Carbamoil fosfato sintetasa III

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La carbamoil fosfato sintetasa III (CPS III) es una de las tres isoformas de la carbamoil fosfato sintetasa, una enzima que cataliza la producción activa de carbamoil fosfato en muchos organismos.

La CPS III (EC 6.3.5.5.) es una ligasa (3.) que forma enlaces carbono-nitrógeno (6.3.) con la glutamina como amido-N-donante (6.3.5.) (véase BRENDA).

Contexto[editar]

Muchos organismos acuáticos, entre ellos la mayoría de las especies de peces, son amoniotélicos, lo que significa que producen amoníaco como residuo metabólico, que generalmente excretan por difusión a través de sus branquias. Al igual que los vertebrados terrestres, algunas especies de peces también incluyen de forma significativa la urea como residuo metabólico. Este fenómeno afecta a las fases larvarias, ya que carecen de branquias por las que excretar el amoníaco, pero también a la fase adulta en algunas especies. En función de la proporción de residuos metabólicos representados por la urea, estas especies son parcial o totalmente ureotélicas.

Las especies ureotélicas producen urea a través del ciclo ornitina-urea (OUC), en el que la CPS desempeña un papel importante. La carbamoil fosfato sintetasa I es utilizada sobre todo por vertebrados terrestres, y parece que algunas especies acuáticas dependen de la CPS III para ocuparse de la producción de urea.[1]​ Existen varias ventajas potenciales en la excreción de urea en lugar de amoníaco para las especies que viven en entornos específicos. Por ejemplo, permite una mejor capacidad de difusión que el amoníaco en aguas alcalinas,[2]​ y disminuye la pérdida de agua, lo que puede ser crucial para especies que pasan largos periodos fuera del agua, como las especies de peces pulmonados.[3]​ La CPS III se ha descrito en cíclidos del género Alcolapia,[2]​ peces pulmonados,[3]​[4]​[5]​ el pez sapo del golfo Opsanus beta,[6]​ la trucha arco iris Oncorhyncus mykiss,[7]​[8]​ el fletán del Atlántico Hippoglossus hippoglossus,[9]​ la lubina Micropterus salmoides,[10]​ la carpa común Cyprinus carpio,[11]​ y en elasmobranquios como la mielga Squalus acanthia[12]​[13]​ por ejemplo. Así pues, esta enzima parece estar distribuida entre los peces que presentan diferentes grados de ureotropía.

Vía de reacción[editar]

Ciclo de la ornitina-urea[editar]

La CPS III es una precursora del ciclo ornitina-urea (OUC). Esta vía se produce en organismos que no excretan directamente amoníaco como residuo catabólico. La función principal del OUC es convertir los residuos de nitrógeno altamente tóxicos (NH3) en urea, que presenta menos toxicidad. Este ciclo incluye cinco reacciones bioquímicas, las dos primeras de las cuales se producen en la matriz mitocondrial y las otras tres en el citosol. En los peces, el ciclo de la urea sólo se encuentra en unos pocos teleósteos, en su mayoría especies que viven en ambientes muy específicos como el agua alcalina,[14]​ y en los elasmobranquios.

La CPS III se encuentra en las mitocondrias de algunos elasmobranquios y en algunos tejidos hepáticos y/o extrahepáticos de teleósteos. Interviene en la primera reacción del ciclo de la OUC, que es crucial ya que limita el resto del ciclo. La CPS III desempeña así un papel importante en la regulación de la cantidad de amoníaco en la célula, iniciando su conversión en urea para su excreción y manteniendo al mismo tiempo una concentración mínima para mantener la síntesis de aminoácidos.

Síntesis del carbamoil fosfato[editar]

La reacción catalizada por la CPS III es:[15]​

2 ATP + L-glutamina + HCO3- + H20 → 2 ADP + Pi + L-glutamato + carbamoil fosfato.

Esta reacción ocurre en la matriz mitocondrial e incluye 4 pasos:          

  1. El bicarbonato (HCO3-) se fosforila utilizando un ATP, generando carboxifosfato (CHO6P2-).
  2. La glutamina (C5H10N2O3) se hidroliza en glutamato (C5H9NO4) y amoniaco (NH3). 1. y 2. se producen simultáneamente.
  3. Sustitución nucleofílica del amoníaco en el carboxifosfato (sustituyendo el grupo -OH por un grupo -NH2) generando el producto intermedio carbamato (CH2NO2-).
  4. Sustitución nucleófila del carbamato sobre un segundo ATP, generando el producto carbamoil fosfato (CH2NO5P2-).

