Hispanopedia WikiEl balanol es un metabolito fúngico producido por el hongo Verticillium balanoides . [ 1 ] Es un potente inhibidor de las serina/treonina quinasas proteína quinasa A (PKA) y proteína quinasa C (PKC), uniéndose de manera similar a como lo hace el ATP . [ 2 ] El balanol fue descubierto en 1993 en la búsqueda de nuevos inhibidores de la PKC, un miembro de una familia de serina/treonina quinasas cuya sobreactivación está asociada con numerosas enfermedades humanas de transducción de señales , incluido el cáncer. Sin embargo, gran parte de la investigación sobre el balanol se centra en cómo las modificaciones químicas de la estructura molecular afectan la unión a la PKA. [ 3 ] De hecho, el balanol, sus análogos químicamente alterados y sus interacciones con la PKA en particular se utilizan para dilucidar los roles de selectividad y flexibilidad de la proteína en la inhibición de las quinasas. Por ejemplo, la estructura cristalina por rayos X del balanol en complejo con PKA se utilizó para conferir selectividad y mejorar la eficacia farmacológica de los inhibidores de la Akt de H. sapiens ( PKB ), otra proteína quinasa de serina/treonina implicada en el correcto funcionamiento de muchos procesos celulares. [ 4 ]
Estructura
La estructura química se caracterizó inicialmente a través de una combinación de espectroscopia IR , RMN de hidrógeno-1 , RMN de carbono-13 y datos de espectros RMN 2D , y la estructura cristalina del balanol en complejo con PKA se resolvió en 1999. [ 5 ] La molécula de balanol consta de tres regiones: una benzofenona , un hexahidroazepano y una fracción 4- hidroxibenzoílo . Las fracciones de benzofenona y hexahidroazepano están conectadas a través de un enlace éster, y las fracciones de azepano y benzoílo están conectadas a través de un enlace amida. [ 6 ] Además, el balanol a veces se denomina ofiocordina, un agente antifúngico producido por el hongo Cordyceps ophioglossoides cuya estructura es regioisométrica a la del balanol; es decir, en la ofiocordina, la benzofenona está unida al hexahidroazepano en lugar de a través de una amida; El grupo 4-hidroxibenzoílo y el hexahidroazepano están conectados mediante un enlace éster. [ 7 ]
El balanol es un congénere del ATP , con regiones distintivas de su estructura molecular capaces de formar enlaces como el anillo de adenina, la ribosa y los grupos fosfato de la molécula de ATP. Específicamente, la porción de 4-hidroxibenzamida del balanol, incluyendo el enlace amida, se corresponde con la adenina del ATP; la porción de hexahidroazepano con la región de la ribosa; y los anillos de benzofenona con los trifosfatos del ATP. [ 5 ]
Se han sintetizado numerosos congéneres de balanol para estudiar el efecto de las modificaciones químicas en la unión y especificidad de la quinasa. Por ejemplo, las modificaciones de los anillos de benzofenona, análogos de los grupos fosfato del ATP, producen inhibidores de la proteína quinasa inusualmente potentes y específicos. [ 6 ] Además, muchos de estos congéneres de balanol muestran una especificidad sustancial hacia la PKA en comparación con la PKC. La eliminación del grupo hidroxilo del anillo de benzofenona (que produce 10"-deoxibalanol), por ejemplo, genera una selectividad dos órdenes de magnitud mayor para la PKA que para la PKC. [ 8 ] También se demostró que la potente actividad inhibidora dependía del ácido carboxílico del anillo de benzofenona y de la presencia de un anillo de azepano de cinco o siete miembros. [ 3 ]
La estructura flexible del balanol también desempeña un papel importante en su selectividad. Específicamente, el anillo de benzofenona distal del balanol puede rotar. De hecho, en complejo con la PKA, se observó que el anillo de benzofenona distal del balanol era casi ortogonal al anillo vecino. [ 5 ] Esta flexibilidad podría permitir que el balanol se adapte a numerosos microambientes proteicos para ejercer sus propiedades inhibitorias sobre diversas quinasas proteicas. La selectividad del balanol por algunas quinasas y no por otras, a su vez, podría representar los diferentes grados de flexibilidad permitidos por los sitios de unión de ATP catalíticos de estas quinasas. [ 6 ]
Actividades biológicas
El balanol es uno de los inhibidores naturales más potentes de las proteínas quinasas PKC y PKA. [ 5 ] Originalmente se descubrió que el balanol inhibía la PKC y muchas de sus isoformas en humanos (α, β-I, β-II, γ, δ, ε, η), con un perfil de inhibición similar al de la estaurosporina . [ 1 ]
El balanol impide su funcionamiento al unirse de forma competitiva al dominio catalítico de la PKC y la PKA con una afinidad ( K i ≥ 4 nM) tres órdenes de magnitud mayor que la del ATP. [ 6 ] Sin ATP unido, estas quinasas no pueden catalizar la transferencia del γ-fosfato del ATP al sustrato diana de la quinasa, y por lo tanto su función se ve obstaculizada.
