Structural and functional studies of pyridoxine 5'-phostate synthase from e.coli

Abstract

El piridoxal 5'-fosfato es la forma biocatalíticamente activa de la vitamina B6, siendo uno de los cofactores más versátiles de la naturaleza, el cuál tiene un papel central en el metabolismo de aminoácidos. Mientras que la mayoria de microorganismos y plantas pueden sintetizar la vitamina B6 de novo, los mamíferos se ven obligados a obtener uno de sus vitámeros a través de la dieta. La maquinaria biosintética de Escherichia coli es, de lejos, la mejor caracterizada y consiste en cuatro proteínas pdx. PdxJ, también conocida como piridoxina 5'-fosfato sintasa, es la enzima clave en esta via. Cataliza el último paso, la complicada reacción de cierre del anillo entre 1-deoxi-D-xilulosa-5-fosfato y aminoacetona-3-fosfato para formar piridoxina 5'-fosfato. La comparación de secuencias de PdxJ entre espécies revela que existe un alto grado de conservación indicando así la enorme importancia fisiológica de esta enzima.<br/>Con el uso de un derivado de mercurio fue posible el resolver la estructura cristalina de la enzima de E. coli por el método del "single isomorphous replacement with anomalous scattering" y el refinar la estructura a 2.0 Å de resolución. El monómero corresponde al plegamiento TIM o barril (_/_)8, con la incorporación de tres hélices extra que median los contactos entre intersubunidades en el octámero. El octámero representa el estado fisiológicamente relevante, que fué observado tanto en el cristal como en solución, y que esta organizado como un tetrámero de dímeros activos. La caracterización de la estructura cristalográfica de la enzima con sustratos, análogos de sustrato y productos unidos permitió la identificación del centro activo y la propuesta de un mecanismo detallado. Los rasgos catalíticos más remarcables son: (1) el cierre del centro activo una vez se han unido los sustratos, de manera que el bolsillo de unión queda aislado del solvente y los intermediarios de la reacción quedan así estabilizados; (2) la existencia de dos sitios de unión de fosfato bien definidos; (3) y un canal de agua que penetra el núcleo del barril _ y permite liberar las moléculas de agua formadas durante la reacción.<br/>La cantidad de información presentada debería permitir el diseño de inhibidores de la piridoxina 5'-fosfato sintasa basados en su estructura. Es interesante el destacar que entre las bacterias que contienen el gen pdxJ se encuentran unos cuantos patógenos bien conocidos. La resistencia de bacterias contra antibióticos está aumentando cada vez más, hecho que se está convirtiendo en un auténtico problema. Por este motivo, es necesario el desarrollar medicamentos antibacterianos con un alto grado de especificidad y la piridoxina 5'-fosfato sintasa parece ser una diana muy prometedora.

Pyridoxal 5'-phosphate is the biocatalytically active form of vitamin B6, being one of nature's most versatile cofactors that plays a central role in the metabolism of amino acids. Whereas microorganisms and plants can synthetise vitamin B6 de novo, mammals have to obtain one of the B6 vitamers with their diet. The Escherichia coli biosynthetic machinery is the, by far, best characterised and it consists in four pdx proteins. PdxJ, also referred to as pyridoxine 5'-phosphate synthase, is the key enzyme in this pathway. It catalyses the last step, the complicated ring-closure reaction between 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate and aminoacetone-3-phosphate yielding pyridoxine 5'-phosphate. Sequence comparison of PdxJ from different species revealed a remarkable high degree of conservation indicating the paramount physiological importance of this enzyme.<br/>With the use of one mercury heavy-atom derivative, it was possible to solve the crystal structure of the E. coli enzyme by the single isomorphous replacement method with anomalous scattering and to refine the structure at 2.0 Å resolution. The monomer folds as a TIM or (_/_)8 barrel, with the incorporation of three extra helices that mediate intersubunits contacts within the octamer. The octamer represents the physiological relevant state that was observed in the crystal and in solution, and that is organised as a tetramer of active dimers. Characterisation of the enzyme crystal structure with bound substrates, substrate analogues, and products allowed the identification of the active site and the proposal of a detailed reaction mechanism. The most important catalytic features are: (1) active site closure upon substrate binding, in order to isolate the specificity pocket from the solvent und thus stabilise the reaction intermediates; (2) the existence of two well-defined phosphate binding sites; (3) and a water channel that penetrates the _ barrel core and allows the release of waters in the closed state.<br/>The amount of information here presented should permit the structure-based design of pyridoxine 5'-phosphate synthase inhibitors. Interestingly, among bacteria that contain the pdxJ gene there are several well-known pathogens. More and more, the bacterial resistance against antibiotics is increasing and therefore becoming a real problem. Thus, it is necessary the development of highly specific antibacterial drugs and pyridoxine 5'-phosphate synthase seems to be a promising novel target.