La L-Aspartato 4-descarboxilasa (ASD; EC 4.1.1.12) es una enzima que cataliza la conversión del L-aspartato a L-alanina y . Esta enzima cuenta con una doble actividad, específicamente una actividad liasa y una transaminasa, cuya función principal es quitarle un grupo carboxilo a su sustrato, el L-aspartato, sintetizando de esta manera L-alanina, un aminoácido no polar. Requiere de una coenzima, el piridoxal-5-fosfato (PLP), para poder desempeñar a su vez la función de transaminasa, liberando en este proceso al metabolito oxaloacetato. Ambas actividades se encuentran ligadas con el fin de regenerar al piridoxal-5-fosfato para futuras descarboxilaciones. Esta enzima es regulada por la presencia de α-cetoácidos en la célula y la concentración de acetil-CoA.

La L-Aspartato 4-descarboxilasa controla el nivel de L-aspartato en la sangre, interviniendo así en una vía secundaria de producción de L-alanina ligada con las vías metabólicas de gluconeogénesis, ciclo de Cori y ciclo de la urea. Al mismo tiempo, la producción de L-alanina juega un papel importante en la regulación de glucosa en la sangre, y su carencia puede desembocar en las hipoglucemias en pacientes diabéticos y en la Enfermedad de Pompe.

Historia Los estudios de la L-Aspartato 4-descarboxilasa empezaron en la década de los 1950, fue descubierta por Alton Meister, Herbert A. Sober y Sarah V. Tice, que publicaron sus hallazgos en The Journal of Biological Chemistry con el artículo “Enzymatic decarboxylation of aspartic acid to α-alanine” en 1951.

En su publicación, resumieron que:

1. Células de Clostridium welchii (cepa SR 12) y preparaciones libres de células obtenidas de este organismo, catalizan la descarboxilación cuantitativa del grupo β-carboxilo del ácido aspártico para producir L-alanina.

2. La descarboxilación del ácido aspártico es acelerado por una baja concentración de α-cetoácidos así como por piridoxal-5-fosfato.

3. Una preparación de enzima libre de células, que se irradió con luz ultravioleta, exhibió baja actividad cuando se añadió fosfato de piridoxamina y piruvato, por separado; por otro lado, se observó un aumento significativo en la actividad enzimática cuando éstos se añadieron juntos o cuando estaba en presencia de fosfato de piridoxal.

4. Estudios cromatográficos con piruvato radiactivo indicaron que las células de C. welchii catalizan la transaminación entre fosfato de piridoxamina y piruvato, produciendo L-alanina y, presumiblemente, fosfato de piridoxal. Meister, A., Sober, H. A., & Tice, S. V. (1951). Descarboxilación enzimática de ácido aspártico a la alfa-alanina. J. Biol. Chem, 189, 577–590.

Después, en la década de 1960, Abraham Novogrodsky, Jonathan S. Nishimura y Alton Meister descubrieron el potencial de esta enzima como transaminasa. En el artículo “La transaminación y beta-descarboxilación de aspartato catalizada por la misma fosfato de piridoxal-enzima”, publicado en el mismo Journal, concluyeron que “es notable de esta enzima que el mismo sitio activo participe en dos reacciones, una de ellas hace posible la destrucción -o regeneración- de la coenzima necesaria para la otra; tal fenómeno puede ser un significativo mecanismo de control metabólico. Pudiese ser de interés investigar si otras enzimas derivadas de la vitamina B6 se inactivan por su substrato de esta manera y si la inactivación puede ser inhibida por α-cetoácidos”. Novogrodsky, A., Nishimura, J.S., and Meister, A. (1963). La transaminación y beta-descarboxilación de aspartato catalizada por la misma fosfato de piridoxal-enzima. J. Biol. Chem. 238, 1903–1905.

