionales se obtiene una proteína de 889 aminoácidos.[8][9]

En el caso de la Aconitasa 2 humana, el gen correspondiente se encuentra en el cromosoma 22 y se extiende aproximadamente sobre 59.860 pares de bases y 18 exones y la región codificante es de 59.467 pares de bases, un total de 18 exones.[10][11][12]​ La proteína resultante está formada por 753 aminoácidos.[13]

Estructura

La aconitasa es una enzima que pertenece a las proteínas ferrosulfuradas. La estructura secundaria está constituida por hélices alfa alternadas con láminas beta y, por lo que a la estructura terciaria refiere, la aconitasa es una proteína globular.[14]​ No dispone de estructura cuaternaria ya que solo tiene una subunidad.

Su estructura está dividida en 4 dominios globulares presentados con el siguiente orden: 4, 1, 2 y 3. Entre los dominios 3 y 4 hay un linker joining (estructura proteica) que varía dependiendo de la conformación funcional. En la aconitasa citosólica es más largo y estructurado (593 a 654) que en la mitocondrial (513 a 536). El sitio activo está formado por 21 aminoácidos de los cuatro dominios.[14][15]​ Las cadenas laterales son polares y forman enlaces de hidrógeno con el sustrato, lo que contribuye al gran tamaño de la proteína. Los dominios del 1 al 3 están muy compactados, a diferencia del cuarto que es mucho más flexible. Existe un plegamiento que difiere en ambos tipos en el dominio 1 para la región N-terminal, residuos del 1 al 33. Las inserciones en diferentes dominios provoca que las estructuras tridimensionales de las dos isoenzimas (citosólica y metabólica) sean distintas.

Cuando la proteína cataliza la isomerización del citrato a D-isocitrato, si está inactiva, contiene un grupo [3Fe-4S] en el sitio activo, mientras que, para que la aconitasa esté activa y realice esta función, se debe ligar un átomo más de hierro, creando un grupo [4Fe-4S]2+.[16]​ En cambio, cuando la proteína desempeña funciones relacionadas con el ARN mensajero, no presenta ninguno de los dos grupos mencionados. La pérdida del grupo formado por átomos de hierro y azufre provoca un cambio en la conformación, resultando en un sitio activo con una mayor abertura, permitiéndole así tener un sustrato diferente.[2][15][17]

Clasificación

Aconitasa citosólica

La cAcn interconvierte el citrato e 2 en el citoplasma, lo cual permite equilibrar la cantidad de NADPH obtenido por la deshidratación de isocitrato y la cantidad de acetil-coA generado a partir de citrato. Estos dos productos son necesarios para la síntesis de ácidos grasos y numerosos procesos metabólicos, como la glucólisis o la gluconeogénesis.

A su vez, la actividad enzimática del cAcn parece contribuir en la defensa celular contra el estrés oxidativo al proporcionar una fuente de isocitrato para la producción de NADPH. Glutatión reductasa utiliza el NADPH para regenerar glutatión tras ser oxidada por glutatión peroxidasa, lo cual permite retirar el peróxido creado por el estrés oxidativo.[15]

Contiene un clúster de hierro-azufre [4Fe-4S] con el que la aconitasa adopta una conformación cerrada alrededor del centro activo que le permite enlazarse con el citrato y catalizar la conversión a isocitrato. Sin embargo, la aconitasa solo tiene actividad catalítica cuando las concentraciones de hierro son altas (en niveles normales). Si las concentraciones de hierro bajan demasiado, entonces la cAcn pierde el [4Fe-4S] -clúster y su actividad enzimática, y asume un nuevo papel en la regulación de los niveles de hierro dentro de la célula.[15]​ De este modo, se obtiene la proteína IRP-1, con la capacidad de unirse a secuencias específicas no codificantes del mRNA, relacionada con la captación, el almacenamiento y la utilización de hierro, y conocidas como elementos de respuesta de hierro (Iron-responsive element (IRE)). Una vez vinculado a estas secuencias, el IRP-1 ejerce una regulación postranscripcional, ya sea promoviendo o impidiendo su traducción. Estos sitios de unión generalmente coinciden con los sitios de unión al clúster de hierro y azufre.La fuerte interacción asegura la homeostasis de hierro en células mamíferas ante una escasez de hierro.

La cAc en mamíferos ha desarrollado una función secundaria como inhibidor de esos mRNA que transportan elementos de respuesta o reguladores de hierro (IRE).

Otra proteína reguladora del hierro, el IRP2, carece de actividad enzimática como aconitasa, pero es el principal regulador metabólico del hierro, uniéndose a los mismos ARNm que el IRP-1. Por el contrario, el IRP1 actúa predominantemente como aconitasa, cambiando a IRP1 en niveles altos de oxígeno, posiblemente en condiciones de infección o inflamación, donde la producción de especies reactivas de oxígeno y óxido nítrico podría desestabilizar el cúmulo del clúster hierro-azufre.

Aconitasa mitocondrial

 
Ilustración de aconitasa mitocondrial ACO2 (cerdo) con isocitrato como complejo y FeS4 como grupo, ambos ilustrado en esferas. Estructura secundaria coloreada por dominio.

La mAcn juega un papel fundamental en el metabolismo de los carbohidratos, pues cataliza el segundo paso del ciclo de Krebs para producir isocitrato a partir de citrato. También cumple una función estructural y reguladora en el mantenimiento del ADN mitocondrial (mtDNA):[18]​ actúa en la estabilización del mtDNA, formando parte de los complejos proteicos de este, conocidos como nucloides. El mtDNA modela los nucloides para influir directamente en la expresión genética mitocondrial ante cambios en el entorno celular.

Estas dos funciones están vinculadas. La función en el ciclo de Krebs es proporcionar electrones de alta energía en forma de NADH y FADH2 a la vía de fosforilación oxidativa mitocondrial, mientras que el mtDNA codifica componentes de la vía de fosforilación oxidativa. Como tal, mAcn podría actuar como un regulador metabólico para acoplar el metabolismo energético con la expresión del gen mitocondrial.

