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Orotidina 5'-fosfato decarboxilase

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Orotidina 5'-fosfato decarboxilase
Orotidina 5'-fosfato decarboxilase
OMP decarboxilase de E. coli.[1]
Indicadores
Número EC 4.1.1.23
Número CAS 9024-62-8--
Bases de dados
IntEnz IntEnz
BRENDA BRENDA
ExPASy NiceZyme
KEGG KEGG
MetaCyc via metabólica
PRIAM PRIAM
Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO / EGO


Orotidina 5'-fosfato decarboxilase (OMP decarboxilase, sendo OMP abreviação do termo em inglês orotidine 5'-phosphate decarboxylase) ou orotidilato decarboxilase é uma enzima envolvida na biossíntese da pirimidina. Ela catalisa a decarboxilação de monofosfato de orotidina (OMP) para formar monofosfato de uridina (UMP). A função desta enzima é essencial para a biossíntese de novo dos nucleotídeos de pirimidina trifosfato de uridina, trifosfato de citidina e trifosfato de timidina. OMP decarboxilase tem sido um alvo frequente de investigação científica devido à sua extrema eficiência catalítica demonstrada e sua utilidade como um marcador de seleção para engenharia de cepas de levedura.

Esquema da reação catalisada pela OMP descarboxilase

Catálise

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OMP decarboxilase é conhecido por ser um catalisador extraordinariamente eficiente capaz de acelerar a taxa de reação não catalisada por um fator de 1017. Para colocar isso em perspectiva, a reação não catalisada que levaria "78 milhões de anos" para converter metade dos reagentes em produtos é acelerada para "18 milissegundos" quando catalisada pela OMP descarboxilase.[2] Essa extrema eficiência enzimática é especialmente interessante porque as OMP descarboxilases não usam cofatores e não contêm sítios metálicos[3] ou grupos protéticos.[4] A catálise depende de um punhado de resíduos carregados de aminoácidos posicionados dentro do sítio ativo da enzima.

Imagem representando a estrutura do sítio ativo da OMP descarboxilase quando ligada ao inibidor BMP. Observe os resíduos Lys e Asp ao redor do 6-hidroxil do substrato. (Imagem capturada do instantâneo do visualizador PyMOL da estrutura cristalina 1LOR)[5]

O mecanismo exato pelo qual a OMP descarboxilase catalisa sua reação tem sido objeto de rigorosa investigação científica. A força motriz para a perda da carboxila ligada ao C6 do anel pirimidina vem da proximidade de um grupo carboxila do resíduo aspartato no sítio ativo da enzima, que desestabiliza o estado fundamental em relação ao estado de transição da reação não catalisada. Houve várias hipóteses sobre a forma que o estado de transição toma antes que a protonação do carbono C6 ocorra para produzir o produto final. Muitos estudos investigaram a ligação de um potente inibidor da OMP descarboxilase, monofosfato de 6-hidroxi uridina (BMP, um derivado de [[ácido barbitúrico), dentro do sítio ativo, para identificar quais resíduos de aminoácidos essenciais estão diretamente envolvidos com a estabilização do estado de transição. (Veja a figura da enzima ligada a BMP) Vários mecanismos para a descarboxilação enzimática de OMP foram propostas, incluindo a protonação em O2 para formar uma espécie zwitteriônica como um intermediário,[6] a estabilização de ânion de O4,[7] ou ataque nucleofílico em C5.[8] O consenso atual sugere que o mecanismo prossegue através de um carbânion estabilizado no C6 após a perda de dióxido de carbono. Este mecanismo foi sugerido a partir de estudos que investigaram os efeitos cinéticos dos isótopos em conjunto com a inibição competitiva e a mutagênese do sítio ativo.Jeehiun K Lee, Dean J Tantillo (25 de junho de 2004). Orotidine Monophosphate Decarboxylase: A Mechanistic Dialogue. [S.l.: s.n.] ISBN 9783540205661 </ref>[9][10][11] Neste mecanismo, a espécie de carbânion de vida curta é estabilizada por um resíduo de lisina próximo, antes de ser extinta por um próton. (Veja o esquema do mecanismo catalítico) A intermediação de um carbânion de vinil altamente básico que não se beneficia de estabilização eletrônica é rara em um sistema enzimático e em sistemas biológicos em geral. Notavelmente, o microambiente enzimático ajuda a estabilizar consideravelmente o carbânion. O pKaH do intermediário carbaniônico ligado à enzima foi medido como sendo menor ou igual a 22 com base em estudos de troca de deutério. Embora ainda altamente básico, o correspondente pKaH do intermediário carbaniônico livre é estimado ser muito maior, em torno de 30-34 (com base em medições no análogo 1,3-dimetiluracilo), levando à conclusão de que a enzima estabiliza o carbânion em pelo menos 14 kcal/mol.[11]

Esquema de reação mostrando o mecanismo de catálise da OMP descarboxilase através de um carbânion vinil putativo na posição C6. Este carbânion provavelmente é estabilizado pelo resíduo de lisina protonado próximo. Os resíduos Lys93 e Asp91 a numeração corresponde à sequência para OMP descarboxilase de S. cerevisiae.[12]

Vs UMP sintase

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Em leveduras e bactérias, OMP descarboxilase é uma enzima de função única. Entretanto, em mamíferos, OMP decarboxilase faz parte de uma única proteína com duas atividades catalíticas. Esta enzima bifuncional é denominada UMP sintase e também catalisa a reação anterior na biossíntese de nucleotídeos de pirimidina, a transferência de ribose 5-fosfato de 5-fosforribosil-1-pirofosfato a orotato para formar OMP. Em organismos que utilizam OMP descarboxilase, esta reação é catalisada por orotato fosforribosiltransferase.[13]

Importância na genética de leveduras

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Mutações no gene que codifica OMP descarboxilase em levedurs (URA3) leva à auxotrofia em uracila. Além disso, uma função OMP descarboxilase torna as cepas de levedura sensíveis à molécula ácido 5-fluoroorótico (5-FOA).[14] O estabelecimento do gene URA3 como um marcador de seleção com estratégias de seleção positiva e negativa tornou a expressão controlada da OMP descarboxilase uma ferramenta laboratorial significativa para a investigação da genética de leveduras..