En lo que va del , se clonaron y expresaron las L-Aspartato 4-descarboxilasa de Alcaligenes faecalis CCRC 11585 y Pseudomonas ATCC 19121; Chen, C.C., Chou, T.L., and Lee, C.Y. (2000). Clonación, expresión y caracterización del gen de b-descarboxilación del L-aspartato de Alcaligenes faecalis CCRC11585. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 25, 132–140. Wang, N.C., and Lee, C.Y. (2006). La clonación molecular del gen de la L-aspartato 4-descarboxilasa de Pseudomonas sp. ATCC 19121 y caracterización de la enzima recombinante bifuncional. Appl. Microbiol. Biotechnol. 73, 339–348. se identificó, por comparación de secuencias, la lisina del sitio activo; se modeló el dominio de unión del piridoxal-5-fosfato usando la aminotransferasa como templete. Wang, N.C., Ko, T.P., and Lee, C.Y. (2008). S298R inactivo desmonta la L-aspartato 4-descarboxilasa dodecámero en dímeros. Biochem. Biophys. Res. Commun. 374, 134–137.

En 2009, Hui-Ju Chen, Tzu-Ping Ko, Chia-Yin Lee, Nai-Chen Wang y Andrew H.-Wang publicaron un artículo en Cell Press titulado “Estructura, Ensamblaje, y Mecanismo de una L-aspartato b-descarboxilasa dependiente de PLP.” donde le dedican 13 páginas a un compendio de la investigación que se ha hecho sobre esta enzima, incluida la suya propia. En ésta, denotan que cada enzima (ASDA y ASDP) tiene en su extremo C-terminal una marca en el residuo 6 de His que facilita la eficiente purificación, manteniendo íntegro el dodecámero y su actividad enzimática. Gracias a su investigación más reciente, se determinó la estructura atómica tridimensional de la enzima usando el método de Difracción Anómala Múltiple (MAD, por sus siglas en inglés), que reveló la conformación dodecamérica con una simetría tetrahédrica truncada. Chen, H. J. ., Ko, T.P., Lee, C.Y., Wang, N.C.,1,3 and Wang, A. H. (2009). Estructura, Ensamblaje, y Mecanismo de una L-aspartato b-descarboxilasa dependiente de PLP. Structure 17, 517–529.

Características La holoenzima está compuesta por 6 dímeros cuyas subunidades son idénticas. El dodecámero es estable a pH bajo, de manera que a medida que va subiendo, se disocia en dímeros, que funcionalmente son inactivos. Bowers, W.F., Czubaroff, V.B., and Haschemeyer, R.H. (1970). Estructura de la subunidad de L-aspartato beta-descarboxilasa de Alcaligenes faecalis. Biochemistry 9, 2620–2625.

Cada subunidad tiene un peso molecular de aproximadamente 60 kDa y necesita como coenzima esencial a un piridoxal 5-fosfato; la enzima también cataliza reacciones de β-eliminación para los análogos del L-aspartato. Tate, S.S., and Meister, A. (1970). Regulación y estructura la subunidad de aspartato beta-descarboxilasa. Los estudios sobre las enzimas de Alcaligenes faecalis y Pseudomonas dacunhae. Biochemistry 9, 2626–2632. Tate, S.S., and Meister, A. (1971). L-aspartato-beta-descarboxilasa: estructura, actividades catalíticas y regulación alostérica. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 35, 503–543.

Pertenece al tipo I de las enzimas que tienen como co-factor al piridoxal 5' fosfato, de manera que el dominio al que se une piridoxal 5' fosfato tiene una hoja β central, rodeada de varias hélices α. La característica clave para la catálisis de este tipo de enzimas es la conjugación de los dobles enlaces de la base de Schiff del substrato y del anillo de piridoxal Dunathan, H.C. (1966). Conformación y especificidad de la reacción de las enzimas que utilizan fosfato de piridoxal. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 55, 712–716.

thumb|Esquema para la β-descarboxilación y transaminación del aspartato; PLP, piridoxal 5’ fosfato; PMP, piridoxamina 5’ fosfato; ENZ, enzima.

