EPSP sintasa

La 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato ( EPSP ) sintasa es una enzima producida por plantas y microorganismos . La EPSPS cataliza la siguiente reacción química :

fosfoenolpiruvato (PEP) + 3- fosfoshikimato (S3P) ⇌ fosfato + 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato (EPSP)

Así, los dos sustratos de esta enzima son el fosfoenolpiruvato (PEP) y el 3-fosfoshikimato, mientras que sus dos productos son el fosfato y el 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato.

Esta enzima está ausente en los genomas animales, lo que la convierte en un objetivo atractivo para herbicidas como el glifosato . Se ha incorporado una versión del gen de la enzima resistente al glifosato en cultivos genéticamente modificados .

Nomenclatura

Esta enzima pertenece a la familia de las transferasas , específicamente a aquellas que transfieren grupos arilo o alquilo distintos de los grupos metilo . El nombre sistemático de esta clase de enzimas es fosfoenolpiruvato:3-fosfoshikimato 5- O- (1-carboxivinil)-transferasa . Otros nombres de uso común incluyen:

5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa,
3-enolpiruvilshikimato 5-fosfato sintasa,
3-enolpiruvilshikímico ácido-5-fosfato sintetasa,
5′-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa,
5-enolpiruvil-3-fosfoshikimato sintasa,
5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa,
5-enolpiruvilshikimato-3-ácido fosfórico sintasa,
enolpiruvilshikimato fosfato sintasa, y
3-fosfoshikimato 1-carboxivinil transferasa.

Estructura

La EPSP sintasa es una enzima monomérica con una masa molecular de aproximadamente 46 000. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Consta de dos dominios conectados por cadenas proteicas que funcionan como una bisagra, permitiendo que ambos dominios se acerquen. Cuando un sustrato se une a la enzima, el cambio conformacional provoca que los dominios se acoplen al sustrato en el sitio activo.

La EPSP sintasa se clasifica en dos grupos según su sensibilidad al glifosato. Las enzimas de clase I, presentes en plantas y algunas bacterias, son inhibidas por bajas concentraciones micromolares de glifosato. Las enzimas de clase II, presentes en otras bacterias, son resistentes a la inhibición por glifosato. ^{[ 5 ]}

Ruta del shikimato

La EPSP sintasa participa en la biosíntesis de los aminoácidos aromáticos fenilalanina , tirosina y triptófano a través de la vía del shikimato en bacterias, hongos y plantas. La EPSP sintasa es producida únicamente por plantas y microorganismos; el gen que la codifica no se encuentra en el genoma de los mamíferos . ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} La flora intestinal de algunos animales contiene EPSPS. ^{[ 8 ]}

Reacción

La EPSP sintasa cataliza la reacción que convierte el shikimato-3-fosfato más el fosfoenolpiruvato en 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato (EPSP) a través de un intermedio tetraédrico similar a un acetal . ^[⁹^]^[¹⁰^] Los aminoácidos básicos y ácidos en el sitio activo participan en la desprotonación del grupo hidroxilo del PEP y en los pasos de intercambio de protones relacionados con el propio intermedio tetraédrico, respectivamente. ^[¹¹^]

Los estudios de la cinética enzimática para esta reacción han determinado la secuencia específica y la energética de cada paso del proceso. ^{[ 12 ]} Una lisina con carga neutra (lys-22) actúa como una base general , desprotonando el grupo hidroxilo de S3P de manera que el oxianión resultante pueda atacar el átomo de carbono más electrófilo de PEP. Un ácido glutámico (glu-341) actúa como un ácido general al donar un protón . El glu-341 desprotonado actúa entonces como una base, recuperando su protón, y el grupo S3P es expulsado y protonado por la lisina protonada.

Objetivo del herbicida

La EPSP sintasa es el objetivo biológico del herbicida glifosato. El glifosato es un inhibidor competitivo de la EPSP sintasa, que actúa como un análogo del estado de transición que se une con mayor afinidad al complejo EPSPS-S3P que el PEP e inhibe la vía del shikimato . Esta unión provoca la inhibición de la catálisis de la enzima y bloquea la vía. Finalmente, esto resulta en la muerte del organismo por falta de aminoácidos aromáticos necesarios para su supervivencia. ^{[ 5 ]}^{[ 13 ]}

Tras numerosos ensayos y errores, científicos de Monsanto identificaron una versión de la enzima que era resistente al glifosato y, a la vez, lo suficientemente eficiente para impulsar un crecimiento vegetal adecuado en una cepa de Agrobacterium denominada CP4 ( Q9R4E4 ). La cepa CP4 se encontró sobreviviendo en una columna alimentada con residuos en una planta de producción de glifosato. La enzima sintasa EPSP CP4 se ha incorporado mediante ingeniería genética a varios cultivos modificados genéticamente . ^{[ 5 ]}^{[ 14 ]}

