Caracterización bioquímica de complejos multienzimáticos de rutas metabólicas involucradas en la síntesis de la pared celular

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M . en C. Manuel Terrazas López

Caracterización bioquímica de complejos multienzimáticos de rutas metabólicas involucradas en la síntesis de la pared celular

Bioquímica - Fisicoquímica - Enzimología - Estructura - Función - Dinámica - Evolución -

Scene 2 (17s)

Sabías que…

Gracias al desarrollo de técnicas de cristalografía de rayos X y criomicroscopía electrónica se ha demostrado que dentro de la célula, las biomacromoléculas forman una compleja red de interacciones proteína - proteína que le provee flexibilidad metabólica hasta alcanzar un nivel de homeóstasis ante diversas situaciones en las cuales se ve involucrada

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Scene 3 (57s)

Ciencias maduras: Proteína-Función

Bioquímica

Biología estructural

Biofísica

Biología celular

Biología m olecular

Un sin fin de funciones moleculares han sido atribuidas a proteínas individuales a través de ciencias maduras

Normalmente actúan en reacciones simultaneas

De Las Rivas, (2010). PLos Computational Biology

abstract

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En extraños casos las proteínas actúan de manera individual

Scene 4 (1m 37s)

El flujo de la información de un gen a una función metabólica

Glutamato

Citrulina

Arginosuccinato

Ornitina

Arginina

arg F

arg E

arg G

arg H

Visión clásica :

Beadle & Tatum , (1941 ). PNAS

ArgF

ArgE

ArgG

ArgH

Un gen

Una proteína

Una función

Los intermediarios difunden de una enzima a otra

Reacciones secuenciales

Reacciones discontinuas

Scene 5 (2m 33s)

Mapa metabólico

Reacciones bioquímicas ocurren de manera simultánea

Sweetlove, (2018). Nature Communications

Archivo:Metabolic Metro Map - es.svg

Procesamiento de fuentes de energía

Síntesis de precursores de componentes estructurales y defensa química

No contempla visión actual: IPP

Scene 6 (3m 13s)

El flujo de la información de un gen a una función metabólica

Sustrato

Int 2

Int 3

Int 1

Producto

genB

gen A

genC

genD

Visión multidominios catáliticos:

Srere , (1985). Trends in Biochemical Sciences

EnzB

EnzA

EnzC

EnzD

Unos genes

Unas proteínas

Una función global

Un complejo multiproteíco

Los intermediarios se canalizan de una enzima a otra dentro del complejo

Reacciones continuas

Reacciones secuenciales concomitantes

Compartamentalización

Scene 7 (3m 59s)

M etabolón

Es la organización supramolecular transitoria y dinámica de una ruta metabólica

Srere, (1985). Trends in Biochemical Sciences ; Zhang, (2017). Nature Communications ; Kuzmak , (2019). Scientific Reports

Ventajas fisiológicas: Control del flujo de algunas vías metabólicas Transporte eficiente de sustratos entre sitios activos Estabilidad a enzimas individuales Producción y difusión rápida de sustratos Flexibilidad metabólica: Adaptación

Compartamentalización multienzimática 1) No membranosa 2) Reacción segura 3) Producto disponible

Sustrato 1 1 1 1 Andamio Multimero 1 1 Producto Membrana 21 Elemento estructural (e.g. Actina)

Scene 8 (5m 23s)

Metabolones reportados experimentalmente

Referencia Rutas de biosíntesis durrina ( Jørgensen , 2005); ( Laursen , 2016) fenilpropanoide ( Bassard , 2012); ( Achnine , 2004) flavonoides ( Burbulis , 1999); (Crosby, 2011) isoflavonoides ( Dastmalchi , 2016; ( Waki , 2016) subunidades de esporopollenina ( Lallemand , 2013) ácidos amargos (Li, 2015) lípidos (Kwiatkowska, 2015) espermina/espermidina (Panicot, 2002) auxina (Hayashi, 2014); (Hawes, 2015); (Kriechbaumer, 2016) colesterol (Luu, 2015) purinas de novo (Kyoung, 2015) prolina (Arentson, 2013) Complejo fotosintético ( Szecowka , 2013) Ciclos de Krebs (Wu, 2015) (Patel, 2014) (Bulutoglu, 2016) (Shatalin, 1999) de Calvin-Benson ( Graciet , 2004) de la urea ( Cheung , 1989) Catabolismo Glucolisis (Vertessy, 1987); (Clegg, 1990); (Jeon, 2018) (Araiza-Olivera, 2013)