El mecanismo de la ß-descarboxilación y transaminación del L-aspartato se explica solo si la enzima realiza estas dos reacciones por la unión de una base de Schiff. La descarboxilación ocurre en la ruta A, mientras la hidrólisis de la base de Schiff ocurre a una menor velocidad en la ruta B. La pérdida de la actividad de descarboxilación ocurre mientras aumenta la cantidad de coenzima convertido en la forma piridoxamina (VI); la hidrólisis de III o IV podría resultar en VI. La activación por α-cetoácidos puede deberse a la reacción de VI con cetoácidos para formar la unión fosfato de piridoxal-enzima (I). La inhabilidad de los cetoácidos para reactivar la enzima incubada con L-aspartato y otros L-aminoácidos se debe a la disociación del fosfato de piridoxamina de la enzima; la activación por fosfato de piridoxal se puede atribuir a la constitución de la apoenzima así formada. La disociación del fosfato de piridoxamina se acelera por altas concentraciones de la solución buffer, que también hace que disminuya la afinidad de la enzima por el cetoácido.

En la industria, la L-Aspartato 4-descarboxilasa de Pseudomonas dacunhae ha sido usada para obtener L-alanina a partir de L-aspartato, Chibata, I., Kakimoto, T., and Kato, J. (1965). Producción enzimática de L-alanina por Pseudomonas dacunhae. Appl. Microbiol. 13, 638–645. para facilitar la separación de D-aspartato de la mezcla racémica obtenida de la reacción de ácido fumárico y amoníaco, Rozzell, J.D. (1991). Método y composiciones para la producción de L-alanina y derivados de los mismos. US Patent No. 5019509. para fabricar antibióticos con D-aspartato y aditivos alimentarios con L-alanina.

Nombre UIB-BM El Comité de Nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (NC-IUBMB, por sus siglas en inglés), nombró a la Comisión de Enzimas en 1961, para que creara un sistema de clasificación sobre la base de nombres y números (EC), en donde se recomienda que la clasificación y nomenclatura de las enzimas se rijan por las reacciones que catalizan.

El primer principio general de estas recomendaciones es que los nombres que quieran ser dados a las enzimas, sobre todo los que terminan en -asa, sean usados solo para enzimas individuales, no para complejos de enzimas.

El segundo principio general dice que la reacción química catalizada es la propiedad específica que distingue a una enzima de otra y que es lógico usarla como base para su nombre y clasificación.

En el tercer principio general se adopta la división de las enzimas en grupos con base en la reacción que catalizan y el nombre del substrato, para proporcionar los nombres individuales a las enzimas y su respectivo número.Comité de Nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular. Recuperado de:http://www.chem.qmul.ac.uk el 03-diciembre-2013

Los números contienen 4 elementos separados por un punto entre ellos, su significado es el siguiente:

(1) El primer número muestra la primera clase a la que pertenece la enzima (oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, ligasas).

(2) El segundo número está determinado por su subclase.

(3) El tercer número es la sub-subclase.

(4) El cuarto número es el número de la enzima en su sub-subclase.

EC 4.1.1.12 (4) Liasa. Puede romper enlaces C-C, C-O, C-N y otros enlaces por eliminación, produciendo dobles enlaces, anillos o añadiendo grupos donde hay dobles enlaces.

(1) Rompen enlaces carbono-carbono.

(1) Carboxi-liasas.

(12) L-Aspartato 4-descarboxilasa.

Estructura y Secuencia Estructura Primaria No está caracterizada la estructura primaria de L-Aspartato 4-descarboxilasa en homo sapiens (hsa), pero sí lo está en Alcaligenes faecalis CCRC 11585 y Pseudomonas ATCC 19121.

ASD-A y ASD-P difieren en longitud por 2 aminoácidos. Thr70 se considera una deleción en ASD-P. Cada uno de los modelos polipeptídicos contiene una molécula piridoxal-5-fosfato que está enlazada covalentemente con la cadena lateral de la Lys315.

Estructura Secundaria

Gráfico de Ramachandran Con el Gráfico de Ramachandran se puede aproximar la estructura secundaria de la enzima, ya que las combinaciones de los ángulos phi y psi son especiales para cada estructura. La conformación se define mediante la asignación de valores para cada ángulo phi (Φ) y psi (Ψ), para cada aminoácido.Electron Density Server. Uppsala Universitet. Recuperado de:http://eds.bmc.uu.se/cgi-bin/eds/rama?pdbCode=2zy4&ramaServer=YES el 03-diciembre-2013