Es una proteína muy conservada y presenta una gran homología entre mamíferos. Además es susceptible a la acetilación no enzimática por metabolitos como el acetil-CoA, por lo que funcionaría como sensor de la disponibilidad de nutrientes.

A pesar de presentar numerosas similitudes estructurales con la aconitasa citosólica, los dominios poseen una configuración diferente. En el dominio 1, se observa un plegamiento diferente para la región N-terminal (residuos del 1 al 33) al comparar las dos proteínas y, a su vez,el linker joining en la aconitasa citosólica (593 a 654) es más largo que en la mitocondrial (513 a 536), y además se encuentra más estructurado. Además, cuando se compara con la aconitasa mitocondrial, en la aconitasa citosólica aparecen inserciones en diferentes dominios: tres en el dominio 1, dos en el dominio 3 y una en el dominio 4 otra más es. Por lo tanto, las estructuras tridimensionales de estas dos isoenzimas son significativamente distintas.[19]

Aconitasa bacteriana

Al igual que la mAcn, la aconitasa bacteria (AcnB) es una enzima principal en el ciclo de Krebs que posee una función secundaria. En la bacteria Escherichia coli, se demostró que la AcnB es un regulador de la expresión genética. En Salmonella enterica, la AcnB inicia un proceso regulador para controlar la biosíntesis de flagelos mediante una interacción del ftsH transcript, un factor sigma alternativo de la RNA polimerasa.

Esta unión disminuye la concentración intracelular de ftsH proteasa y, consecuentemente, aumenta la cantidad del factor sigma 32 de la RNA polimerasa, el cual en la mayoría de los casos es degradado por la ftsH proteasa. Dicho factor aumenta la síntesis del chaperón Dnak, lo cual fomenta la síntesis de la proteína flagelar FliC.

Asimismo regula la síntesis de otras proteínas , como el superóxido dismutasa (SodA) y otras enzimas involucradas en el estrés oxidativo. Tiene una estrutura de dominio diferente a la de cAcn o mAcn, y difiere de otras aconitasas al contener un dominio similar a HEAT. Se cree que los dominios de tipo HEAT están involucrados en las interacciones proteína-proteína. La región N-terminal, que contiene tanto el dominio tipo HEAT como el dominio "giratorio", son responsables de la dimerización y la unión de AcnB al ARNm.

Un mecanismo de dimerización mediado por hierro puede ser responsable de cambiar AcnB entre sus funciones catalíticas y reguladoras, ya que la dimerización requiere hierro, mientras que la unión del ARNm es inhibida por el hierro.

Escherichia coli también posee aconitasa A (AcnA), que es una enzima inducida por el estrés sintetizada durante la fase estacionaria de crecimiento. La AcnA es similar en la conformación de dominios a la mAcn eucariota.

Función

Centro activo de la enzima

 
Ilustración del centro activo de aconitasa (PDB 7ACN) con isocitrato como ligando (las interacciones con los puentes de hidrógeno se marcan en línea de puntos).

Al contrario que la mayoría de las proteínas hierro-azufre, que funcionan como transportadores de electrones, el centro hierro-azufre de la aconitasa reacciona directamente con el sustrato de una enzima. La aconitasa tiene un centro activo [Fe4S4]2+, que puede convertirse a una forma inactiva [Fe3S4]+. Estabiliza el sustrato por medio de interacciones electroestáticas, colocándolo en la posición correcta para interactuar con los residuos catalíticos, y se garantiza el anclaje del sustrato a la enzima por la presencia de aminoácidos como la serina (Ser), arginina (Arg), histidina (His) o ácido aspártico (Asp). Se ha demostrado que tres residuos de cisteína (Cys) son ligandos del centro [Fe4S4]: Cys437, Cys503 y Cys506. Por tanto, en el centro activo del enzima existen aminoácidos responsables de la unión y el anclaje del sustrato al enzima, a lo que también contribuye el centro ferro-sulfurado, y, por otro lado, tenemos aminoácidos encargados de llevar a cabo la catálisis propiamente dicha. La conformación cerrada que adopta la aconitasa con el clúster de [Fe4S4] lo que ocasiona es una restricción de accesibilidad a este clúster. Se cree que el acceso a este centro activo es a través de un movimiento del dominio 4 de la proteína con respecto al resto de dominios (tal y como ocurre en la aconitasa mitocondrial).

Los residuos que forman el centro activo son conservados entre especies de animales, plantas, bacterias y levaduras. En las bacterias, la aconitasa se une al ARN viral, estabilizándolo y promoviendo la traducción de proteínas virales, mientras que en las levaduras es importante para el mantenimiento y asociación del ADN mitocondrial mediante la formación de nucleoides.

La Ser642 es capaz de aceptar el protón que cede el sustrato actuando como base, gracias al entorno químico en que se encuentra. Por otro lado, la His101actúa como un ácido, donando su protón para la reacción. En estado activo, los lábiles iones de hierro del centro [Fe4S4] no están coordinados por Cys, sino por moléculas de agua.

Son homólogos de la aconitasa la proteína que une el elemento regulador de hierro (IRE-BP) y la 3-isopropilmalato deshidratasa (α-isopropilmalato isomerasa, una enzima que cataliza el segundo paso de la biosíntesis de leucina). Los elementos de respuesta o reguladores de hierro (IRES) constituyen una familia de secuencias de 28 nucleótidos, no codificantes, que forman estructuras de tallo y bucle que regulan el almacenamiento de hierro, la síntesis de hemo y la absorción de hierro.

