La enzima Mutasa Fosfoglicerato.

Por: Jorge Johnson.
​La glucólisis es un proceso catabólico definido por un conjunto de reacciones coordinadas que se encargan de la extracción de energía desde glucosa, al romperla en dos moléculas de pyruvato. La mutasa fosfoglicerato o PGM (del inglés Phosphoglycerate mutase), es una enzima que cataliza la isomerización de sustratos de fosfoglicerato, en uno de los pasos de la segunda fase de generación energética del proceso. En general, las enzimas PGM, aisladas desde diferentes fuentes, presentan diferentes mecanismos de reacción: las aisladas desde levadura y desde músculo de conejo, que forman intermediarios fosfoenzimáticos, usan 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BFG) como cofactor, y sufren transferencias intermoleculares de grupos fosforilo, donde el 2-fosfoglicerato (2PG) no viene del sustrato 3-fosfoglicerato (3PG).

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Palabras Clave. mutasa, fosfoglicerato, fosfohistidina, enzima, glucólisis, cáncer, mutación, isomerización, PGM, PGAM1, 2,3-BFG, 2PG, 3PG, apoptosis, gen.

Pero, la forma prevalente de PGM es una fosfoenzima con un grupo fosforilo covalentemente enlazado a un residuo de histidina en el sitio activo [4], o fosfohistidina. Y aunque la enzima PGM es de vital importancia en los procesos de generación energética de los seres vivos, también ha mostrado tener efectos adversos, como enfermedades por deficiencias en la enzima, potenciación de la migración de células cancerígenas, y, en general, asociación a diferentes tipos de cáncer en diferentes tejidos y órganos. Los inhibidores de la expresión de PGAM1, aunque no muy efectivos, se han visto recientemente acompañados de nuevos inhibidores, en particular aquellos derivados de la xantona.

Características estructurales. Vista como estructura secundaria, la proteína mutasa fosfoglicerato, se clasifica como una proteína con tres capas principales alpha/beta/alpha(“phosphoglycerate mutase-like”). La estructura PGM contiene una hoja beta de seis hebras, donde la hebra 5 existe como hebra antiparalela al resto de las hebras [1] . Como estructura cuaternaria, lo normal es que se componga de dos subunidades idénticas (homodímero) [1], donde cada monómero tiene una masa molecular aproximada de 27 kDa [2]. En términos del sitio activo la estructura de la enzima PGM es la misma, pero existen variaciones llamadas isoenzimas, que dependen del tejido orgánico en el cual la enzima está activa (corazón, músculos, etc). Para cada monómero de la encima, hay un sitio activo que utiliza residuos sólo del monómero. El sitio activo tiene dos residuos de histidina (Saccharomyces cerevisiae His8 y His181) involucrados en la formación de intermediarios fosfohistidina, aunque hay otros tipos de residuos involucrados directamente en la reacción con 3PG, como Arg7, Ser11, Asn14 y Arg59 [2].

