Biosintesis Del Grupo Hemo

7/30/2019 Biosintesis Del Grupo Hemo

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procesos oxidativos dainos.La formacin de especies reacti-

vas de oxgeno a partir del grupo hemopuede surgir durante la oxidacinaerbica del -aminolevulinatocatalizada en presencia de metales obien mediante reacciones fotoqumi-cas de la protoporfirina IX (precursordel grupo hemo).

Adems de conferir estabilidad alas protenas y participar en la diferen-

ciacin celular, se ha propuesto algrupo hemo como modulador de laexpresin gentica a nivel traduccio-nal y transcripcional (3,4).

Un ejemplo de esto ltimo es laactivacin por el grupo hemo delfactor transcripcional HAP1, el cual a

INTRODUCCINLos hemos son compuestos que estndirectamente involucrados enreacciones de xidoreduccin,oxigenacin, hidroxilacin y enaquellas relacionadas al transporte yalmacenamiento de oxgeno y otrosgases biatmicos (CO, NO). Asocia-dos a protenas, los hemos puedenparticipar en la unin de ligandos yservir de sensores durante la transduc-

cin de seales dependientes deoxgeno y xido ntrico enRhizobium(1) y en mamferos (2). La va desntesis del grupo hemo afectadirectamente el metabolismo oxidati-vo al estar relacionado con la utiliza-cin de hierro, el cual puede promover

RESUMENLa formacin de tetrapirroles es esencial para laproduccin de porfirinas, las cuales constituyen los

2+ 3+grupos hemo (con Fe /Fe ) de los citocromos y deprotenas transportadoras de oxgeno (hemoglobina), y

2+los pigmentos (con Mg ) de las clorofilas y lasbacteriofilas (en el caso de bacterias). Existen dosdiferentes rutas para sintetizar al pr ecur sor- aminolevulinato a partir del cual se obtiene el grupo

hemo despus de siete reacciones en comn. Laregulacin de esta va biosinttica es al parecer a travsdel grupo hemo, el cual tiene un efecto inhibitorio enambas vas mediante diferentes mecanismos. Tambin seha determinado que la concentracin de oxgeno, lafuente de carbono y los metales pesados tienen efectossobre esta va. El conocimiento sobre esta biosntesis hapermitido la utilizacin biotecnolgica de algunos de losintermediarios o productos finales, tambin con fines deinvestigacin bsica.

PALABRAS CLAVE: Rutas biosintticas, grupo hemo.

ABSTRACTTetrapyrrole biosynthesis is essential for porphyrinproduction. Two different pathways hemeprecursor-aminolevulinate. The heme group has aninhibitory effect on both routes. Oxygen levelconcentration, carbon source and heavy metals also havean influence on heme biosynthesis. The knowledge ofthe heme synthesis pathways has led to thebiotechnological application of its precursors.

KEY WORDS: Biosynthetic pathways, heme group.

synthesize

* Recibido: 11 mayo 2004 Aceptado: 05 agosto 2004

Departamento de Bioqumica, Instituto Nacional de Cardiologa. Juan Badiano 1, C.P. 14080, Mxico, D.F.Correo E: [email protected]

BIOSNTESIS DEL GRUPO HEMO*

su vez estimula la expresin de lasenzimas de la fosforilacin oxidativaen levadura, cuando la concentracinde oxgeno disminuye a nivelescrticos.

Si bien los grupos hemos formanparte de los citocromos que participanen la transferencia de electrones enlas mitocondrias en condicionesaerbicas, tambin son importantes ensistemas anaerbicos bacterianos queemplean aceptores de electronesalternos como nitrato en sus comple-jas cadenas respiratorias (Fig. 1). Porejemplo, enPseudomonas aeruginosael grupo hemo se sintetiza activamen-te en condiciones anaerbicas, aunquedisminuya su requerimiento de

NORMA ANGLICA CASTRO GUERRERO Y RAFAEL MORENO SNCHEZ

99REB 23 (3): 99-106, 2004


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citocromos para los complejosrespiratorios (4).