Scene 9 (5m 49s)

Metabolones reportados experimentalmente

Bassard , (2018). Phytochemistry Reviews

mMDH Malato Ciclo de Krebs cs ACON Oxalacetato ACON Citrato mMDH Isocitrato cs

abstract

El ciclo del ácido cítrico es un eje metabólico central

Scene 10 (7m 7s)

Metabolones reportados experimentalmente

Acetyl-CoA o HO—CH citrate synthase H20 CoA-SH H2—coo- HO o t—coo- CH2—COO- Oxaloacetate malate dehydro- too- genase coo- fumarase CH2—coo- ehydratio Citrate H20 Malate dration H20 Citric acid cycle NADH aconitase c —coo- —coo- aconitase cis-Aconitate H20 2b coo- Fumarate CH coo- CH2—coo- Isocitrate succinate dehydrogenase CH2—COO- succinyl-CoA synthetase HO —C—H isocitrate coo- dehydrogenas a-ketoglutarate dehydrogenase Oxidative ecarboxylation C02 coo- Succinate CoA-SH ubstrate-level hosphorylatio Figure 16-7 ICH2—coo- GDP C—S-CoA complex CH2—COO- c=o a-Ketoglutarate CoA-SH I C02 (ADP) o Succinyl-CoA coo- Oxidative ecarboxylatio Lehninger Principles of Biochemistry, Fifth Edition @ 2008 W. H. Freeman and Company

Metabolon A

Visión clásica

Visión multidominios catáliticos

¿Los principios de Bioquímica de Lehninger tendrán que reescribirse?

Scene 11 (7m 47s)

Características de proteínas involucradas en la formación de metabolones

Se han observado en puntos de convergencia o divergencia en rutas

Participan en rutas en donde existen cambios de flujo grandes

Deficiencia de una de estas enzimas dentro de la ruta reduce altamente la vida media o causa muerte celular

Algunas de las proteínas individuales son multifuncionales

Se observa interacción con macromoléculas que sirven de andamio

F-actin K PGI ALD PGK ENO TPI PFK GM

HK G6PDH

mMD mMDH : CS : ACON ACON

IOÅ (narrow) (wide)

β- oxidación (Ishikawa, 2004)

Vía oxidativa de las pentosas fosfato (Smith, 2014)

Glucólisis (Du and Lutkenhaus , 2017)

Ciclo de Krebs ( Bassard , 2018)

Glucólisis (Du and Lutkenhaus, 2017 )

Scene 12 (8m 39s)

Canalización de sustratos y productos entre enzimas

Smith, (2014). Biophysical Journal

Camino electrostático

Canal molecular

abstract

FAD cavity PRODH active site P5CDH active site NAD'

NAD•. NADH.H• PRODH P5CDH

Lys

Espontáneo

euopqoucnn16-0F04-9 OH OH OH Eoz- cue;so; 9-eso•n19 HO HOd99 HdOVN +dOVN OH OH OH ot day esoN19 HO OH OH OH OH

Scene 13 (9m 53s)

3 1926 1930 1935 1939 1943 1948 1952 1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 19u 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 sopon.ae ep 0.1ötupN

Publicaciones sobre formación de metabolones

Bassard , (2018). Current Molecular Biology Reports ; Zhang, (2017). Nature Communications

Potencial para contribución y desarrollo científico Mecanismo de regulación del metabolismo central Respuesta al funcionamiento de rutas metabólicas mediante complejos formados

Scene 14 (10m 43s)

Staphylococcus aureus

Pseudomonas aeruginosa

K lebsiella pneumoniae

Escherichia coli

Enterococcus faecium

Infecciones nosocomiales

E

S

K

A

P

E

A cinetobacter baumannii

CARACTERISTICAS QUE COMPARTEN ESTAS BACTERIAS

Gram negativas

Gram positivas

URGEN NUEVOS BLANCOS PARA EL CONTROL FÁRMACOLOGICO DEL CRECIMIENTO MICROBIANO

Alta emergencia

Alta persistencia

Alta multi -resistencia a todos los antibióticos conocidos

Karita , (1997). Infection and Inmmunity ; Meng , ( 2015). International Journal of Molecular Science

Scene 15 (12m 2s)

