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Mandelonitrilo liasa

Figura 1: Modelo de mandelonitrilo liasa basado en la entrada PDB 1JU2 La enzima ( R )-mandelonitrilo liasa ( EC 4.1.2.10, (R)-HNL , (R)-oxinitrilasa , (R)-hidroxinitrilo liasa ...

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Figura 1: Modelo de mandelonitrilo liasa basado en la entrada PDB 1JU2

La enzima ( R )-mandelonitrilo liasa ( EC 4.1.2.10, (R)-HNL , (R)-oxinitrilasa , (R)-hidroxinitrilo liasa ) cataliza la reacción química

cianuro de hidrógeno de mandelonitrilo + benzaldehído ⇌ {\displaystyle \arponesderechoizquierdo}

Esta enzima pertenece a la familia de las liasas , específicamente a las aldehído-liasas, que escinden enlaces carbono-carbono. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es mandelonitrilo benzaldehído-liasa (formadora de cianuro de hidrógeno) . Otros nombres de uso común incluyen hidroxinitrilo liasa , (R)-oxinitrilasa , oxinitrilasa , D-oxinitrilasa , D-alfa-hidroxinitrilo liasa y mandelonitrilo benzaldehído-liasa . Esta enzima participa en el metabolismo de los cianoaminoácidos. Tiene 2 cofactores : flavina y flavoproteína .

Perspectiva histórica

Las liasas de mandelonitrilo, más comúnmente conocidas como HNL (hidroxinitrilo liasas), fueron caracterizadas por primera vez por Wöhler en 1938, basándose en su alta actividad en las almendras. [1] Desde entonces, las HNL se han aislado de una amplia variedad de plantas, incluidas frutas de hueso, [2] granos de sorgo, [3] milpiés, [4] y maracuyá. [5]

Las HNL son peculiares porque, dentro del mismo organismo e incluso de la misma muestra, existe una variedad de isoformas diferentes de esta enzima. Estas isoformas no pueden determinarse entre sí en función de los factores que influyen en la actividad. [6] Esta variedad también resulta de la macroheterogeneidad, ya que algunas isoformas se unen a FAD en su extremo N, mientras que otras no pueden unirse a FAD. Se entiende que este es el caso porque el pliegue N-terminal es una región que se sabe que se une a FAD como un cofactor necesario . También es curioso que FAD no desempeñe ningún papel observado en las reacciones de oxidación-reducción del sitio activo de esta enzima. [1] Las HNL que se unen a FAD lo hacen en una región hidrófoba vecina al sitio activo donde se cree que la unión de FAD confiere estabilidad estructural que permite la acción enzimática. También se observa que estas HNL, denominadas HNL Clase I (o HNL I), tienen glicosilación en el extremo N y la heterogeneidad y presencia distintivas de isoformas dentro del mismo organismo. Por otro lado, la clase II de HNL (HNL II) ofrece una variedad más amplia de sustratos y, en general, favorece la estereoquímica (S) , mientras que la HNL I produce de manera estereoselectiva (R)-mandelonitrilo. [1]

Estructura y acción

Debido a la simple purificación de esta enzima (una purificación de 5 a 30 veces es suficiente para alcanzar la homogeneidad), su análisis biológico y bioquímico se ha estudiado muy a fondo. [1] Además del estudio de muchas isoformas dentro de un organismo determinado, ha habido estudios dedicados a la comprensión de la localización de HNL , la estructura física de la enzima y su sitio activo, y los mecanismos por los cuales es capaz de mediar este importante conjunto de reacciones. Tras la purificación de HNL de cereza negra , la investigación de Wu y Poulton [7] generó antisueros para estas HNL específicas, que luego se aplicaron (con partículas de oro coloidal a cuestas) al cotiledón y endospermo de cereza negra . Aquí se descubrió que HNL se localiza abrumadoramente en las paredes celulares de estas plantas en desarrollo. [7] Estaba tan enriquecido en estas regiones que se observó que más del 5% de las imágenes de la pared celular tomadas mediante microscopía electrónica mostraban las partículas de oro que estaban marcando indirectamente estas proteínas. [7]

Sabiendo dónde está altamente localizada esta proteína, la Figura 1 detalla el trabajo que resalta la estructura de esta proteína y los residuos en su sitio activo respectivamente. De interés específico, las HNL hacen uso de un residuo de Cys catalíticamente activo . [5] Mientras que los residuos de cisteína se conservan a lo largo de las especies en tres ubicaciones separadas (en el sitio de unión de FAD N-terminal y dos en el sitio activo C-terminal ), parece que el residuo catalíticamente activo se encuentra cerca del sitio activo, lo que sugiere un papel importante en la acción catalítica de las HNL. Otras características estructurales indicativas de HNL se dividen en función de su clase. Mientras que se sabe que las HNL de clase II son más heterogéneas y se ven más a menudo en los granos , las HNL de clase I son más típicamente de unión de FAD y funcionan como proteínas de almacenamiento de semillas . Esta acción permite un mayor metabolismo de aminoácidos en las semillas en desarrollo. Debido a que la enzima es capaz de revertir rápidamente esta reacción para crear cianuro de hidrógeno , las HNL juegan un papel esencial en la defensa de la semilla [6] [1]

A finales de 2007, sólo se había resuelto una estructura para esta clase de enzimas, con el código de acceso PDB 1JU2.