Recientemente se han descubiertoalgunas nuevas caractersticasfuncionales del grupo hemo enprotenas. En la guanilato ciclasa, elxido ntrico activa a la enzimacuando se une al hemo que contiene,para la posterior formacin del GMPcy el inicio de una cascada de sealiza-cin. La hemoprotena CcmE presen-te en Escherichia coli acta comochaperona para transferir el hemo alapocitocromo c durante la biognesis

de citocromos. Hem-AT es el primerejemplo de una protena en arqueasque acta como sensor del oxgenoatmosfrico por medio del grupohemo en el dominio en la regin N-terminal, el cual controla la actividadde la regin C- terminal (6).

RUTAS BIOSINTTICASEn levaduras y animales, la sntesisdel hemo se distribuye entre lamitocondria y el citosol. El proceso

comienza en la mitocondria debido aque uno de los precursores est

presente slo en este organelo. Enclulas vegetales la biosntesis delgrupo hemo se realiza dentro delcloroplasto, mientras que en bacteriasocurre en el citosol.

El primer paso de la va es la

sntesis de -aminolevulinato (-ALA), para lo cual se han encontradodos diferentes rutas (Fig. 2):

- VIA C4

Esta va se encuentra en levaduras,clulas de mamferos y algunasproteobacterias como Rhodobacter,Rhizobium y Rickettsia. En esta va,-ALA se sintetiza por la condensa-cin de succinil-CoA y glicina en unareaccin catalizada por la ALAsintetasa (ALA-S), la cual requierepiridoxal 5'-fosfato como cofactoresencial (Fig. 2A). La reaccin ocurreen dos pasos: la condensacin de lossustratos para formar el complejo

intermediario enzima--aminocetoadipato y su descarboxilacinpara formar-ALA. La forma activade la enzima es un homodmero. Enesta ruta, la ALA-S es una de lasenzimas que se ha caracterizado msampliamente (Tabla I).

-VIA C5

El -ALA tambin puede sintetizarsea partir del esqueleto C5 del glutama-

to. Esto sucede en cloroplastos deplantas y algas verdes, adems dearqueas, cianobacterias y en algunaseubacterias como E. coli y Bacillussubtilis. Esta ruta se inicia con el

FIGURA 1. Citocromos presentes en cadenas respiratorias bacterianas. SDH, succinatodeshidrogenasa; FDN, formato deshidrogenasa; HYD, hidrogenasa; MOX, metanoldeshidrogenasa; NAR, nitrato reductasa membranal; NAP, nitrato reductasa periplsmica; NIR,nitrito reductasa; NRF, nitrito reductasa dependiente de formato; NOR, xido ntrico reductasa;TOR, xido trimetilamina reductasa; DMS, DMSO reductasa; PHS, tiosulfato reductasa; PSR,

polisulfuro reductasa; SIR, sulfito reductasa; ASR, sulfito reductasa II; FRD, fumaratoreductasa. Tomado de Thny- Meyer (5).

FIGURA 2.Formacin de d-aminolevulinato (d-ALA) por dos diferentes vas. A) Ruta C4, apartir de succinil- Co A y glicina; B) Ruta C5 a partir de glutamato tRNA.(7,8)

ba3

bb3bo3d

bd

aa3

otras reductasas

quinol oxidasas

bc

cd1

ccb

c

bc

b

sirohemosirohemo

b

SDH

FDN

HYD

cbc1

MOX

Q/QH2

citocromo c oxidasas

aa3

ba3baa3

caa3

cbb3cao

co

O2

O2

NARNAP

NIR

NRFNOR

TOR

DMSPHS

PSR

SIRASR

FRD

NO3-

NO2-

NOTMAODMSO

S2O32-

[S]

