Leadzima - Leadzyme

Estructura secundaria de una secuencia de plomozima obtenida usando mfold. Consiste en un bucle interno asimétrico formado por seis nucleótidos. La flecha indica el sitio de escisión.

La figura muestra representaciones de dibujos animados del suelo y las conformaciones precatalíticas de la plomozima. Las esferas verdes representan iones Mg ²⁺ y las esferas rojas representan iones Sr2 +. Figura renderizada en pymol usando coordenadas del archivo pdb 1NUV.

Leadzyme es una pequeña ribozima (ARN catalítico), que cataliza la escisión de un enlace fosfodiéster específico . Se descubrió mediante un estudio de evolución in vitro en el que los investigadores seleccionaban ARN que se escindían específicamente en presencia de plomo . Sin embargo, desde entonces, se ha descubierto en varios sistemas naturales. Se encontró que Leadzyme es eficiente y dinámico en presencia de concentraciones micromolares de iones de plomo . A diferencia de otras ribozimas pequeñas que se autoescinden , otros iones metálicos divalentes no pueden reemplazar al Pb ²⁺ en la leadzima. Debido al requisito obligatorio de un plomo, la ribozima se llama metaloribozima.

Leadzyme se ha sometido a una extensa caracterización bioquímica y estructural. La estructura secundaria mínima de la plomozima es sorprendentemente muy simple. Comprende un bucle interno asimétrico compuesto por seis nucleótidos y una región helicoidal a cada lado del bucle interno. El sitio de escisión de la leadzima se encuentra dentro de un bucle interno asimétrico de cuatro nucleótidos de largo que también consta de hélices de ARN en ambos lados. Esto se muestra en la figura superior a la derecha, que es la estructura secundaria de la leadzima generada usando mfold. Las estructuras de la leadzima también se han resuelto mediante cristalografía de rayos X y RMN. Las estructuras cristalinas de las dos conformaciones de leadzima se muestran en la figura inferior a la derecha.

Mecanismo catalítico de la leadzima.

Se cree que Leadzyme realiza la catálisis mediante un mecanismo de dos pasos. En el primer paso de la reacción, el enlace fosfodiéster se escinde en dos productos: el producto 5 'que termina en fosfato cíclico 2'3' y el producto 3 'en hidroxilo 5'. Este paso es similar a otras pequeñas ribozimas autodescindibles como la ribozima Hammerhead y la ribozima HDV . Ambas ribozimas generan un producto que contiene un fosfato cíclico 2 ', 3'. Sin embargo, en leadzyme este producto es solo un intermedio. En el segundo paso de esta vía de reacción, el fosfato cíclico 2 '3' sufre hidrólisis para formar monofosfato 3 '. Este modo de catálisis es similar al funcionamiento de las ribonucleasas (proteínas) en lugar de a cualquier ribozima pequeña que se separa por sí misma.

Se cree que la plomozima tiene una estructura muy dinámica. Muchos estudios, incluidos RMN , cristalografía de rayos X y modelado molecular, han revelado estructuras ligeramente diferentes. Recientemente, utilizando espectroscopía de resolución temporal , se demostró que el sitio activo de la plomozima es muy dinámico. Muestra muchas conformaciones diferentes en solución y que el delta G de la interconversión entre diferentes conformaciones es muy bajo. De acuerdo con estos estudios, una estructura cristalina de alta resolución también reveló dos conformaciones distintas de la leadzima con diferentes sitios de unión para Mg ²⁺ y Sr ²⁺ ( sustitutos de Pb ²⁺ ) en las dos conformaciones. En el estado fundamental, la leadzima se une a un solo ion Sr ²⁺ en los nucleótidos G43, G45 y A45. Este sitio de unión está lejos del enlace escindible (sitio de escisión) y, por lo tanto, no explica la participación del Pb ²⁺ en la catálisis. Sin embargo, en la segunda conformación, denominada estado "precatalítico", la ribozima muestra dos sitios de unión de Sr ²⁺ . G43 y G42 interactúan con un Sr ²⁺ mientras que el segundo Sr ²⁺ interactúa con A45, C23 y G24. Este segundo sitio de unión de Sr ²⁺ también interactúa potencialmente con el 2'-OH del C23 a través de una molécula de agua. Este segundo sitio de unión explica cómo el Pb ²⁺ podría facilitar la catálisis al abstraer el protón 2-OH y prepararlo para un ataque nucleófilo en línea sobre el fosfato escindible. Esto también está respaldado por el hecho de que la reacción de la leadzima depende del pH. Por tanto, el Pb ²⁺ podría estar actuando como un ácido de Lewis y activando el 2-OH de C23. La estructura cristalina es consistente con un mecanismo de iones de dos metales que se ha propuesto para la catálisis de plomozima.