Vinculante
El balanol unido se extiende 17,2 Å desde el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo de su 4-hidroxibenzamida hasta el átomo de oxígeno del grupo carboxilo más distal de su fragmento de benzofenona, encajando entre los lóbulos catalíticos grande y pequeño de la PKA y extendiéndose desde el borde interno hasta la boca externa de la hendidura de unión al ATP del sitio activo de la enzima. El bucle rico en glicina y el lóbulo pequeño de la hendidura permiten una unión ajustada por ajuste inducido. [ 5 ]
Cada subsitio del bolsillo de unión de ATP en PKA está ocupado por un sustituyente de la molécula de balanol, como se observa en estudios de la subunidad catalítica recombinante de PKA de ratón. [ 5 ] El subsitio de adenina de PKA tiene componentes hidrofóbicos y tiene el potencial de donar y aceptar electrones para formar enlaces de hidrógeno con uno o dos anillos cíclicos planares. Específicamente, el nitrógeno del esqueleto de Val123 y el átomo de oxígeno carbonílico de Glu121 pueden formar enlaces de hidrógeno con el único grupo hidroxilo del fragmento 4-hidroxibenzoílo del balanol. En la molécula de ATP, el átomo de hidrógeno amida de Val123 acepta electrones del átomo N1 del anillo de purina del ATP, mientras que el átomo de oxígeno carbonílico del esqueleto de Glu121 dona electrones al átomo N6 del anillo de purina del ATP. Los miméticos de ATP como el balanol pueden anclarse dentro del bolsillo de unión de adenina hidrofóbico porque sus sustituyentes planares pueden formar interacciones no polares favorables. El subsitio de ribosa está ocupado por el anillo de azepano del balanol. Específicamente, el átomo N1 del anillo de azepano forma enlaces de hidrógeno con el átomo de oxígeno carbonilo del esqueleto de Glu170 del bucle catalítico. Los átomos dentro del anillo de azepano también pueden establecer contactos no polares favorables con los residuos Gly50, Flu127 y Glu170. Si bien también ocurren otras interacciones, la mayoría de las interacciones polares y no polares involucran al sustituyente benzofenona del balanol, que interactúa con los residuos que componen el subsitio de unión al fosfato. Por ejemplo, el anillo de benzofenona del balanol interactúa con numerosos residuos altamente conservados en la PKA, como Gly52, Phe54, Asp184, entre otros, además de varios residuos no conservados como Leu74 y Gln84. La mayoría de los residuos conservados en la PKA interactúan con el ATP, mientras que no se producen interacciones del ATP con los residuos no conservados. [ 5 ]
Seis moléculas de agua ordenadas también desempeñan funciones cruciales en la unión del balanol a la PKA. Varios residuos de la PKA, como Leu49 y Tyr330, forman enlaces de hidrógeno con moléculas de agua conservadas. Estas moléculas de agua también median las interacciones entre el balanol y los residuos de la hendidura catalítica de la PKA; por ejemplo, dos moléculas de agua forman un puente que permite que el átomo N1' del balanol interactúe con el grupo hidroxilo de Tyr330. [ 5 ]
Sin embargo, la estrecha interacción del balanol con el sitio de unión del ATP, que le confiere su potencia como inhibidor, no se debe a enlaces de hidrógeno, sino a las interacciones predominantemente no polares que establece la molécula. Por ejemplo, los anillos de benzofenona del balanol se sitúan junto al bucle rico en glicina y más alejados del bucle catalítico, que es más polar. En comparación con los trifosfatos del ATP, la acomodación de los anillos de benzofenona del balanol induce la reorganización de las cadenas laterales catalíticas Phe54 y Ser53, lo que permite interacciones polares y no polares favorables y probablemente contribuye al potente efecto inhibidor del balanol sobre estas quinasas. [ 5 ]
