Ureases – aspectos estruturais

Ureases (ureia amidohidrolases; EC 3.5.1.5) são enzimas dependentes de níquel, que catalisam a reação de hidrólise da ureia a duas moléculas de amônia e uma de dióxido de carbono. Apresentam ampla distribuição em plantas, fungos e bactérias, mas não são sintetizadas por animais.

Tanto a ureia quanto a urease representam marcos importantes na história da Bioquímica.   A uréia foi isolada da urina humana em 1773, por Hillaire Rouelle, e foi a primeira molécula orgânica a ser sintetizada a partir de compostos inorgânicos, por Wöhler, em 1828.

Sumner

James Sumner (1887-1955), da Cornell University, Ithaca, NY, USA, e os cristais da urease de Canavalia ensiformis obtidos pela primeira vez em 1926, e que lhe renderam o Prêmio Nobel de Química em 1946. (Figuras do site: http://sandwalk.blogspot.com/2007/10/nobel-laureate-james-batcheller-sumner.html )

 

Em 1926, James B. Sumner cristalizou a urease a partir de sementes de Canavalia ensiformis (jackbean ou feijão-de-porco) sendo este trabalho de importância fundamental ao demonstrar, pela primeira vez, que enzimas são proteínas e que podem ser cristalizadas. O trabalho pioneiro de Sumner foi reconhecido com o Prêmio Nobel em Química de 1946, pela “descoberta de que enzimas podem ser cristalizadas”.

A urease do feijão-de-porco fez história novamente em 1975, quando o grupo de Burt Zerner demonstrou que a enzima possuía íons de níquel em seu sítio ativo, essenciais para catálise, tendo sido essa a primeira demonstração de um papel biológico para o níquel.

Independente de sua origem e de sua organização estrutural, as ureasas são proteínas homólogas compartilhando de 50 a 60% identidade de sequência, sugerindo divergência a partir de uma enzima ancestral comum.

As ureases de plantas e de fungos são trímeros ou hexâmeros de uma subunidade de ~90 kDa, contendo cerca de 840 aminoácidos. Já as ureases bacterianas são multímeros de duas ou três subunidades, que correspondem a “fragmentos” da cadeia única de ureases vegetais e fúngicas.

organizção quartenária

Organização estrutural de ureases. Em plantas (C. ensiformis) e fungos (S. pombe), as ureases são formadas por um único tipo de cadeia polipeptídica de ca. 90 kDa. As ureases bacterianas geralmente apresentam três tipos de subunidades (ex: K. aerogenes) que se alinham com segmentos da cadeia única de ureases vegetais e fúngicas, com as quais têm cerca de 50-60 % de identidade. As ureases de bactérias do gênero Helicobacter apresentam dois tipos de cadeias polipeptídicas, sendo sua cadeia A uma “fusão” das  cadeias menores de ureases de outras bactérias.

A metade N-terminal da cadeia única das ureases de plantas e fungos alinha com a seqüência primária das subunidades menores das enzimas bacterianas (por exemplo, cadeias A e B da urease de Klebsiella aerogenes ou a subunidade A da enzima de Helicobacter pylori). A metade C-terminal das ureases vegetais é similar à cadeia maior das ureases bacterianas (p. ex., a cadeia C da urease de K. aerogenes ou a subunidade B da H. pylori).

A urease da bactéria Klebsiella aerogenes foi a primeira a ter sua estrutura resolvida por cristalografia (Jabri et al., 1995). Somente em 2010, decorridos 83 anos de sua cristalização pioneiramente por Sumner, foi descrita a estrutura da urease majoritária (JBU) de sementes de Canavalia ensiformis  por Balasubramanian e Ponnuraj.

KAU monômero

Monômero funcional da urease da bactéria Klebsiella aerogenes (1FWJ), a primeira urease a ter sua estrutura tridimensional resolvida por cristalografia em 1995. Em vermelho a subunidade α, onde se localiza o barril (α β)8 e o sítio ativo; em azul, a subunidade β e em verde, a subunidade γ. (Figura elaborada por Rodrigo Ligabue-Braun)

 
As ureases apresentam um enovelamento típico das amidohidrolases, com a  presença de um barril (αβ)8 (barril TIM) ligeiramente distorcido, onde se localiza o sítio ativo com dois átomos de níquel, e um conjunto de fitas β, que formam a subunidade α (ou domínio α, no caso de ureases de plantas e fungos). A subunidade β apresenta predominantemente estruturas em β folhas, enquanto a subunidade γ é formada por estruturas αβ.

Um estudo filogenético com ureases de diversos grupos taxonômicos e diferentes número de subunidades mostrou que na estória evolutiva das ureases, as proteínas com três cadeias são mais primitivas e originaram as enzimas de cadeia única de plantas e de fungos (Ligabue-Braun et al., 2013). Os resultados indicaram ainda que a urease de duas cadeias no gênero Helicobacter não é um intermediário do processo de fusão de genes, que levou à formação das ureases de cadeia única.

 

Para as referências bibliográficas do nosso grupo, acesse publicações selecionadas ou consulte o CV Lattes de Célia Carlini.

 

 

Referências citadas:

Balasubramanian A, Ponnuraj K. (2010). Crystal Structure of the First Plant Urease from Jack Bean: 83 Years of Journey from Its First Crystal to Molecular Structure.  J. Mol. Biol. 400, 274 – 283.

Dixon NE., Gazzola C, Blakeley RL, Zerner B (1975) Jack bean urease (EC 3.5..1.5) a metalloenzyme.  A simple biological role for nickel? J. Am. Chem. Soc.  97: 4131-133.

Jabri E, Carr MB, Hausinger RP, Karplus AP (1995) The crystal structure of urease fromKlebsiella aerogenesScience 268, 998-1004.

Krajewska B (2009) Ureases I. Functional, catalytic and kinetic properties: A review. J. Mol. Catal. B-Enz. 59: 9-21.

Mobley, H. L., Island, M. D., Hausinger, R. P., 1995.  Molecular biology of microbial ureases. Microbiol. Rev. 59, 451-480.

Sumner, J.B. (1926) The Isolation and Crystallization of the Enzyme Urease. J. Biol. Chem. 69:435-441.

Zerner, B. (1991)  Recent advances in the chemistry of an old enzyme, urease. Bioorg. Chem. 19, 116-131.

 

Veja também:

 

  1. Monômero, trímero, hexâmero ou dodecâmero ?
  2. Propriedades catalíticas
  3. Proteínas acessórias para incorporação de níquel