Principales aspectos del mecanismo catalítico. La glucólisis convierte una molécula de glucosa de seis carbonos en dos moléculas de piruvato de tres carbonos. El producto neto de este proceso son 2 Piruvato, 2ATP, 2NADH, 2H+, 2H2O [3]. En total son 10 reacciones, donde 2 reacciones se encargan de la generación de ATP, la reacción 7 y la 10, mientras que la reacción 8 y la 9 son de preparación. Durante la reacción 8, la enzima mutasa fosfoglicerato o PGM, cataliza la isomerización de sustratos de fosfoglicerato, y convierte la molécula 3-fosfoglicerato (3PG), producto de la reacción 7, en la molécula 2-phosphoglycerate (2PG). Las enzimas que catalizan la conversión de 3PG a 2PG son conocidas como mutasas monofosfoglicerato o mPGM, y dentro de esta clase, se enmarcan al grupo dPGM, por su dependencia con 2,3.-BPG, y un análisis de secuencia de todas las dPGM conocidas muestra que estas enzimas son similares a través de las especies [2]. La transformación que lleva a cabo la enzima sobre el sustrato se da en la segunda fase de la glucólisis, encargada de generación energética. Concretamente, la isomerización del sustrato se da luego de que la glucólisis logra liberar su segundo equivalente ATP, proceso que deja como producto intermedio una molécula de 3PG. La molécula 3PG tiene un bajo potencial de transferencia de fosfato, por lo que debe ser activada modificando la posición del fosfato moviéndolo del átomo de carbono 3C en la molécula 3PG al átomo de Carbono 2C, lo que deja como producto de la reacción el 2PG, que tiene un potencial de transferencia de fosfato muy alta [3]. Como ya se mencionó, PGM posee en su sitio activo un residuo de fosfohistidina, que contiene un fosfato como parte de su molécula. Durante la reacción, el fosfato de la fosfohistidina es transferido hacia el sustrato 3PG en el 2C, estableciendo un enlace covalente entre el oxígeno del grupo hidroxilo del 3PG en el 2C y el fósforo del grupo fosfato de la fosfohistidina, que pierde su anillo. El resultado intermedio es una molécula 2,3-BPG (dos grupos fosfato presentes -en 2C y 3C-). El anillo libre de la histidina, a su vez, ataca el fosfato existente en el 3C de 2,3-BPG, rompiendo el enlace covalente que une el fosfato al oxígeno y uniendo el grupo fosfato a su anillo, quedando intacta como fosfohistidina en el sitio activo enzimático para poder ser reusada en la siguiente reacción, y dejando como producto una molécula 2PG [4]. Debe notarse, que el paso de 3PG a 2PG es sólo un movimiento de un grupo fosfato desde 3C y 2C, lo que en la práctica es una isomerización. Sin embargo, los grupos fosforilos son diferentes como entidades físicas. Fin de la reacción. Como una particularidad, en uno de cada 100 procesos enzimáticos del accionar PGM, el intermediario 2,3-BPG se disocia del sitio activo, dejando una enzima desfosforilada; debido a esto, una máxima actividad de la PGM requiere la presencia de pequeñas cantidades de 2,3-BPG [4].

Implicaciones fisiológicas de la función enzimática y sus alteraciones. Alrededor de la PGM se han documentado casos de enfermedades relacionadas con su deficiencia metabólica. Por ejemplo, la PGMD o Deficiencia Muscular de la Mutasa Fosfoglicerato (que también se le conoce como miopatía metabólica),  tiene síntomas que incluyen calambres musculares inducidos por el ejercicio, mioglobinuria, que es la expulsión de mioglobina a través de la orina, y la presencia de agregados tubulares en la biopsia muscular. Durante un episodio de mioglubinuria, el nivel de creatina kinasa en el suero se incrementa. La deficiencia PGMD es causada por mutaciones en la codificación cDNA para la isoenzima M de la PGM [5]. Pero no es la única situación para considerar. La PGAM1, el gen de la enzima PMG de los Homo sapiens, promueve la migración de células cancerígenas de forma independiente a su actividad metabólica. Se identificó que la actina muscular ACTA2, proteína asociada a la PGAM1, modula el ensamble de filamentos de actina, la motilidad celular y la migración de células cancerígenas, directamente interactuando con ACTA2, y de forma independiente a su actividad metabólica. El mutante enzimático inactivo H186R retuvo su asociación con ACTA2, aunque los aminoácidos 201-210 de la mutación del PGAM1 perdieron su interacción con ACTA2, por lo que ya hay evidencia del rol de PGAM1 en la progresión de cáncer [6]. Otros estudios presentan también resultados importantes que muestran el rol en el cáncer del gen PGAM1; se concentran en apagar o inhabilitar la expresión de PGAM1 en tejidos cancerosos de próstata, lo que deja como resultado la inhibición de la proliferación, migración, invasión, y apoptosis aumentada de células cancerígenas [7]. Al igual que con los estudios de la próstata, estudios con la enfermedad de Carcinoma de Células Escamosas Oral (OSCC de sus siglas en inglés), tumor maligno común con alto potencial metastásico, se ha encontrado que hay asociación con el PGAM1; en exámenes de muestras de tejido hechas sobre muchos pacientes OSCC en los que se examinó la expresión de PGAM1, se determinó una correlación entre la expresión clinopatológica, y la expresión del PGAM1; además, luego de noquear del PGAM1, la migración celular se redujo de forma apreciable [8].  A pesar de tanta evidencia, algunos pocos inhibidores de PGAM1 han sido reportados, pero con una baja eficiencia molecular o celular. Los derivados del compuesto xantona, C₁₃H₈O₂, que puede ser preparado calentando fenil salicilato, ha mostrado una alta potencia contra PGAM1, mostrando una actividad moderada anti-proliferación de células cancerígenas [9].