SO32-

fumarato

b

b

b

c

formato

H2

succinato

Tomada de Thny-Meyer, 1997

ba3

bb3bo3d

bd

aa3

otras reductasas

quinol oxidasas

bc

cd1

ccb

c

bc

b

sirohemosirohemo

b

SDH

FDN

HYD

cbc1

MOX

Q/QH2

citocromo c oxidasas

aa3

ba3baa3

caa3

cbb3cao

co

O2

O2

NARNAP

NIR

NRFNOR

TOR

DMSPHS

PSR

SIRASR

FRD

NO3-

NO2-

NOTMAODMSO

S2O32-

[S]

SO32-

fumarato

b

b

b

c

formato

H2

succinatometanol

Tomada de Thny-Meyer, 1997

+ +

succinil CoA glicina -amino- -cetoadipato

Glu-tRNAglutamato-1-semialdehido

hidroxiamino-tetrahidropiranona+ NADPH

d-aminolevulinato (d-ALA)

A)

B)

GlutRNA-R

GSAT

ALA-S

ALA-S

100 Norma Anglica Castro Guerrero y Rafael Moreno Snchez


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glutamil-tRNA, el cual se reduce aglutamato-1-semialdehdo por laglutamil-tRNA reductasa (Fig. 2B).

La identificacin de esta vasurgi por el descubrimiento de uncofactor que contena RNA. El

anlisis de las secuencias de los genesde cloroplastos de espinaca, tabaco,Euglena gracilis, Chlamydomonasreinhardtii y de algunas bacterias hamostrado caractersticas genticasnicas que corresponden a un tRNAde glutamato.

Un anlisis ms completo de estassecuencias tambin mostr que el

GLUtRNA usualmente presente en estosorganismos, es el sustrato para lasntesis de tetrapirroles.

El Glu-tRNA se genera en

presencia de ATP a partir de glutamatoy tRNA por la glutamil-tRNAsintetasa, una enzima perteneciente ala familia de las aminoacil-tRNAsintetasas (9). Aunque esta enzimacataliza el primer paso de la sntesisde hemo por la va C5, no se haencontrado evidencia de que algunode los intermediarios regule suactividad.

La glutamil tRNA reductasa es

una enzima inusual pues su estructuracristalogrfica revel una forma de Vextendida. El anlisis de las secuen-cias de aminocidos disponibles hamostrado un 60% de similitud conbase en las regiones ms conservadas

(10), como el sitio de unin de piridn-nucletidos.El nico cofactor requerido para la

actividad de la enzima es el NADPH,mientras que el NADH, an a concen-traciones altas, no induce una activi-dad significativa.

La glutamato-1-semialdehdoaminotransferasa (GSAT) cataliza latransaminacin de glutamato-1-semialdehdo a-ALA en presenciade fosfato de piridoxal o piridoxami-na-5-fosfato. Se ha identificado ycaracterizado el gen de GSAT endiferentes organismos. Adems, se halogrado purificar a la enzima debacterias y cloroplastos de plantas.Esta enzima corresponde estructural ycatalticamente a las aminotransfera-sas tpicas. La forma activa esdimrica en la mayora de los organis-mos y las subunidades pesan entre 44y 46 kDa (10).

En el protista parsito Trypanoso-

ma cruzi no se han detectado activida-des de las enzimas involucradas en labiosntesis del grupo hemo, el cual esprovisto por el hospedero.

En cambio, en el protista de vidalibreE. gracilis existen ambas rutas,

al igual que en una cepa del alga verdeScenedesmus obliquus (11,12).Util izando los precursores

marcados radioactivamente de -ALA, glutamato y glicina, se pudodeterminar que en clulas fotosintti-cas de E. gracilis coexisten las dosvas, mientras que en clulas hetero-trficas slo la ALA-S es funcional(11). Las enzimas de ambas vas soncodificadas en el ncleo, pero sontransferidas a compartimentos

diferentes. La ruta C5 provee -ALApara la sntesis de hemos y clorofila enel cloroplasto de la clula fotosintti-ca, mientras que la va de condensa-cin de succinil CoA y glicina (C4) seutiliza en la sntesis de hemos noplastdicos. Por lo tanto, las dos vasenE. gracilis se encuentran separadasy compartamentalizadas con supropio grupo de enzimas para sinteti-zar su respectiva poza de-ALA (11).