La aconitasa es inhibida competitivamente por fluoracetato, razón por la que este es venenoso. Así pues, el fluoracetato en forma de fluoracetil-CoA reacciona con el oxalacetato, por un proceso de condensación, y produce fluorcitrato, el cual la aconitasa no lo reconoce y se paraliza el ciclo. Este proceso inhibe la fosforilación oxidativa, porque no se forman equivalentes reducidos y, como consecuencia, la ATP-sintasa se inactiva, por lo que no se producirá ATP. El tiempo de latencia entre la acción tóxica y las manifestaciones clínicas es de entre media hora a dos horas. Posteriormente, se acumula el citrato al no poder ser utilizado como sustrato y produce una disminución del calcio. El centro hierro-azufre es muy sensible a la oxidación por superóxido. También es inhibida por el trans-Aconitato y es sensible al peroxinitrio y al radical carbonato. [20][21][22]

Mecanismo de reacción en el Ciclo de Krebs

 
Esquema del Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico), en el que se puede apreciar la función de la aconitasa mitocondrial (ACO2), que consiste en catalizar la isomerización de citrato a isocitrato a través de cis-aconitato.

La enzima hidratasa del ácido aconítico (aconitasa) tiene la función de catalizar la reacción de isomerización de citrato en su isómero constitucional (isocitrato) durante el Ciclo de Krebs. Esta reacción es unidireccional a causa de la ley de acción de masa, ya que las concentraciones son 91% de citrato, 3% de cis-aconitato y 6% de isocitrato, en condiciones estándar (pH=7,4 y 25º C). La reacción tiene una energía libre de Gibbs estándar positiva (6,3kJ/mol), aunque el consumo acelerado de isocitrato, mantiene la energía libre casi en cero en condiciones intracelulares. La aconitasa produce una forma isomérica de las cuatro disponibles del citrato, el 2R,3S-isocitrato. El citrato tiene un grupo hidróxido que no es fácilmente oxidable, en cambio el isocitrato tiene un grupo hidróxido secundario que sí es fácilmente oxidable. El mecanismo de reacción se puede dividir en tres fases: una de deshidratación, una de rotación y otra de rehidratación.

 
Catalización de la isomerización de la aconitasa del citrato a isocitrato con su producto intermedio (cis-aconitato).

En la deshidratación (eliminación), el grupo OH unido al centro Fe-S es protonado y removido formando el cis-aconitato como producto intermedio. Estrictamente, se forma a partir de la His101 que cede un H+ que formará H2O con un OH- del carbono-3 del sustrato y de la Ser642 que recibirá un H+ del carbono-2 del sustrato, captándolo en su cadena lateral. Se forma un doble enlace entre el carbono 2 y el carbono 3 formando cis-aconitato como producto intermedio.

Para la rehidratación es necesario que la molécula rote 180 grados para cambiar su "modo", del modo citrato al modo isocitrato. Esto sucede mediante otra molécula de cis-aconitato, que desplaza la unida.[23]

Finalmente, en la rehidratacicon (adición), el grupo hidroxilo se une al átomo de carbono adyacente, debido a que la His101 capta un H+ de la molécula de H2O, que se ha generado al iniciar la reacción, el OH- se vuelve a unir al sustrato en un lugar diferente, y la Ser642 devuelve al sustrato el H+, formando isocitrato. La isomerización reversible que realiza esta enzima por medio de reacciones de deshidratación e hidratación permite clasificarla en el grupo de las liasas. [21]

Homeostasis del hierro y otras funciones

También participan regulando la traducción de ciertos ARNm. La proteína reguladora específica, el IRP1, se une a IREs en las regiones 5' y 3', pero solo cuando la aconitasa carece del grupo hierro-azufre. La expresión de IRP1 en los cultivos celulares ha revelado que la proteína funciona tanto como una aconitasa activa, cuando las células están repletas de hierro, o como una proteína activa de unión a ARN, cuando las células carecen de hierro.

Principalmente, esta proteína regula la traducción del ARNm del receptor de transferrina y, en menor medida, de la ferritina actuando de dos modos distintos: evitando la formación de los ribosomas alrededor del ARNm de la ferritina y evitando la degradación del ARNm del receptor de transferrina. De este modo, cuando hay niveles demasiado bajos de hierro, la proteína se une a estos ARNm, evitando su degradación, y permitiendo que una mayor cantidad de receptores de transferrina se sinteticen en los ribosomas, aumentando la concentración de hierro en el interior de la célula. Cuando las concentraciones de hierro aumentan, la unión de la IRP1 a los IREs del ARNm de la ferritina se debilita, permitiendo que la homeostasis del hierro se mantenga.[24]

Las IRP1 mutantes, en donde todos, o alguno de los tres residuos de cisteína que participan en la formación de Fe-S, se sustituyen por serina, la aconitasa pierde su actividad, pero conserva sus propiedades de unión a ARN.[15]

Otra función relevante se le atribuye a la enzima 3-isopropilmalato deshidratasa, perteneciente a la familia de la aconitasa que cataliza la segunda reacción de la biosíntesis del aminoácido esencial leucina, tratándose de una isomerización de 2-isopropilmalato a 3-isopropilmalato, a través de la deshidratación. Además, la actividad enzimática del cAcn parece contribuir en la defensa celular contra el estrés oxidativo al proporcionar una fuente de isocitrato para la producción de NADPH.[15]

Moonlighting proteins: la estructura de la aconitasa y el IRP-1

La aconitasa, que cataliza la reacción de isomerización del citrato a isocitrato, y el IRP-1 (Iron Regulatory Protein-1), que regula el metabolismo del hierro uniéndose a distintos mRNA según las concentraciones de este metal,[25]​ provocando cambios en su almacenamiento y liberación, son dos proteínas que presentan la misma cadena polipeptídica. Por lo tanto, al ser dos formas prácticamente idénticas de la misma proteína y al participar en dos procesos metábolicos distintos, se denominan "moonlighting proteins".[3][26]​ No obstante, cabe destacar que la única que puede actuar como IRP-1 es la aconitasa citosólica, y no la mitocondrial.

Por lo que a la estructura se refiere, el IRP1 muestra una conformación 25 Å más abierta que la de la aconitasa citosólica (c-aconitasa). A su vez, la estructura cristalizada de la c-aconitasa se muestra más compacta,[15]​ donde los residuos implicados en la función de la proteína como IRP1 son inaccesibles. Por tanto, los accesos de la proteína son diferentes para cada conformación en base a la unión de sus respectivos ligandos.[17]​ La proteína ejerce su función como aconitasa con la unión a un centro ferro-sulfurado [4Fe-4S]. Esta unión es principalmente lo que provoca las diferencias funcionales entre ambas proteínas, puesto que impide la unión del enzima al RNA, evitando así la función del IRP1.[2][15][27]

En cuanto a los cambios conformacionales, los más importantes son los que afectan a los dominios 3 y 4 de la proteína.