La CPS III, al igual que la CPS I, muestra una dependencia del N-acetilglutamato, lo que significa que este efector alostérico es necesario para realizar la catálisis.[4]​

Evolución y relación con la CPS I y la CPS II[editar]

La CPS III está más próxima a la CPS I que a la CPS II.[16]​ Estas dos enzimas funcionan de la misma manera y utilizan el mismo efector alostérico. La diferencia entre ellas es que la CPS III utiliza glutamina como sustrato mientras que la CPS I utiliza amoníaco.

Se cree que estas enzimas evolucionaron una a partir de la otra. Una hipótesis es que la CPS II apareció primero tras la fusión de genes que codificaban una glutaminasa y una sintetasa dependiente de amoníaco. La CPS III sería entonces el resultado de la duplicación de la secuencia de la glutaminasa, creando un segundo sitio de unión de la glutamina que evolucionó hasta convertirse en el sitio alostérico del N-acetilglutamato. El último tipo, la CPS I sería el último en aparecer tras evolucionar en el uso de amoníaco como sustrato en lugar de glutamina.[17]​[18]​[4]​

Referencias[editar]

  1. ↑ Anderson PM (January 1995). «3 Urea Cycle in Fish: Molecular and Mitochondrial Studies». Fish Physiology (Academic Press) 14: 57-83. ISBN 9780123504388. doi:10.1016/s1546-5098(08)60242-3. 
  2. ↑ a b White LJ, Sutton G, Shechonge A, Day JJ, Dasmahapatra KK, Pownall ME (October 2020). «Adaptation of the carbamoyl-phosphate synthetase enzyme in an extremophile fish». Royal Society Open Science 7 (10): 201200. Bibcode:2020RSOS....701200W. PMC 7657897. PMID 33204476. doi:10.1098/rsos.201200. 
  3. ↑ a b Chew SF, Ong TF, Ho L, Tam WL, Loong AM, Hiong KC, Wong WP, Ip YK (October 2003). «Urea synthesis in the African lungfish Protopterus dolloi--hepatic carbamoyl phosphate synthetase III and glutamine synthetase are upregulated by 6 days of aerial exposure». The Journal of Experimental Biology 206 (Pt 20): 3615-24. PMID 12966053. S2CID 9687376. doi:10.1242/jeb.00619. 
  4. ↑ a b c Laberge T, Walsh PJ (June 2011). «Phylogenetic aspects of carbamoyl phosphate synthetase in lungfish: a transitional enzyme in transitional fishes». Comparative Biochemistry and Physiology. Part D, Genomics & Proteomics 6 (2): 187-94. PMID 21482211. doi:10.1016/j.cbd.2011.03.001. 
  5. ↑ Loong AM, Chng YR, Chew SF, Wong WP, Ip YK (April 2012). «Molecular characterization and mRNA expression of carbamoyl phosphate synthetase III in the liver of the African lungfish, Protopterus annectens, during aestivation or exposure to ammonia». Journal of Comparative Physiology B: Biochemical, Systemic, and Environmental Physiology 182 (3): 367-79. PMID 22038021. S2CID 6766714. doi:10.1007/s00360-011-0626-7. 
  6. ↑ Kong H, Kahatapitiya N, Kingsley K, Salo WL, Anderson PM, Wang YS, Walsh PJ (January 2000). «Induction of carbamoyl phosphate synthetase III and glutamine synthetase mRNA during confinement stress in gulf toadfish (Opsanus beta)». The Journal of Experimental Biology 203 (Pt 2): 311-20. PMID 10607541. doi:10.1242/jeb.203.2.311. 
  7. ↑ Korte JJ, Salo WL, Cabrera VM, Wright PA, Felskie AK, Anderson PM (March 1997). «Expression of carbamoyl-phosphate synthetase III mRNA during the early stages of development and in muscle of adult rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)». The Journal of Biological Chemistry 272 (10): 6270-7. PMID 9045644. doi:10.1074/jbc.272.10.6270. 