Toxicidad por plomo a través de la enzima de plomo

Los metales tóxicos como el plomo son peligros para el medio ambiente y la salud y pueden ingresar a los sistemas biológicos tras la exposición. El plomo es un metal persistente y puede acumularse en el cuerpo humano con el tiempo debido a su uso frecuente en industrias y presencia en nuestro medio ambiente. La inhalación de plomo puede tener efectos que van desde síntomas sutiles hasta enfermedades graves. Es posible que la presencia de plomo en nuestros sistemas biológicos pueda inducir la catálisis por iones de plomo. Dado que la plomozima es un motivo relativamente simple , es decir, tiene un pliegue simple, parece que hay muchas secuencias en los genomas de muchos sistemas naturales que pueden potencialmente plegarse en una estructura de plomozima. Una simple búsqueda de este motivo de ARN en los genomas de humanos, Drosophila melanogaster , Caenorhabditis elegans y Arabidopsis thaliana reveló que, en promedio, este motivo está presente con una frecuencia de 2-9 motivos para 1 Mbp de secuencia de ADN. También demostraron que el motivo leadzyme es muy común en las secuencias de ARNm de estos organismos. Por lo tanto, estas secuencias podrían potencialmente auto-escindirse en presencia de iones de plomo. El direccionamiento de estos motivos de ARN por el plomo en los ARNm y otros ARN puede explicar la toxicidad mediada por plomo que da como resultado la muerte celular.

Referencias

Otras lecturas

• Pantalón.; Uhlenbeck, OC (1992). "Una pequeña metaloribozima con un mecanismo de dos pasos". Naturaleza . 358 (6387): 560–563. Código Bibliográfico : 1992Natur.358..560P . doi : 10.1038 / 358560a0 . PMID  1501711 . S2CID  4361511 .
• Pantalón.; Uhlenbeck, OC (1992). "Selección in vitro de ARN que se someten a escisión autolítica con plomo (2+)". Bioquímica . 31 (16): 3887–3895. doi : 10.1021 / bi00131a001 . PMID  1373649 .
• Barciszewska, MZ; Wyszko, E .; Calvo, R .; Erdmann, VA; Barciszewski, J. (2003). "5S rRNA es una Leadzyme. Una base molecular para la toxicidad del plomo". Revista de bioquímica . 133 (3): 309–315. doi : 10.1093 / jb / mvg042 . PMID  12761166 .
• Kikovska, E .; Mikkelsen, N.-E .; Kirsebom, LA (2005). "El ARN ribozima RNasa P de acción trans natural tiene propiedades de plomozima" . Investigación de ácidos nucleicos . 33 (21): 6920–6930. doi : 10.1093 / nar / gki993 . PMC  1310964 . PMID  16332695 .
• Barciszewska, MZ; et al. (2005). "Toxicidad del plomo a través de la leadzima". Investigación de mutaciones / revisiones en la investigación de mutaciones . 589 (2): 103-110. doi : 10.1016 / j.mrrev.2004.11.002 . PMID  15795164 .
• Wedekind, JE; McKay, DB (1999). "Estructura cristalina de una ribozima dependiente de plomo que revela sitios de unión de metales relevantes para la catálisis". Biología estructural de la naturaleza . 6 (3): 261–268. doi : 10.1038 / 6700 . PMID  10074945 . S2CID  23837 .
• Hoogstraten, CG; Legault, P .; Pardi, A. (1998). "Estructura de la solución de RMN de la ribozima dependiente de plomo: evidencia de la dinámica en la catálisis de ARN". Revista de Biología Molecular . 284 (2): 337–350. doi : 10.1006 / jmbi.1998.2182 . PMID  9813122 .
• Wedekind, JE; McKay, DB (2003). "Estructura cristalina de la Leadzima a una resolución de 1.8 Å: Unión de iones metálicos y las implicaciones para el mecanismo catalítico y la regulación de iones del sitio Allo †". Bioquímica . 42 (32): 9554–9563. doi : 10.1021 / bi0300783 . PMID  12911297 .
• Ferré-D'Amaré, AR; Scott, GT (2010). "Pequeñas ribozimas autodescindibles" . Perspectivas de Cold Spring Harbor en biología . 2 (10): a003574. doi : 10.1101 / cshperspect.a003574 . PMC  2944367 . PMID  20843979 .
• Kadakkuzha, BM; Zhao, L .; Xia, T. (2009). "Distribución conformacional y dinámica de base ultrarrápida de Leadzyme". Bioquímica . 48 (18): 3807–3809. doi : 10.1021 / bi900256q . PMID  19301929 .
• Ohmichi, T .; Sugimoto, N. (1997). "Papel de Nd3 + y Pb2 + en la reacción de escisión del ARN por una pequeña ribozima †". Bioquímica . 36 (12): 3514–3521. doi : 10.1021 / bi962030d . PMID  9132001 .