Acción contra otras quinasas de proteínas
Como el balanol actúa específicamente en el sitio de unión de ATP en el núcleo catalítico de PKA y PKC, inicialmente se hipotetizó que el balanol podría inhibir todas las serina/treonina quinasas que comparten un sitio de unión de ATP conservado. Sin embargo, el balanol no inhibe todas las serina/treonina quinasas de manera uniforme. La afinidad al balanol varía mucho (K i = 1,6–742 nM), y varios miembros de la familia de la proteína quinasa de serina/treonina no se ven afectados en absoluto, aunque la afinidad de estas quinasas por el ATP varía poco (13–60 μM). [ 6 ] El balanol exhibe el efecto inhibidor más potente (K i = 1,6–6,4 nM) sobre la proteína quinasa dependiente de cGMP ( PKG ), PKA y PKC, incluidas las isoformas. [ 6 ] Ejerce un efecto mucho menor (K i = 30 – 742 nM), si es que lo tiene, sobre las quinasas reguladas por Ca 2+ -calmodulina, la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK/Erk1) y ciertas quinasas dependientes de ciclinas. [ 6 ] Además, el balanol no inhibe dos tirosina quinasas, la quinasa SC ni la quinasa del receptor del factor de crecimiento epidérmico. [ 2 ]
Referencias
- 1 2 Kulanthaivel P, Hallock YF, Boros C, Hamilton SM, Janzen WP, Ballas LM, Loomis CR, Jiang JB, Katz B (1993). "Balanol: Un nuevo y potente inhibidor de la proteína quinasa C del hongo Verticillium balanoides". J. Am. Chem. Soc . 115 (14): 6452– 6453. Bibcode : 1993JAChS.115.6452K . doi : 10.1021/ja00067a087 .
- 1 2 Koide K, Bunnage ME, Gomez Paloma L, Kanter JR, Taylor SS, Brunton LL, Nicolaou KC (septiembre de 1995). "Diseño molecular y actividad biológica de inhibidores de la proteína quinasa potentes y selectivos relacionados con el balanol" . Química y Biología . 2 (9): 601– 8. doi : 10.1016/1074-5521(95)90124-8 . PMID 9383464 .
- 1 2 Pande V, Ramos MJ, Gago F (agosto de 2008). "El inhibidor de la proteína quinasa balanol: relaciones estructura-actividad y estudios computacionales basados en la estructura". Agentes anticáncer en química medicinal . 8 (6): 638– 45. doi : 10.2174/187152008785133056 . PMID 18690827 .
- ↑ Gassel M, Breitenlechner CB, Rüger P, Jucknischke U, Schneider T, Huber R, et al. (junio de 2003). "Mutantes de la proteína quinasa A que imitan el sitio de unión de ATP de la proteína quinasa B (AKT)". Journal of Molecular Biology . 329 (5): 1021– 34. doi : 10.1016/S0022-2836(03)00518-7 . PMID 12798691 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Narayana N, Diller TC, Koide K, Bunnage ME, Nicolaou KC, Brunton LL, et al. (febrero de 1999). "Estructura cristalina del potente inhibidor de producto natural balanol en complejo con la subunidad catalítica de la proteína quinasa dependiente de cAMP". Biochemistry . 38 (8): 2367– 76. doi : 10.1021/bi9820659 . PMID 10029530 .
- 1 2 3 4 5 6 7 Setyawan J, Koide K, Diller TC, Bunnage ME, Taylor SS, Nicolaou KC, Brunton LL (agosto de 1999). "Inhibición de las quinasas de proteínas por balanol: especificidad dentro de la subfamilia de la proteína quinasa de serina/treonina". Farmacología molecular . 56 (2): 370– 6. doi : 10.1124/mol.56.2.370 . PMID 10419556 .
- ↑ Saha T, Maitra R, Chattopadhyay SK (diciembre de 2013). "Un enfoque unificado para el importante inhibidor de la proteína quinasa balanol y un análogo propuesto" . Beilstein Journal of Organic Chemistry . 9 : 2910–5 . doi : 10.3762/bjoc.9.327 . PMC 3896276. PMID 24454570 .
- ↑ Gustafsson AB, Brunton LL (agosto de 1999). "Inhibición diferencial y selectiva de la proteína quinasa A y la proteína quinasa C en células intactas por congéneres de balanol". Farmacología molecular . 56 (2): 377–82 . doi : 10.1124/mol.56.2.377 . PMID 10419557 .
- inhibidores de la proteína quinasa
- Benzamidas
- compuestos de 4-hidroxifenilo
- Azepanos