El dominio 4 sufre una rotación de 32.º y una traslación de unos 14 Å. Esto elimina las interacciones entre los dominios 3 y 4, producidas en la aconitasa, y favorece la formación de nuevas interacciones en los dos sitios de unión al RNA presentes en el IRP1.

Asimismo, puesto que hay una interacción entre el dominio 4 y el dominio 1 por medio de uniones hidrofóbicas, los residuos 90 a 170 del dominio 1 se mueven junto con el dominio 4 durante estos cambios conformacionales. Por otro lado, el dominio 3 sufre una rotación de 52º y una traslación de aproximadamente 13 Å.

Un cambio conformacional en el linker joining entre los dominios 3 y 4 es fundamental para su reposicionamiento respecto al núcleo proteico formado por los dominios 1 y 2. En la c-aconitasa, los residuos 593 a 614 en esta zona comprenden dos hélices α (21 y 22) separadas por un residuo de prolina. En el caso de IRP1, se forma una única hélice α que implica también los residuos 593 a 614.[28]

Enfermedades relacionadas

El déficit de aconitasa en el organismo, junto con una disminución de los niveles de succinato deshidrogenasa, en los músculos esqueléticos provoca una miopatía. Las alteraciones en la cantidad de aconitasa de los individuos pueden tener varios efectos según la actividad física realizada, como acidosis láctica, debilidad muscular o disnea, en casos moderados, o parálisis muscular, debido al aumento de piruvato y lactato, cuando el ejercicio es intenso. La miopatía provoca una baja tolerancia al ejercicio físico, lo que conduce a una disminución de la capacidad oxidativa, una extracción de oxígeno baja a nivel muscular y una circulación sanguínea hipercinética.

Recientemente, se han descubierto variantes de la aconitasa que provocan el síndrome de degeneración cerebelo-retinal infantil, caracterizado por varios síntomas neurológicos y musculares.

Actualmente, se realizan análisis moleculares para detallar la relación entre una disminución de aconitasa y el gen ISCU y biopsias de músculo esquelético para identificar un déficit de dicha proteína. De esta manera, se ha demostrado que el gen es importante en la actividad de las proteínas mitocondriales, como la aconitasa, por el ensamblaje del grupo 4Fe-4S. Existen otros genes relacionados con este grupo que afectan a la cadena respiratoria mitocondrial, por ejemplo el gen IBA57 o el gen LYRM4, las mutaciones de los cuales provocan un defecto en la biogénesis de los clústeres hierro-azufre.[29][30]

El cáncer de próstata se relaciona también con la enzima aconitasa. Una disminución en la concentración de esta proteína causa disuria, dificultad para iniciar o detener el flujo de orina y goteo, dolor al eyacular y hematuria. Este tipo de cáncer y la hiperplasia benigna de próstata (HBP) también se han vinculado con la acumulación de zinc (Zn), ya que regula los niveles de citrato en este órgano. La alteración se produce cuando se eleva la cantidad de este elemento en las mitocondrias, lo que inhibe la actividad de la aconitasa mitocondrial. Este hecho detiene la oxidación de los citratos, anulando el ciclo de Krebs y reduciendo la producción de ATP. [31]

El cuerpo humano debe mantener los niveles de aconitasa estrictamente regulados para evitar ciertas patologías. En ocasiones, es la propia enfermedad la que deteriora la actividad enzimática de la proteína. Ésta se inactiva o funciona inadecuadamente cuando el individuo presenta diabetes tipo I, ya que la aconitasa es muy vulnerable al estrés nitrosativo y oxidativo, causado por los radicales libres después de una hiperglucemia. De modo que el exceso de glucosa en sangre inactiva la enzima, por lo que se usa habitualmente como marcador de daño neurodegenerativo.[32]