En el protista parsito Plasmo-dium falciparum existe la sntesis denovo del grupo hemo por una rutasimilar a la de los eritrocitos queinvade (va C4) utilizando su propiaALA-S, la cual es inmunolgicamen-te diferente a la del hospedero. Sinembargo, el parsito requiere importara la ALA deshidratasa (ALA-D) yposiblemente al resto de las enzimasdel hospedero. Adems, tambinimporta el grupo hemo del organismoque infecta para procesos de destoxifi-cacin (13).

Despus de la formacin de -ALA, las rutas C4 y C5 comparten lassiguientes siete reacciones para lasntesis final del grupo hemo. Lasenzimas involucradas y la naturalezade los intermediarios se encuentranmuy conservadas en todos losorganismos (Fig. 3).

EnBradyrhizobium japonicum seanaliz una mutante deficiente en laALA-S y se demostr que esta enzima

2.9x10-62.5x10-58.5 x10-37.8138protista

3x10-6

7.0x10-5

-

3.3 x10-3

1.0x10-2

-

-

7.6

87

107

110

Higado

-

-

-

6.0 x10-56.0 x10-3

1.0 x10-2

1.1-1.6 x10-2

7.2

7.6

-

-

200

105

1.1 x10-5

4-5x10-6

1.0 x10-5

2.5 x10-5

1.2 x10-2

1.0 x10-2

7.0

7.4-7.6105-110

bacteriaParacoccus

Rhodopseudomonas

KmpiridoxalP(M)

KmsuccCoA

(M)

KmglicinapHptimoPeso

molecular*Modelo

-37.8138protista

Euglena gracilis

-

-

-

--3

-2

-

-

7.6

87

107

110

Pollo

Cuyo

Rata

-

-

-

--5

-

6.0 x10-3

1.0 x10-2

1.1-1.6 x10-2

7.2

7.6

-

-

200

105

Eritrocito

Pollo

Conejo

Cuyo

1.1 x10-5-5

-5

1.2 x10-2

1.0 x10-2

7.0

7.4-7.6

68denitrificans

spheroides

KmpiridoxalP(M)

KmsuccCoA

(M)

KmglicinapHptimoPeso

molecular*Modelo

(M)

* Calculado de la traduccin de la secuencia del gen (en kilodaltones)Los valores fueron obtenidos de referencias que son omitidas por razones de presentacin

TABLA I

PROPIEDADES DE LA d-ALA SINTETASADE DIFERENTES ORGANISMOS

101REB 23 (3): 99-106, 2004 Biosntesis del grupo hemo


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no es necesaria para la sntesis delhemo en los ndulos formados poresta bacteria, ya que es capaz de usarla poza de-ALA de su hospedero.Estos resultados sugieren que lasiguiente enzima en la va, la ALA-D

(tambin denominada porfobilinge-no sintetasa), es realmente la primeraenzima esencial en la sntesis dehemos en esta bacteria y no la ALA-S(14).

El transporte de -ALA hacia elcitosol en la va C4 no se ha dilucidadototalmente. Sin embargo, datosobtenidos en Saccharomyces cerevi-siae indican que este compuesto estransportado por una permeasa.Ensayos de inhibicin con el cido g

aminobutrico (GABA) mostraronque -ALA y GABA comparten elmismo transportador (15).