  8. ↑ Todgham AE, Anderson PM, Wright PA (June 2001). «Effects of exercise on nitrogen excretion, carbamoyl phosphate synthetase III activity and related urea cycle enzymes in muscle and liver tissues of juvenile rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)». Comparative Biochemistry and Physiology. Part A, Molecular & Integrative Physiology 129 (2–3): 527-39. PMID 11423323. doi:10.1016/S1095-6433(01)00290-2. 
  9. ↑ Terjesen BF, Rønnestad I, Norberg B, Anderson PM (August 2000). «Detection and basic properties of carbamoyl phosphate synthetase III during teleost ontogeny: a case study in the Atlantic halibut (Hippoglossus hippoglossus L.)». Comparative Biochemistry and Physiology. Part B, Biochemistry & Molecular Biology 126 (4): 521-35. PMID 11026664. doi:10.1016/S0305-0491(00)00221-2. 
  10. ↑ Kong H, Edberg DD, Korte JJ, Salo WL, Wright PA, Anderson PM (February 1998). «Nitrogen excretion and expression of carbamoyl-phosphate synthetase III activity and mRNA in extrahepatic tissues of largemouth bass (Micropterus salmoides)». Archives of Biochemistry and Biophysics 350 (2): 157-68. PMID 9473289. doi:10.1006/abbi.1997.0522. 
  11. ↑ Felskie AK, Anderson PM, Wright PA (1 de febrero de 1998). «Expression and Activity of Carbamoyl Phosphate Synthetase III and Ornithine Urea Cycle Enzymes in Various Tissues of Four Fish Species». Comparative Biochemistry and Physiology. Part B, Biochemistry & Molecular Biology 119 (2): 355-364. ISSN 1096-4959. doi:10.1016/S0305-0491(97)00361-1. 
  12. ↑ Hong J, Salo WL, Chen Y, Atkinson BG, Anderson PM (December 1996). «The promoter region of the carbamoyl-phosphate synthetase III gene of Squalus acanthias». Journal of Molecular Evolution 43 (6): 602-9. Bibcode:1996JMolE..43..602H. PMID 8995057. S2CID 6835045. doi:10.1007/BF02202108. 
  13. ↑ Chana-Munoz A, Jendroszek A, Sønnichsen M, Kristiansen R, Jensen JK, Andreasen PA, Bendixen C, Panitz F (23 de agosto de 2017). «Multi-tissue RNA-seq and transcriptome characterisation of the spiny dogfish shark (Squalus acanthias) provides a molecular tool for biological research and reveals new genes involved in osmoregulation». PLOS ONE 12 (8): e0182756. Bibcode:2017PLoSO..1282756C. PMC 5568229. PMID 28832628. doi:10.1371/journal.pone.0182756. 
  14. ↑ Randall DJ, Wood CM, Perry SF, Bergman H, Maloiy GM, Mommsen TP, Wright PA (January 1989). «Urea excretion as a strategy for survival in a fish living in a very alkaline environment». Nature 337 (6203): 165-6. Bibcode:1989Natur.337..165R. PMID 2911349. S2CID 4272256. doi:10.1038/337165a0. 
  15. ↑ Holden HM, Thoden JB, Raushel FM (October 1999). «Carbamoyl phosphate synthetase: an amazing biochemical odyssey from substrate to product». Cellular and Molecular Life Sciences 56 (5–6): 507-22. PMID 11212301. S2CID 23446378. doi:10.1007/s000180050448. 
  16. ↑ Hong J, Salo WL, Lusty CJ, Anderson PM (October 1994). «Carbamyl phosphate synthetase III, an evolutionary intermediate in the transition between glutamine-dependent and ammonia-dependent carbamyl phosphate synthetases». Journal of Molecular Biology 243 (1): 131-40. PMID 7932737. doi:10.1006/jmbi.1994.1638. 
  17. ↑ Devaney MA, Powers-Lee SG (January 1984). «Immunological cross-reactivity between carbamyl phosphate synthetases I, II, and III». The Journal of Biological Chemistry 259 (2): 703-6. PMID 6363405. doi:10.1016/S0021-9258(17)43514-9. 
  18. ↑ Lindley TE, Laberge T, Hall A, Hewett-Emmett D, Walsh PJ, Anderson PM (March 2007). «Sequence, expression and evolutionary relationships of carbamoyl phosphate synthetase I in the toad Xenopus laevis». Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological Genetics and Physiology 307 (3): 163-75. PMID 17397070. doi:10.1002/jez.a.364. 

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