Referencias

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Enlaces externos

  •   Datos: Q342083
  •   Multimedia: Aconitase

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La aconitasa ACO o aconitato hidratasa EC 4 2 1 3 es una enzima que cataliza la isomerizacion estereoespecifica de citrato a isocitrato a traves de cis aconitato en el ciclo de Krebs 1 En los humanos encontramos la aconitasa citosolica ACO1 y la aconitasa mitocondrial ACO2 estas dos proteinas son isoenzimas 2 Ambas variantes son proteinas multifuncion en ingles moonlightning proteins es decir proteinas formadas por una unica cadena polipeptidica que tienen mas de una funcion 3 Aconitasa 1 solubleEstructuras disponiblesPDBBuscar ortologos PDBe RCSB Estructuras enzimaticasRCSB PDB PDBe PDBsumIdentificadoresNomenclatura Otros nombresc Aconitasa aconitasa citosolicaSimbolosACO1 HGNC 117 IREB1 cAcn cAcIdentificadoresexternosOMIM 100880EBI ACO1GeneCards Gen ACO1UniProt ACO1 Bases de datos de enzimasIntEnz entrada en IntEnz BRENDA entrada en BRENDA ExPASy NiceZime view KEGG entrada en KEEG PRIAM perfil PRIAM ExplorEnz entrada en ExplorEnz MetaCyc via metabolicaNumero EC4 2 1 3LocusCr 9 p21 1 Ontologia genicaReferencias AmiGO QuickGOEstructura Funcion proteicaTamano889 aminoacidos Peso molecular98 399 Da OrtologosEspeciesHumano RatonEntrez48UniProtP21399 n aRefSeq ARNm NM 002197 n aPubMed Busqueda 1 PMC Busqueda 2 vte editar datos en Wikidata Aconitasa 2 mitocondrialEstructuras disponiblesPDBBuscar ortologos PDBe RCSB Estructuras enzimaticasRCSB PDB PDBe PDBsumIdentificadoresNomenclatura Otros nombresm aconitasaSimbolosACO2 HGNC 118 mAcn mAcIdentificadoresexternosOMIM 100850EBI ACO2GeneCards Gen ACO2UniProt ACO2 Bases de datos de enzimasIntEnz entrada en IntEnz BRENDA entrada en BRENDA ExPASy NiceZime view KEGG entrada en KEEG PRIAM perfil PRIAM ExplorEnz entrada en ExplorEnz MetaCyc via metabolicaNumero EC4 2 1 3LocusCr 22 q13 2 Ontologia genicaReferencias AmiGO QuickGOEstructura Funcion proteicaTamano780 aminoacidos Peso molecular85 425 Da OrtologosEspeciesHumano RatonEntrez50UniProtQ99798 n aRefSeq ARNm NM 001098 n aPubMed Busqueda 3 PMC Busqueda 4 vte editar datos en Wikidata Indice 1 Biosintesis 2 Estructura 3 Clasificacion 3 1 Aconitasa citosolica 3 2 Aconitasa mitocondrial 3 3 Aconitasa bacteriana 4 Funcion 4 1 Centro activo de la enzima 4 2 Mecanismo de reaccion en el Ciclo de Krebs 4 3 Homeostasis del hierro y otras funciones 5 Moonlighting proteins la estructura de la aconitasa y el IRP 1 6 Enfermedades relacionadas 7 Referencias 8 Lecturas adicionales 9 Enlaces externosBiosintesis EditarEl gen humano de la Aconitasa 1 se encuentra en el cromosoma 9 tiene una longitud de entre 66 217 y 70 150 pares de bases y la region codificante es de 44 605 pares de bases un total de 20 exones 4 5 6 7 El mRna correspondiente tiene una longitud cercana a las 3 500 bases y mediante el proceso de traduccion y las modificaciones postraduccionales se obtiene una proteina de 889 aminoacidos 8 9 En el caso de la Aconitasa 2 humana el gen correspondiente se encuentra en el cromosoma 22 y se extiende aproximadamente sobre 59 860 pares de bases y 18 exones y la region codificante es de 59 467 pares de bases un total de 18 exones 10 11 12 La proteina resultante esta formada por 753 aminoacidos 13 Estructura EditarLa aconitasa es una enzima que pertenece a las proteinas ferrosulfuradas La estructura secundaria esta constituida por helices alfa alternadas con laminas beta y por lo que a la estructura terciaria refiere la aconitasa es una proteina globular 14 No dispone de estructura cuaternaria ya que solo tiene una subunidad Su estructura esta dividida en 4 dominios globulares presentados con el siguiente orden 4 1 2 y 3 Entre los dominios 3 y 4 hay un linker joining estructura proteica que varia dependiendo de la conformacion funcional En la aconitasa citosolica es mas largo y estructurado 593 a 654 que en la mitocondrial 513 a 536 El sitio activo esta formado por 21 aminoacidos de los cuatro dominios 14 15 Las cadenas laterales son polares y forman enlaces de hidrogeno con el sustrato lo que contribuye al gran tamano de la proteina Los dominios del 1 al 3 estan muy compactados a diferencia del cuarto que es mucho mas flexible Existe un plegamiento que difiere en ambos tipos en el dominio 1 para la region N terminal residuos del 1 al 33 Las inserciones en diferentes dominios provoca que las estructuras tridimensionales de las dos isoenzimas citosolica y metabolica sean distintas Cuando la proteina cataliza la isomerizacion del citrato a D isocitrato si esta inactiva contiene un grupo 3Fe 4S en el sitio activo mientras que para que la aconitasa este activa y realice esta funcion se debe ligar un atomo mas de hierro creando un grupo 4Fe 4S 2 16 En cambio cuando la proteina desempena funciones relacionadas con el ARN mensajero no presenta ninguno de los dos grupos mencionados La perdida del grupo formado por atomos de hierro y azufre provoca un cambio en la conformacion resultando en un sitio activo con una mayor abertura permitiendole asi tener un sustrato diferente 2 15 17 Clasificacion EditarAconitasa citosolica Editar La cAcn interconvierte el citrato e 2 en el citoplasma lo cual permite equilibrar la cantidad de NADPH obtenido por la deshidratacion de isocitrato y la cantidad de acetil coA generado a partir de citrato Estos dos productos son necesarios para la sintesis de acidos grasos y numerosos procesos metabolicos como la glucolisis o la gluconeogenesis A su vez la actividad enzimatica del cAcn parece contribuir en la defensa celular contra el estres oxidativo al proporcionar una fuente de isocitrato para la produccion de NADPH Glutation reductasa utiliza el NADPH para regenerar glutation tras ser oxidada por glutation peroxidasa lo cual permite retirar el peroxido creado por el estres oxidativo 15 Contiene un cluster de hierro azufre 4Fe 4S con el que la aconitasa adopta una conformacion cerrada alrededor del centro activo que le permite enlazarse con el citrato y catalizar la conversion a isocitrato Sin embargo la aconitasa solo tiene actividad catalitica cuando las concentraciones de hierro son altas en niveles normales Si las concentraciones de hierro bajan demasiado entonces la cAcn pierde el 4Fe 4S cluster