La ALA-D es una metaloenzimaque puede estar asociada a zinc, en elcaso de la que se encuentra en elcitosol de clulas animales y en lamayora de las bacterias, o a magnesiocuando est en cloroplastos deplantas. La diferencia en el metal lesotorga diferencias en el pH ptimo, ensu termoestabilidad y en la sensibili-

dad hacia metales pesados comoplomo y cadmio (14). Se ha determi-nado una Ki aparente de la ALA-D de0.12 Mpara el plomo en eritrocitos,mientras que 10 M de cadmio inhibeel 55% de la actividad (Prasad A. R.,

datos no publicados).El uroporfiringeno III se sinteti-

za en el citosol por la accin de laporfobilingeno desaminasa (PBG-D) y la uroporfiringeno III sintetasa(URO-S), para despus ser descar-boxilado a coproporfiringeno III porla uroporfiringeno descarboxilasa(URO-D). El coproporfiringeno IIIse transporta de regreso a la mitocon-dria para las subsecuentes reaccionesde la sntesis del grupo hemo (Fig. 3).

Sin embargo, no existe informacinclara acerca del transporte de esteintermediario hacia la mitocondria.

La coproporfiringeno oxidasa esuna enzima mitocondrial (en clulasde mamfero) que cataliza la sntesisde protoporfiringeno IX (o III deacuerdo a la nomenclatura anterior).

Esta enzima se encuentra asociadaal lado interno de la membranaexterna mitocondrial, aunque tambinest documentada su existencia en el

citosol de S. cerevisiae (16). Elprotoporfiringeno IX se transportahacia la matriz mitocondrial en dondese transforma a protoporfirina IX poraccin de la protoporfiringenooxidasa, la cual est asociada a la

membrana interna mitocondrial. Acontinuacin, la va se ramifica paraque se lleve a cabo la insercin del

2+metal. Por un lado, la enzima Mgquelatasa inserta magnesio en laprotoporfirina IX para la sntesis declorofilas; y por el otro, la ferroquela-tasa cataliza la insercin de hierro enla protoporfirina IX para la sntesis delgrupo hemo. Esta enzima requierehierro (II) (Km 0.16 M), y cidoascrbico y cistena como agentes

reductores.La ferroquelatasa tambin puedeinsertar otros metales como zinc, conuna Km de 9 M. Al igual que laALA-D, la ferroquelatasa es suscepti-ble a metales pesados, principalmenteal plomo con valores de Ki de 0.1 a0.65 mM (17).

REGULACINSe ha propuesto que en clulasanimales no eritroides el principal

sitio de regulacin de la va C4 es laALA-S, pues se inhibe por el productofinal, el grupo hemo (18), el cual estxico cuando se acumula (19).Aunque esta enzima es consideradaimportante dentro de la regulacin dela va en levaduras, tambin existeevidencia sobre el papel regulatorioque tiene el grupo hemo sobre laALA-D (20).

En bacterias como E. coli, P.aeruginosa o Salmonella entericaserovar typhimurium, donde los

primeros pasos de la biosntesis son atravs de la va del glutamato (rutaC5), la regulacin no se ha establecidoclaramente, aunque se ha consideradoa la aminotransferasa como sitio deregulacin (21). Al someter afermentacin a sistemas bacterianos,donde no hay requerimiento deenzimas respiratorias, los nivelesgenerales de hemo disminuyen,indicando que el oxgeno, la fuente decarbono y el nitrato pueden ser seales

FIGURA 3.Reacciones comunes en las rutas biosintticas del grupo hemo representadas en elmodelo de levadura. ALA-S, ALA-D; PBG-D, porfobilingeno deaminasa; URO-S,uroporfiringeno sintetasa; URO-D, uroporfiringeno descarboxilasa; COPROX,coproporfiringeno oxidasa; PROTOX, protoporfiringeno oxidasa; FERROC, ferroquelatasa.

+ALA-D

PBG-D

URO-S

URO-D

COPROX

PROTOX

FERROC

ALA-Sporfobilingeno

hidroximetilbilano

uroporfiringeno

I III

coproporfiringeno

I III

protoporfiringeno IX

protoporfirina IX

hemo

Fe2+Fe2+

matrizmatriz

citosolcitosol

no enzimatica

22

d-ALA



5/8

indirectas para su biosntesis (4).En general, son dos las etapas

crticas de la biosntesis del hemo en lava C5:

1) la formacin de -ALA, endonde, a diferencia de la va C4, el

grupo hemo no tiene efecto inhibitoriosobre la glutamil tRNA reductasapurificada. Sin embargo, al adicionarel grupo hemo a extractos celulares deE. coli se observa disminucin de laactividad de esta enzima, implicandoque intervienen otros factorescelulares en la regulacin de suactividad.