Mecanismo de acción

Figura 2: Ruta sintética general de la química orgánica para el mandelonitrilo. [8]


Figura 3: Esquema generalizado del ciclo enzimático y la acción de HNL. El grupo R indica un anillo de benceno. [1] [9] [10] [11] [12]

Se sabe que las HNL son estereoespecíficas , lo que le da a la acción de esta enzima una gran ventaja en la creación efectiva de precursores esenciales para el desarrollo metabólico de aminoácidos y una amplia gama de pequeñas moléculas clínicamente relevantes. Sin embargo, se ha determinado que la amplia variedad de organismos e isoformas que constituyen la familia HNL produce una variedad de mecanismos diferentes que facilitan esta reacción de manera estereoespecífica . Las figuras 2 y 3 detallan los mecanismos bioquímicos sintéticos y resueltos típicos para la formación de este intermediario metabólico clave. Las diferencias clave entre estas vías se basan principalmente en la falta de especificidad enantiomérica conferida a través de las vías sintéticas a pesar del uso de clases similares de reacciones . Además, la mayoría de los métodos sintéticos para facilitar este conjunto de reacciones tienen lugar en disolventes orgánicos , mientras que se ha demostrado que la actividad de HNL es más alta en una interfaz polar-no polar . [1] [13]

Relevancia de la enfermedad

Los HNL y la acción que median son un objetivo clave para el estudio de la ingeniería de proteínas , ya que la formación de mandelonitrilo es un paso clave en una amplia variedad de síntesis orgánicas con potencial médico y terapéutico. El paso mediado por estas enzimas es esencial para la síntesis de la formación de enlaces estereoespecíficos en los broncodilatadores (R)-salbutamol , [14] (S) -anfetaminas , [14] (1R, 2S)-(-)- broncodilatadores de efedrina , [15] además de muchos otros, incluidos Lipitor , [16] Talidomida , [17] y la semisíntesis de antibióticos de cefalosporina . [18] La importancia de estos sintones de mandelonitrilo hace que la clase de enzimas HNL sea un objetivo principal para la catálisis controlada que se ha optimizado a través del trabajo en la interfaz de las condiciones de disolventes polares y no polares. [1] [13]

Referencias

  1. ^ abcdefgh Sharma, Monica; Sharma, Nitya Nand; Bhalla, Tek Chand (agosto de 2005). "Hidroxinitril liasas: en la interfase de la biología y la química". Tecnología enzimática y microbiana . 37 (3): 279–294. doi :10.1016/j.enzmictec.2005.04.013.
  2. ^ Yemm RS, Poulton JE (1986). "Aislamiento y caracterización de múltiples formas de mandelonitrilo liasa de semillas maduras de cereza negra (Prunus serotina Ehrh.)". Arch. Biochem. Biophys . 247 (2): 440–5. doi :10.1016/0003-9861(86)90604-1. PMID  3717954.
  3. ^ Bovti, C., Y CONN, EE (1961) J. Bid Cfiem 236,207-210.
  4. ^ Dadashipour M, Ishida Y, Yamamoto K, Asano Y (2015). "Descubrimiento y propiedades moleculares y biocatalíticas de la hidroxinitrilo liasa de un milpiés invasor, Chamberlinius hualienensis". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 112 (34): 10605–10610. Bibcode :2015PNAS..11210605D. doi : 10.1073/pnas.1508311112 . PMC 4553793 . PMID  26261304. 
  5. ^ ab Nuylert A, Asano Y (2018). "La estructura cristalina y el mecanismo catalítico de la hidroxinitrilo liasa de la maracuyá, Passiflora edulis". FEBS J . 285 (2): 313–324. doi : 10.1111/febs.14339 . PMID  29155493.
  6. ^ ab Hu Z, Poulton JE (1999). "Análisis molecular de la microheterogeneidad de la (R)-(+)-mandelonitrilo liasa en la cereza negra". Plant Physiol . 119 (4): 1535–46. doi : 10.1104/pp.119.4.1535 . PMC 32039 . PMID  10198113. 
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  9. ^ Gruber K (2001). "Elucidación del modo de unión del sustrato a la hidroxinitrilo liasa de Hevea brasiliensis ". Proteínas . 44 (1): 26–31. doi :10.1002/prot.1068. PMID  11354003. S2CID  19757228.
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