y su actividad enzimatica y asume un nuevo papel en la regulacion de los niveles de hierro dentro de la celula 15 De este modo se obtiene la proteina IRP 1 con la capacidad de unirse a secuencias especificas no codificantes del mRNA relacionada con la captacion el almacenamiento y la utilizacion de hierro y conocidas como elementos de respuesta de hierro Iron responsive element IRE Una vez vinculado a estas secuencias el IRP 1 ejerce una regulacion postranscripcional ya sea promoviendo o impidiendo su traduccion Estos sitios de union generalmente coinciden con los sitios de union al cluster de hierro y azufre La fuerte interaccion asegura la homeostasis de hierro en celulas mamiferas ante una escasez de hierro La cAc en mamiferos ha desarrollado una funcion secundaria como inhibidor de esos mRNA que transportan elementos de respuesta o reguladores de hierro IRE Otra proteina reguladora del hierro el IRP2 carece de actividad enzimatica como aconitasa pero es el principal regulador metabolico del hierro uniendose a los mismos ARNm que el IRP 1 Por el contrario el IRP1 actua predominantemente como aconitasa cambiando a IRP1 en niveles altos de oxigeno posiblemente en condiciones de infeccion o inflamacion donde la produccion de especies reactivas de oxigeno y oxido nitrico podria desestabilizar el cumulo del cluster hierro azufre Aconitasa mitocondrial Editar Ilustracion de aconitasa mitocondrial ACO2 cerdo con isocitrato como complejo y FeS4 como grupo ambos ilustrado en esferas Estructura secundaria coloreada por dominio La mAcn juega un papel fundamental en el metabolismo de los carbohidratos pues cataliza el segundo paso del ciclo de Krebs para producir isocitrato a partir de citrato Tambien cumple una funcion estructural y reguladora en el mantenimiento del ADN mitocondrial mtDNA 18 actua en la estabilizacion del mtDNA formando parte de los complejos proteicos de este conocidos como nucloides El mtDNA modela los nucloides para influir directamente en la expresion genetica mitocondrial ante cambios en el entorno celular Estas dos funciones estan vinculadas La funcion en el ciclo de Krebs es proporcionar electrones de alta energia en forma de NADH y FADH2 a la via de fosforilacion oxidativa mitocondrial mientras que el mtDNA codifica componentes de la via de fosforilacion oxidativa Como tal mAcn podria actuar como un regulador metabolico para acoplar el metabolismo energetico con la expresion del gen mitocondrial Es una proteina muy conservada y presenta una gran homologia entre mamiferos Ademas es susceptible a la acetilacion no enzimatica por metabolitos como el acetil CoA por lo que funcionaria como sensor de la disponibilidad de nutrientes A pesar de presentar numerosas similitudes estructurales con la aconitasa citosolica los dominios poseen una configuracion diferente En el dominio 1 se observa un plegamiento diferente para la region N terminal residuos del 1 al 33 al comparar las dos proteinas y a su vez el linker joining en la aconitasa citosolica 593 a 654 es mas largo que en la mitocondrial 513 a 536 y ademas se encuentra mas estructurado Ademas cuando se compara con la aconitasa mitocondrial en la aconitasa citosolica aparecen inserciones en diferentes dominios tres en el dominio 1 dos en el dominio 3 y una en el dominio 4 otra mas es Por lo tanto las estructuras tridimensionales de estas dos isoenzimas son significativamente distintas 19 Aconitasa bacteriana Editar Al igual que la mAcn la aconitasa bacteria AcnB es una enzima principal en el ciclo de Krebs que posee una funcion secundaria En la bacteria Escherichia coli se demostro que la AcnB es un regulador de la expresion genetica En Salmonella enterica la AcnB inicia un proceso regulador para controlar la biosintesis de flagelos mediante una interaccion del ftsH transcript un factor sigma alternativo de la RNA polimerasa Esta union disminuye la concentracion intracelular de ftsH proteasa y consecuentemente aumenta la cantidad del factor sigma 32 de la RNA polimerasa el cual en la mayoria de los casos es degradado por la ftsH proteasa Dicho factor aumenta la sintesis del chaperon Dnak lo cual fomenta la sintesis de la proteina flagelar FliC Asimismo regula la sintesis de otras proteinas como el superoxido dismutasa SodA y otras enzimas involucradas en el estres oxidativo Tiene una estrutura de dominio diferente a la de cAcn o mAcn y difiere de otras aconitasas al contener un dominio similar a HEAT Se cree que los dominios de tipo HEAT estan involucrados en las interacciones proteina proteina La region N terminal que contiene tanto el dominio tipo HEAT como el dominio giratorio son responsables de la dimerizacion y la union de AcnB al ARNm Un mecanismo de dimerizacion mediado por hierro puede ser responsable de cambiar AcnB entre sus funciones cataliticas y reguladoras ya que la dimerizacion requiere hierro mientras que la union del ARNm es inhibida por el hierro Escherichia coli tambien posee aconitasa A AcnA que es una enzima inducida por el estres sintetizada durante la fase estacionaria de crecimiento La AcnA es similar en la conformacion de dominios a la mAcn eucariota Funcion EditarCentro activo de la enzima Editar Ilustracion del centro activo de aconitasa PDB 7ACN con isocitrato como ligando las interacciones con los puentes de hidrogeno se marcan en linea de puntos Al contrario que la mayoria de las proteinas hierro azufre que funcionan como transportadores de electrones el centro hierro azufre de la aconitasa reacciona directamente con el sustrato de una enzima La aconitasa tiene un centro activo Fe4S4 2 que puede convertirse a una forma inactiva Fe3S4 Estabiliza el sustrato por medio de interacciones electroestaticas colocandolo en la posicion correcta para interactuar con los residuos cataliticos y se garantiza el anclaje del sustrato a la enzima por la presencia de aminoacidos como la serina Ser arginina Arg histidina His o acido aspartico Asp Se ha demostrado que tres residuos de cisteina Cys son ligandos del centro Fe4S4 Cys437 Cys503 y Cys506 Por tanto en el centro activo del enzima existen aminoacidos responsables de la union y el anclaje del sustrato al enzima a lo que tambien contribuye el centro ferro sulfurado y por otro lado tenemos aminoacidos encargados de llevar a cabo la catalisis