Otros experimentos revelaron queel efecto del grupo hemo sobre lareductasa es el de inducir cambiosconformacionales que la hacensusceptible a protelisis (4). Adems,se observ que en S. enterica serovartyphimurium, al limitar la produccindel hemo, haba un aumento de 10 a 25veces en la actividad de la reductasaacompaado de un aumento en elnivel de protena. Estos resultadossugirieron que existe regulacin de laglutamil tRNA reductasa a niveltranscripcional y en la modulacin dela estabilidad de la protena.

2) la sntesis de protoporfiringe-

no IX a partir de coproporfiringenoIII por una familia de coproporfirin-geno oxidasas. La enzima HemFrequiere oxgeno molecular para sucatlisis y por lo tanto no puede operaren condiciones anaerbicas. HemZ yHemN operan en condicionesanaerbicas y no presentan similituden la secuencia de aminocidos con laenzima dependiente de oxgeno (22).

B. japonicum posee una ALA-Dinusual que requiere magnesio en vezde zinc, la cual se induce por disminu-cin en los niveles de oxgeno.Adems, se ha descrito que la concen-tracin de hierro regula la sntesis deesta protena (14).

Se han identificado, clonado ycaracterizado a nivel bioqumico losgenes y enzimas de la biosntesis delgrupo hemo en S. cerevisiae (23).Hoffman y colaboradores (23)analizaron las actividades especficas(kcat) y las Km de las enzimas

purificadas (Tabla II) para concluirque la ALA-D, la PBG-D y la URO-Deran las enzimas con mayor controlsobre la va. Con base en estos datos,sobreexpresaron las enzimas propues-tas como regulatorias. Los resultados

mostraron que al sobreexpresar a laALA-D se registraba un aumento desu producto PBG mientras que alsobreexpresar a la siguiente enzima(PBG-D), la concentracin de esteintermediario disminua. Esto fueinterpretado por los autores como unaevidencia del papel regulatorio deambas enzimas. Cuando la ALA-D yla PBG-D se sobreexpresaronsimultneamente, la concentracin deporfirinas aument sugiriendo queexista otro paso regulatorio.

Al adicionar-ALA el efecto eramayor. Por lo tanto, los autoresobtuvieron una mutante dondesobreexpresaron las tres enzimaspropuestas (ALA-D, PBG-D y URO-D), en la cual inexplicablemente laconcentracin de porfirinas diminu-y. Es conveniente enfatizar que lacomparacin de uno solo de losparmetros cinticos, y su determina-cin solamente en las enzimaspurificadas y no en los extractos

celulares puede conducir a conclusio-nes errneas. La enzima con lacapacidad cataltica menor (la enzimams lenta) tambin puede ser laenzima con la mayor afinidad por susustrato y aquella que se expresa enmayor cantidad, y viceversa.

Por esta razn, Hoffman et al. (23)no pudieron explicar el por qu seincrementaban los niveles de porfobi-lingeno y de porfirinas al aadir-ALA al cultivo, siendo que ellosproponan que la ALA-S (y tal vez el

transportador de este intermediario)no eran sitios de control de la va. Porejemplo, la URO-D es la enzima mslenta de la va, pero tambin es la queposee mayor afinidad por su sustrato(Tabla II).