Conclusiones. Los procesos catabólicos de degradación o los procesos anabólicos de síntesis, cualquiera que sean, requieren de un conjunto de reacciones que son metabolizadas por enzimas que aceleran las reacciones. Dichas enzimas son expresadas por genes que pueden llegar a ser alterados a nivel molecular como sucede con ciertas mutaciones de aminoácidos, lo que puede desencadenar un mal funcionamiento de la enzima, generando deficiencias en los procesos metabólicos que alteran el funcionamiento fisiológico de tejidos y órganos, y desencadenando enfermedades importantes de difícil terapia. Otras veces las enfermedades no se asocian a los procesos metabólicos, sino a mutaciones sobre la estructura misma. Dentro del proceso de la glucólisis, y entre la enfermedades más relacionadas con deficiencias de la enzima PGM, se encuentran las relacionadas con los tejidos musculares como la PGMD, y diversos tipos de cáncer asociados a distintos tipos de tejidos y órganos, como el cancer de próstata y la OSCC. Finalmente, La inhibición del funcionamiento de algunas enzimas es, entonces, una herramienta poderosa hacia la terapéutica de algunas enfermedades, en particular a las relacionadas con el aumento desmesurado de la apoptosis, la motilidad, y la migración celular, como son las enfermedades del cáncer. Entender todos estos procesos metabólicos y sus alteraciones, es fundamental para poder intentar aliviar el impacto sobre los seres vivos, y de allí el aporte fundamental de la bioquímica y la biología molecular en la medicina.  

Referencias bibliográficas.

​[1]    Phosphoglycerate mutase. Proteopedia, life in 3D.
http://proteopedia.org/wiki/index.php/Phosphoglycerate_Mutase. Recuperado Mayo 8 de 2018.

[2]  Jedrzejas, M.J., 2000. Structure, function, and evolution of phosphoglycerate mutases: comparison with fructose-2,6-bisphosphatase, acid phosphatase, and alkaline phosphatase. Progress in Biophysics & Molecular Biology 73, 263±287.

[3]  Mathews, C.K.; Van Holde, K.E.; A, D.R.; Anthony-Cahill, S.J. 2014. Biochemistry (4th Edition). Pearson.

[4]  Garret, R.H.; Grisham C.R. 2017. Biochemistry (6th Edition). Cengage Learning.

[5]  GARD, Genetic & Rare Diseases. Phosphoglicerate Mutase Deficiency.
https://rarediseases.info.nih.gov/diseases/9964/phosphoglycerate-mutase-deficiency.
Recuperado Mayo 10 de 2018.

[6]  Zhang D, Jin N, Sun W, Li X, Liu B, Xie Z, Qu J, Xu J, Yang X, Su Y, Tang S, Han H, Chen D, Ding J, Tan M, Huang M, Geng M. Phosphoglycerate mutase 1 promotes cancer cell migration independent of its metabolic activity. Oncogene. 2017 May 18;36(20):2900-2909. doi: 10.1038/onc.2016.446. Epub 2016 Dec 19. PubMed PMID: 27991922.

[7] Wen YA, Zhou BW, Lv DJ, Shu FP, Song XL, Huang B, Wang C, Zhao SC. Phosphoglycerate mutase 1 knockdown inhibits prostate cancer cell growth, migration, and invasion. Asian J Androl. 2018 Mar-Apr;20(2):178-183. doi: 10.4103/aja.aja_57_17. PubMed PMID: 29271400; PubMed Central PMCID: PMC5858104.

[8] Zhang D, Wu H, Zhang X, Ding X, Huang M, Geng M, Li H, Xie Z. Phosphoglycerate Mutase 1 Predicts the Poor Prognosis of Oral Squamous Cell Carcinoma and is Associated with Cell Migration. J Cancer. 2017 Jul 5;8(11):1943-1951. doi: 10.7150/jca.19278. eCollection 2017. PubMed PMID: 28819393; PubMed Central PMCID: PMC5559954.

[9] Wang P, Jiang L, Cao Y, Zhang X, Chen B, Zhang S, Huang K, Ye D, Zhou L. [8]   as phosphoglycerate mutase 1 inhibitors: Design, synthesis, and biological evaluation. Bioorg Med Chem. 2018 May 1;26(8):1961-1970. doi: 10.1016/j.bmc.2018.02.044. Epub 2018 Feb 24. PubMed PMID: 29530347.