propiamente dicha La conformacion cerrada que adopta la aconitasa con el cluster de Fe4S4 lo que ocasiona es una restriccion de accesibilidad a este cluster Se cree que el acceso a este centro activo es a traves de un movimiento del dominio 4 de la proteina con respecto al resto de dominios tal y como ocurre en la aconitasa mitocondrial Los residuos que forman el centro activo son conservados entre especies de animales plantas bacterias y levaduras En las bacterias la aconitasa se une al ARN viral estabilizandolo y promoviendo la traduccion de proteinas virales mientras que en las levaduras es importante para el mantenimiento y asociacion del ADN mitocondrial mediante la formacion de nucleoides La Ser642 es capaz de aceptar el proton que cede el sustrato actuando como base gracias al entorno quimico en que se encuentra Por otro lado la His101actua como un acido donando su proton para la reaccion En estado activo los labiles iones de hierro del centro Fe4S4 no estan coordinados por Cys sino por moleculas de agua Son homologos de la aconitasa la proteina que une el elemento regulador de hierro IRE BP y la 3 isopropilmalato deshidratasa a isopropilmalato isomerasa una enzima que cataliza el segundo paso de la biosintesis de leucina Los elementos de respuesta o reguladores de hierro IRES constituyen una familia de secuencias de 28 nucleotidos no codificantes que forman estructuras de tallo y bucle que regulan el almacenamiento de hierro la sintesis de hemo y la absorcion de hierro La aconitasa es inhibida competitivamente por fluoracetato razon por la que este es venenoso Asi pues el fluoracetato en forma de fluoracetil CoA reacciona con el oxalacetato por un proceso de condensacion y produce fluorcitrato el cual la aconitasa no lo reconoce y se paraliza el ciclo Este proceso inhibe la fosforilacion oxidativa porque no se forman equivalentes reducidos y como consecuencia la ATP sintasa se inactiva por lo que no se producira ATP El tiempo de latencia entre la accion toxica y las manifestaciones clinicas es de entre media hora a dos horas Posteriormente se acumula el citrato al no poder ser utilizado como sustrato y produce una disminucion del calcio El centro hierro azufre es muy sensible a la oxidacion por superoxido Tambien es inhibida por el trans Aconitato y es sensible al peroxinitrio y al radical carbonato 20 21 22 Mecanismo de reaccion en el Ciclo de Krebs Editar Esquema del Ciclo de Krebs o ciclo del acido citrico en el que se puede apreciar la funcion de la aconitasa mitocondrial ACO2 que consiste en catalizar la isomerizacion de citrato a isocitrato a traves de cis aconitato La enzima hidratasa del acido aconitico aconitasa tiene la funcion de catalizar la reaccion de isomerizacion de citrato en su isomero constitucional isocitrato durante el Ciclo de Krebs Esta reaccion es unidireccional a causa de la ley de accion de masa ya que las concentraciones son 91 de citrato 3 de cis aconitato y 6 de isocitrato en condiciones estandar pH 7 4 y 25º C La reaccion tiene una energia libre de Gibbs estandar positiva 6 3kJ mol aunque el consumo acelerado de isocitrato mantiene la energia libre casi en cero en condiciones intracelulares La aconitasa produce una forma isomerica de las cuatro disponibles del citrato el 2R 3S isocitrato El citrato tiene un grupo hidroxido que no es facilmente oxidable en cambio el isocitrato tiene un grupo hidroxido secundario que si es facilmente oxidable El mecanismo de reaccion se puede dividir en tres fases una de deshidratacion una de rotacion y otra de rehidratacion Catalizacion de la isomerizacion de la aconitasa del citrato a isocitrato con su producto intermedio cis aconitato En la deshidratacion eliminacion el grupo OH unido al centro Fe S es protonado y removido formando el cis aconitato como producto intermedio Estrictamente se forma a partir de la His101 que cede un H que formara H2O con un OH del carbono 3 del sustrato y de la Ser642 que recibira un H del carbono 2 del sustrato captandolo en su cadena lateral Se forma un doble enlace entre el carbono 2 y el carbono 3 formando cis aconitato como producto intermedio Para la rehidratacion es necesario que la molecula rote 180 grados para cambiar su modo del modo citrato al modo isocitrato Esto sucede mediante otra molecula de cis aconitato que desplaza la unida 23 Finalmente en la rehidratacicon adicion el grupo hidroxilo se une al atomo de carbono adyacente debido a que la His101 capta un H de la molecula de H2O que se ha generado al iniciar la reaccion el OH se vuelve a unir al sustrato en un lugar diferente y la Ser642 devuelve al sustrato el H formando isocitrato La isomerizacion reversible que realiza esta enzima por medio de reacciones de deshidratacion e hidratacion permite clasificarla en el grupo de las liasas 21 Homeostasis del hierro y otras funciones Editar Tambien participan regulando la traduccion de ciertos ARNm La proteina reguladora especifica el IRP1 se une a IREs en las regiones 5 y 3 pero solo cuando la aconitasa carece del grupo hierro azufre La expresion de IRP1 en los cultivos celulares ha revelado que la proteina funciona tanto como una aconitasa activa cuando las celulas estan repletas de hierro o como una proteina activa de union a ARN cuando las celulas carecen de hierro Principalmente esta proteina regula la traduccion del ARNm del receptor de transferrina y en menor medida de la ferritina actuando de dos modos distintos evitando la formacion de los ribosomas alrededor del ARNm de la ferritina y evitando la degradacion del ARNm del receptor de transferrina De este modo cuando hay niveles demasiado bajos de hierro la proteina se une a estos ARNm evitando su degradacion y permitiendo que una mayor cantidad de receptores de transferrina se sinteticen en los ribosomas aumentando la concentracion de hierro en el interior de la celula Cuando las concentraciones de hierro aumentan la union de la IRP1 a los IREs del ARNm de la ferritina se debilita permitiendo que la homeostasis del hierro se mantenga 24 Las IRP1 mutantes en donde todos o alguno de los tres residuos de cisteina que participan en la formacion de Fe S se sustituyen por serina la aconitasa pierde su actividad pero conserva sus propiedades de union a ARN 15 Otra funcion relevante se le atribuye a la enzima 3 