Desafortunadamente, Hoffman etal. no analizaron el efecto de sobreexpresar solamente a esta enzima sinoen combinacin con otras enzimas.Al analizar conjuntamente ambosparmetros cinticos (es decir, la

eficiencia cataltica, kcat/ Km) seobserva que la ALA-D y la PBG-Dson las menos eficientes en esta va.Al analizar los parmetros cinticosobtenidos de las enzimas en losextractos celulares (en donde seconsidera la concentracin fisiolgicade cada enzima) se observa que laALA-D es la enzima menos eficienteseguida por la PBG-D, URO-S yALA-S. Por lo tanto se espera queestas enzimas, ubicadas al inicio de lava, sean las que ejerzan mayorcontrol. Con este criterio, el resto delas enzimas al parecer no ejercerancontrol significativo.

Adems, se ha encontrado que encondiciones aerbicas, la fuente decarbono y la concentracin de

Enzima Km * kcat* eficiencia cataltica Vmax (M) (seg-1) (kcat/ Km) (nmol/min/mg) Vmax/Km

- ALA-S 2 x 10-6 1.15 5 x 105 90 0.045

ALA-D 3.6 x 10 -4 1.2 3 x 103 1.4 3.8 x 10-6

PBG-D 1.9 x 10 -5 0.5 2 x 104 0.06 3 x 10-3

URO-S 5 x 10-6 250 5 x 107 8 1.6 x 10-3

URO-D 6 x 10-9 0.021 3 x 106 2 0.33COPROX 5 x 10-8 0.10 2 x 106 9.2 0.18PROTOX 1 x 10-7 0.62 6 x 106 0.45 4.5 x 10-3

FERROC 9 x 10-8 0.39 4 x 106 41 0.45

* Hoffman et al., 2003. Valores basados en los datos cinticos de las enzimas en extractos celulares de S. cerevisiae. Estos valoresfueron tomados de referencias que fueron omitidas por razones de presentacin.

Valores obtenidos en Euglena gracilis.Los valores de Vmax/Km fueron simplificados por un factor comn de 1 x 10-9.

* Hoffman et al., 2003. Valores basados en los datos cinticos de las enzimas en extractos celulares de S. cerevisiae. Estos valoresfueron tomados de referencias que fueron omitidas por razones de presentacin.

Valores obtenidos en Euglena gracilis.Los valores de Vmax/Km fueron simplificados por un factor comn de 1 x 10-9.

19

TABLA II

PARMETROS CINTICOS DE LAS ENZIMAS EN LABIOSNTESIS DEL GRUPO HEMO EN LEVADURA



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oxgeno son importantes para modu-lar la sntesis del hemo. Sin embargo,al cambiar a condiciones fermentati-vas, la produccin de este compuestodisminuye a un 3 a 7%, posiblementedebido a las bajas concentraciones de

oxgeno remanentes o a que en estascondiciones el oxgeno no es elprincipal aceptor de electrones.

DESTINOS DEL GRUPO

HEMOUno de los intermediarios de lasntesis del hemo, el uroporfiringenoIII, es tambin precursor de la vitami-na B y otros derivados. La sntesis12de hemo y clorofila divergen al nivelde la protoporfirina IX, uno de los

intermediarios finales. Hemoglobi-nas, citocromos P450 y citocromostipo B tienen al protohemo comog r u p o p r o s t t i c o ( l a f e r r o -protoporfirina IX o hemo es nombra-da tambin hemo B), el cual puede sermodificado para la sntesis de hemo-citocromos A, C, D y O (Fig. 4; Ref.5). Los hemos tipo C se unen covalen-temente a la protena mediante dosenlaces tioter que se establecen entre

grupos vinilo del hemo con dosresiduos de cistena. Por otro lado, loshemos tipo A, B, D y O se unen demanera no covalente a la protena.

El hemo D es del tipo clorina en elcual se reduce un doble enlace del

tetrapirrol, posiblemente comoresultado de una hidroxilacin delhemo B. EnE. coli se ha descrito lapresencia de una quinol oxidasaterminal y una catalasa/ hidroperoxi-dasa que poseen hemo D como grupoprosttico. Sin embargo, tambin sehan obtenido datos cristalogrficos enla catalasa de este organismo quemostraron la presencia de hemo B,sugiriendo que la modificacin paraconvertirse en hemo D se puede llevara cabo cuando ya se ha asociado a la

protena. Tambin se ha descrito a unhemo D1 que funge como grupoprosttico de un tipo de nitritoreductasa presente en algunasespecies bacterianas (Fig. 1) y el cual,a diferencia del hemo D, posee dosanillos insaturados (Fig. 4).