Referências

  1. ↑ PDB 1EIX; Harris P, Navarro Poulsen JC, Jensen KF, Larsen S (Abril 2000). «Structural basis for the catalytic mechanism of a proficient enzyme: orotidine 5'-monophosphate decarboxylase». Biochemistry. 39 (15): 4217–24. PMID 10757968. doi:10.1021/bi992952r 
  2. ↑ Radzicka A, Wolfenden R (Janeiro 1995). «A proficient enzyme». Science. 267 (5194): 90–3. PMID 7809611. doi:10.1126/science.7809611 
  3. ↑ Miller BG, Smiley JA, Short SA, Wolfenden R (Agosto 1999). «Activity of yeast orotidine-5'-phosphate decarboxylase in the absence of metals». J. Biol. Chem. 274 (34): 23841–3. PMID 10446147. doi:10.1074/jbc.274.34.23841Acessível livremente 
  4. ↑ Miller BG, Wolfenden R (2002). «Catalytic proficiency: the unusual case of OMP decarboxylase». Annu. Rev. Biochem. 71: 847–85. PMID 12045113. doi:10.1146/annurev.biochem.71.110601.135446 
  5. ↑ Wu N, Pai EF (Agosto 2002). «Crystal structures of inhibitor complexes reveal an alternate binding mode in orotidine-5'-monophosphate decarboxylase». J. Biol. Chem. 277 (31): 28080–7. PMID 12011084. doi:10.1074/jbc.M202362200Acessível livremente 
  6. ↑ Beak P, Siegel B (1976). «Mechanism of decarboxylation of 1,3-dimethylorotic acid. A model for orotidine 5'-phosphate decarboxylase». J Am Chem Soc. 98 (12): 3601–6. PMID 1270703. doi:10.1021/ja00428a035 
  7. ↑ Lee JK, Houk KN (Maio 1997). «A proficient enzyme revisited: the predicted mechanism for orotidine monophosphate decarboxylase». 276 (5314): 942–5. PMID 9139656. doi:10.1126/science.276.5314.942 
  8. ↑ Silverman, R.B.; Groziak, M.P. (1982). «Model Chemistry for a Covalent Mechanism of Action of Orotidine 5'-Phosphate Decarboxylase». J. Am. Chem. Soc. 104 (23): 6434–6439. doi:10.1021/ja00387a047 
  9. ↑ Richavy MA, Cleland WW (2000). «Determination of the Mechanism of Orotidine 5'-Monophosphate Decarboxylase by Isotope Effects». Biochemistry. 39 (16): 4569–4574. PMID 10769111. doi:10.1021/bi000376p 
  10. ↑ Toth K, Amyes TL, Wood BM, Chan K, Gerlt JA, Richard JP (Outubro 2007). «Product Deuterium Isotope Effect for Orotidine 5'-Monophosphate Decarboxylase: Evidence for the Existence of a Short-Lived Carbanion Intermediate». J. Am. Chem. Soc. 129 (43): 12946–7. PMC 2483675Acessível livremente. PMID 17918849. doi:10.1021/ja076222f 
  11. ↑ a b Amyes TL, Wood BM, Chan K, Gerlt JA, Richard JP (Fevereiro 2008). «Formation and Stability of a Vinyl Carbanion at the Active Site of Orotidine 5′-Monophosphate Decarboxylase: pKa of the C-6 Proton of Enzyme-Bound UMP». J. Am. Chem. Soc. 130 (5): 1574–5. PMC 2652670Acessível livremente. PMID 18186641. doi:10.1021/ja710384t 
  12. ↑ Van Vleet JL, Reinhardt LA, Miller BG, Sievers A, Cleland WW (Janeiro 2008). «Carbon isotope effect study on orotidine 5'-monophosphate decarboxylase: support for an anionic intermediate». Biochemistry. 47 (2): 798–803. PMID 18081312. doi:10.1021/bi701664n 
  13. ↑ Yablonski MJ, Pasek DA, Han BD, Jones ME, Traut TW (1996). «Intrinsic activity and stability of bifunctional human UMP synthase and its two separate catalytic domains, orotate phosphoribosyltransferase and orotidine-5'-phosphate decarboxylase». J Biol Chem. 271 (18): 10704–10708. PMID 8631878. doi:10.1074/jbc.271.18.10704Acessível livremente 
  14. ↑ Boeke JD, LaCroute F, Fink GR (1984). «A positive selection for mutants lacking orotidine-5'-phosphate decarboxylase activity in yeast: 5-fluoro-orotic acid resistance». Mol Gen Genet. 197 (2): 345–346. PMID 6394957. doi:10.1007/BF00330984 
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