Péptido no ribosómico

Importancia de la p ared bacteriana

Protección ante cambios de presión osmótica Permite anclaje celular Contribuye a la morfología Brinda estructuras para anclaje de matrices extracelulares

'Uf*tt-

Gram negativas

Gram positivas

Dramsi , (2008). FEMS Microbiology Reviews ; Vollmer , (2008). FEMS Microbiology Reviews ; Díaz-Sánchez, (2019 ) . TIP

Scene 16 (12m 52s)

Rutas de biosíntesis involucradas en la pared celular

Diversas son las rutas de biosíntesis que están involucradas en los procesos de:

Rausch, (2019). Nature Communications

Faso 2: Ensamble y uniön al bactq»rerwl p, Bact UDP — NAM L _Ala o L-Lys (DAP) UDP — NAM — UDP*AG o-Ala Pentarptkie Fosfomicina Faso 1: SinWsis de NAM NAG y Cycloserine UDP—NAG UDP o Bact - NAG rmol renol UMP o Peptidoglycan — NAM p NAM taernbrano Bactoprenol o NAM — NAG VMEornycin Faso 3: mononero y con Ia cadena naciento de peptidoglicano

Degradación

Remodelación

Re-ensamblaje

Scene 17 (13m 14s)

Enzimas importantes en la remodelación de la pared celular

Las enzimas de las rutas involucradas en la biosíntesis y remodelación de los componentes de la pared celular:

Alcorlo , (2017). Current Opinion Structural Biology

Excelente blanco para el desarrollo de nuevos antibióticos

(a) Glucosaminidasas NagZ ( u cholerae) LytBcat (S pneumoniae) (b) Lisozimas LytC (S. pneumoniae) PsmCat (phiSM101 phage) (c) Transglicosilasas liticas MltF (P aeruginosa) SpolID (B anthracis) MitE (E. coli) SltB3 (P. aeruginosa) Current Opinion in Structural Biology

Scene 18 (13m 42s)

Bibliografía

Alcorlo , M. M.-C. (2017). Carbohydrate recognition and lysis by bacterial peptidoglycan hydrolases . Current Opinion Structural Biology . 87-100. Beadle , G. W. y Tatum , E. L. (1941). Genetic control of biochemical reactions in Neurospora (Control genético de las reacciones bioquímicas en Neurospora ). PNAS, 27, 502. Consultado en Bassard , J. H. (2018). How to prove the existence of metabolons?. Phytochemistry Reviews . 211-227. De Las Rivas, J. (2010). Protein–Protein Interactions Essentials: Key Concepts to Building and Analyzing Interactome Networks. PLos Computational Biology . 1-8 . Díaz-Sánchez, A . ( 2019). Aspectos estructurales y funcionales de la N- Succinil -L, L- diaminopimelato desuccinilasa , una enzima clave para el crecimiento bacteriano y un blanco para el control antimicrobiano. TIP Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas, 1-16. Dramsi , S. M. (2008). Covalent attachment of proteins to peptidoglycan. FEMS Microbiology Reviews . 307-320 . Karita , M. E. (1997). Characterization of Helicobacter pylori dapE and construction of a conditionally lethal dapE mutant . Infection and Immunity . 4158-4164 Kuzmak , A. C. (2019). Can enzyme proximity accelerate cascade reactions ?. Scientific Reports . 9:455 . Meng , J. Y. (2015). Identification and Validation of Aspartic Acid Semialdehyde Dehydrogenase as a New Anti- Mycobacterium Tuberculosis Target. International Journal of Molecular Science . 23572-23586. Rausch , M. D. (2019). Coordination of capsule assembly and cell wall biosynthesis in Staphylococcus aureus. Nature Communications . 10: 1404. Srere , (1985). The metabolon. Trends in Biochemical Sciences . 10:109-110. Smith, N. V. (2014). Binding and Channeling of Alternative Substrates in the Enzyme DmpFG : a Molecular Dynamics Study. Biophysical Journal . 1681-1690. Sweetlove , L. (2018). The role of dynamic enzyme assemblies and substrate channelling in metabolic regulation . Nature Communications . 9: 2136. Vollmer , W. B. (2008). Peptidoglycan structure and architecture . FEMS Microbiology Reviews . 149-167. Zhang, Y. B. (2017). Protein-protein interactions and metabolite channelling in the plant tricarboxylic acid cycle . Nature Communications . 8: 15212.