Para la sntesis del hemo O, elgrupo vinilo en la posicin 3 del hemoB se reemplaza por un grupo farnesil-hidroxietilo. La biosntesis del hemo

A inicia con la farnesilacin de ungrupo vinilo en el carbono 2 del anillode la porfirina del hemo B por lafarnesil transferasa codificada por elgen COX10. Posteriormente, el hemofarnelisado se hidroxila por medio de

un complejo compuesto por Cox15p,ferredoxina y ferredoxina reductasa.La conversin del producto resultantea hemo A requiere la oxidacin delgrupo metilo en el carbono 8 del hemoB (24) aunque la enzima responsableno ha sido caracterizada.

IMPLICACIONES

BIOTECNOLGICAS Y

CLNICAS DE LA BIOSNTESIS

DEL GRUPO HEMO

Las porfirinas se han utilizado comoterapia contra el cncer debido a quegeneran especies reactivas de oxgenoy conducen a la muerte celular, siendoms susceptible la clula tumoral.

Para esto, el compuesto-ALA,de origen bacteriano, es administradocon el objetivo de obtener unaacumulacin de porfirinas (25).Recientemente, el descubrimiento enalgunas cianobacterias de tetrapirro-les atpicos los cuales tienen propieda-

des citotxicas, tambin puedenconsiderarse como una posibleherramienta para la terapia contra elcncer (26).

Por otra parte, se han obtenidodatos sobre la sntesis de protoporfiri-nas asociadas a zinc en lugar de ahierro en respuesta a la deplecin dehierro o a la presencia de plomo (queinhibe a la ferroquelatasa). Estoscompuestos (Zn-PP) se han adminis-trado a pacientes con el objetivo decontrolar la formacin de bilirrubina

(producto de la degradacin del grupohemo) en neonatos que padecen dehiperbilirrubinemia (27).

Las porfirias son padecimientosdesarrollados por alteraciones en labiosntesis del hemo ocasionando laacumulacin de porfirinas o de susprecursores. El entendimiento de lafuncin y la bioqumica de lasenzimas puede permitir evaluar lossitios de control metablico de la vaayudando al diseo racional de

FIGURA 4.Destinos del grupo hemo. Tomado de Thny- Meyer (5).

Hemo B Hemo C Hemo D

Hemo D1Hemo O Hemo A



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frmacos para contrarrestar estasenfermedades. Sin embargo, esdifcil explorar las enzimas demamferos por su resistencia a latecnologa del DNA recombinante y aque estn asociadas a la membrana.

De esta manera, la utilizacin delas contrapartes procariontes es unaherramienta til para la investigacinbsica y aplicada.

Uno de los principales productosgenerados por procesos biotecnolgi-

cos es la vitamina B , donde la12mayora de los pasos son comunes a labiosntesis del hemo. Recientementese han desarrollado estrategias dondela sobreexpresin de la enzima inicialincrement la sntesis de esta vitamina

para su uso comercial (28).Los citocromos P450 son tambinmuy importantes para el metabolismobacteriano y de clulas eucariontes yaque participan en la monooxigenacinde una amplia variedad de sustratos,

en la sntesis de esteroides y enprocesos de destoxificacin. Sinembargo, existen limitaciones debidoa la complejidad de su funcionamien-to, su baja actividad y estabilidad, porlo que su desarrollo biotecnolgico se

ha enfocado, principalmente en lamodificacin y optimizacin de sufuncionamiento y de su especificidadhacia un sustrato de eleccin, utilizan-do como herramienta la ingeniera deprotenas (29).

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