Referencias

^ Priestman MA, Healy ML, Funke T, Becker A, Schönbrunn E (octubre de 2005). "Base molecular de la insensibilidad al glifosato de la reacción de la 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa con shikimato" . FEBS Letters . 579 (25): 5773– 5780. Bibcode : 2005FEBSL.579.5773P . doi : 10.1016/ j.febslet.2005.09.066 . PMID 16225867. S2CID 26614581 .
^ Goldsbrough P (1990). "Amplificación genética en células de tabaco tolerantes al glifosato". Plant Science . 72 (1): 53– 62. Bibcode : 1990PlnSc..72...53G . doi : 10.1016/0168-9452(90)90186-r .
^ Abdel-Meguid SS, Smith WW, Bild GS (diciembre de 1985). "Cristalización de la 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa de Escherichia coli ". Journal of Molecular Biology . 186 (3): 673. doi : 10.1016/0022-2836(85)90140-8 . PMID 3912512 .
^ Ream JE, Steinrücken HC, Porter CA, Sikorski JA (mayo de 1988). "Purificación y propiedades de la 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa de plántulas de Sorghum bicolor cultivadas en la oscuridad" . Plant Physiology . 87 (1): 232–238 . doi : 10.1104/pp.87.1.232 . PMC 1054731. PMID 16666109 .
^ ^a ^b ^c Pollegioni L, Schonbrunn E, Siehl D (agosto de 2011). "Base molecular de la resistencia al glifosato: diferentes enfoques a través de las proteínas" . The FEBS Journal . 278 (16): 2753– 2766. doi : 10.1111/j.1742-4658.2011.08214.x . PMC 3145815. PMID 21668647 .
^ Funke T, Han H, Healy-Fried ML, Fischer M, Schönbrunn E (agosto de 2006). "Base molecular de la resistencia a herbicidas de los cultivos Roundup Ready" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (35 ) : 13010– 13015. Bibcode : 2006PNAS..10313010F . doi : 10.1073 / pnas.0603638103 . JSTOR 30050705. PMC 1559744. PMID 16916934 .
^ Maeda H, Dudareva N (2012). "La vía del shikimato y la biosíntesis de aminoácidos aromáticos en plantas". Annual Review of Plant Biology . 63 (1): 73– 105. Bibcode : 2012AnRPB..63...73M . doi : 10.1146/annurev-arplant-042811-105439 . PMID 22554242 . Las vías AAA consisten en la vía del shikimato (la vía del precorismato) y vías individuales del postcorismato que conducen a Trp, Phe y Tyr.... Estas vías se encuentran en bacterias, hongos, plantas y algunos protistas, pero están ausentes en animales. Por lo tanto, los AAA y algunos de sus derivados (vitaminas) son nutrientes esenciales en la dieta humana, aunque en los animales la tirosina puede sintetizarse a partir de la fenilalanina mediante la fenilalanina hidroxilasa... La ausencia de las vías de los AAA en los animales también convierte a estas vías en objetivos atractivos para los agentes antimicrobianos y los herbicidas.
^ Cerdeira AL, Duke SO (2006). "Estado actual e impactos ambientales de los cultivos resistentes al glifosato: una revisión". Journal of Environmental Quality . 35 (5): 1633– 1658. Bibcode : 2006JEnvQ..35.1633C . doi : 10.2134/jeq2005.0378 . PMID 16899736 .
^ Furdui CM, Anderson KS (2010). "8.18.4.1.1. EPSP sintasa: Un intermediario enzimático tetraédrico de cetal fosfato". Comprehensive Natural Products II. Chemistry and Biology . Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering. Vol. 8. pp. 663– 688. doi : 10.1016/B978-008045382-8.00158-1 .
^ Anderson KS, Sammons RD, Leo GC, Sikorski JA, Benesi AJ, Johnson KA (febrero de 1990). "Observación mediante RMN de 13C del intermedio tetraédrico de la EPSP sintasa unido al sitio activo de la enzima". Biochemistry . 29 (6): 1460– 1465. doi : 10.1021/bi00458a017 . PMID 2334707 .
^ Park H, Hilsenbeck JL, Kim HJ, Shuttleworth WA, Park YH, Evans JN, et al. (febrero de 2004). "Estudios estructurales de la EPSP sintasa de Streptococcus pneumoniae en estado sin ligando, estado unido a intermedio tetraédrico y estado unido a S3P-GLP" . Molecular Microbiology . 51 (4): 963– 971. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03885.x . PMID 14763973. S2CID 45549442 .
^ Anderson KS, Sikorski JA, Johnson KA (septiembre de 1988). "Un intermedio tetraédrico en la reacción de la EPSP sintasa observado mediante cinética de extinción rápida". Biochemistry . 27 (19): 7395– 7406. doi : 10.1021/bi00419a034 . PMID 3061457 .
^Schönbrunn E, Eschenburg S, Shuttleworth WA, Schloss JV, Amrhein N, Evans JN, et al. (February 2001). "Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (4): 1376–1380. Bibcode:2001PNAS...98.1376S. doi:10.1073/pnas.98.4.1376. PMC 29264. PMID 11171958.
^Green JM, Owen MD (June 2011). "Herbicide-resistant crops: utilities and limitations for herbicide-resistant weed management". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 59 (11): 5819–5829. Bibcode:2011JAFC...59.5819G. doi:10.1021/jf101286h. PMC 3105486. PMID 20586458.