isopropilmalato deshidratasa perteneciente a la familia de la aconitasa que cataliza la segunda reaccion de la biosintesis del aminoacido esencial leucina tratandose de una isomerizacion de 2 isopropilmalato a 3 isopropilmalato a traves de la deshidratacion Ademas la actividad enzimatica del cAcn parece contribuir en la defensa celular contra el estres oxidativo al proporcionar una fuente de isocitrato para la produccion de NADPH 15 Moonlighting proteins la estructura de la aconitasa y el IRP 1 EditarLa aconitasa que cataliza la reaccion de isomerizacion del citrato a isocitrato y el IRP 1 Iron Regulatory Protein 1 que regula el metabolismo del hierro uniendose a distintos mRNA segun las concentraciones de este metal 25 provocando cambios en su almacenamiento y liberacion son dos proteinas que presentan la misma cadena polipeptidica Por lo tanto al ser dos formas practicamente identicas de la misma proteina y al participar en dos procesos metabolicos distintos se denominan moonlighting proteins 3 26 No obstante cabe destacar que la unica que puede actuar como IRP 1 es la aconitasa citosolica y no la mitocondrial Por lo que a la estructura se refiere el IRP1 muestra una conformacion 25 A mas abierta que la de la aconitasa citosolica c aconitasa A su vez la estructura cristalizada de la c aconitasa se muestra mas compacta 15 donde los residuos implicados en la funcion de la proteina como IRP1 son inaccesibles Por tanto los accesos de la proteina son diferentes para cada conformacion en base a la union de sus respectivos ligandos 17 La proteina ejerce su funcion como aconitasa con la union a un centro ferro sulfurado 4Fe 4S Esta union es principalmente lo que provoca las diferencias funcionales entre ambas proteinas puesto que impide la union del enzima al RNA evitando asi la funcion del IRP1 2 15 27 En cuanto a los cambios conformacionales los mas importantes son los que afectan a los dominios 3 y 4 de la proteina El dominio 4 sufre una rotacion de 32 º y una traslacion de unos 14 A Esto elimina las interacciones entre los dominios 3 y 4 producidas en la aconitasa y favorece la formacion de nuevas interacciones en los dos sitios de union al RNA presentes en el IRP1 Asimismo puesto que hay una interaccion entre el dominio 4 y el dominio 1 por medio de uniones hidrofobicas los residuos 90 a 170 del dominio 1 se mueven junto con el dominio 4 durante estos cambios conformacionales Por otro lado el dominio 3 sufre una rotacion de 52º y una traslacion de aproximadamente 13 A Un cambio conformacional en el linker joining entre los dominios 3 y 4 es fundamental para su reposicionamiento respecto al nucleo proteico formado por los dominios 1 y 2 En la c aconitasa los residuos 593 a 614 en esta zona comprenden dos helices a 21 y 22 separadas por un residuo de prolina En el caso de IRP1 se forma una unica helice a que implica tambien los residuos 593 a 614 28 Enfermedades relacionadas EditarEl deficit de aconitasa en el organismo junto con una disminucion de los niveles de succinato deshidrogenasa en los musculos esqueleticos provoca una miopatia Las alteraciones en la cantidad de aconitasa de los individuos pueden tener varios efectos segun la actividad fisica realizada como acidosis lactica debilidad muscular o disnea en casos moderados o paralisis muscular debido al aumento de piruvato y lactato cuando el ejercicio es intenso La miopatia provoca una baja tolerancia al ejercicio fisico lo que conduce a una disminucion de la capacidad oxidativa una extraccion de oxigeno baja a nivel muscular y una circulacion sanguinea hipercinetica Recientemente se han descubierto variantes de la aconitasa que provocan el sindrome de degeneracion cerebelo retinal infantil caracterizado por varios sintomas neurologicos y musculares Actualmente se realizan analisis moleculares para detallar la relacion entre una disminucion de aconitasa y el gen ISCU y biopsias de musculo esqueletico para identificar un deficit de dicha proteina De esta manera se ha demostrado que el gen es importante en la actividad de las proteinas mitocondriales como la aconitasa por el ensamblaje del grupo 4Fe 4S Existen otros genes relacionados con este grupo que afectan a la cadena respiratoria mitocondrial por ejemplo el gen IBA57 o el gen LYRM4 las mutaciones de los cuales provocan un defecto en la biogenesis de los clusteres hierro azufre 29 30 El cancer de prostata se relaciona tambien con la enzima aconitasa Una disminucion en la concentracion de esta proteina causa disuria dificultad para iniciar o detener el flujo de orina y goteo dolor al eyacular y hematuria Este tipo de cancer y la hiperplasia benigna de prostata HBP tambien se han vinculado con la acumulacion de zinc Zn ya que regula los niveles de citrato en este organo La alteracion se produce cuando se eleva la cantidad de este elemento en las mitocondrias lo que inhibe la actividad de la aconitasa mitocondrial Este hecho detiene la oxidacion de los citratos anulando el ciclo de Krebs y reduciendo la produccion de ATP 31 El cuerpo humano debe mantener los niveles de aconitasa estrictamente regulados para evitar ciertas patologias En ocasiones es la propia enfermedad la que deteriora la actividad enzimatica de la proteina Esta se inactiva o funciona inadecuadamente cuando el individuo presenta diabetes tipo I ya que la aconitasa es muy vulnerable al estres nitrosativo y oxidativo causado por los radicales libres despues de una hiperglucemia De modo que el exceso de glucosa en sangre inactiva la enzima por lo que se usa habitualmente como marcador de dano neurodegenerativo 32 Referencias Editar Molecular biology of the cell 3rd ed by Alberts et al Garland Publishing New York 1994 1 294 pp glossary amp index 59 95 Molecular Reproduction and Development 38 4 459 459 1994 08 ISSN 1040 452X doi 10 1002 mrd 1080380418 Consultado el 23 de octubre de 2018 a b c Victor A McKusick 4 de junio de 1986 OMIM Entry 100880 ACONITASE 1 SOLUBLE ACO1 www omim org en ingles estadounidense Consultado el 5 de octubre de 2018 a b Jeffery Constance J 3 de febrero de 2009 Moonlighting proteins an update Molecular BioSystems en ingles Royal Society of Chemistry 5 4 345 ISSN 1742 206X doi 10 1039 b900658n Consultado el 5 de octubre de 2018 Gene ACO1 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