Morfinona reductasa

La morfinona reductasa es una enzima que cataliza la saturación dependiente de NADH del doble enlace carbono-carbono de la morfinona y la codeinona , produciendo hidromorfona e hidrocodona respectivamente. ^{[ 1 ]} Esta reacción de saturación es asistida por un cofactor FMN y la enzima es un miembro de la familia de flavoproteínas de barril α/β . ^{[ 1 ]} La secuencia de la enzima se ha obtenido de la bacteria Pseudomonas putida M10 ^{[ 2 ]} y se ha expresado con éxito en levadura ^{[ 3 ]} y otras especies bacterianas. ^{[ 4 ]} Se ha informado que la enzima alberga una alta similitud de secuencia y estructura con la enzima Old Yellow Enzyme , un gran grupo de biocatalizadores redox dependientes de flavina de especies de levadura, ^{[ 5 ]} y una proteína de unión a estrógenos de Candida albicans . ^{[ 4 ]} La enzima ha demostrado valor en la biosíntesis de fármacos semi- opiáceos en microorganismos , ^{[ 6 ]} ampliando la diversidad química de la biosíntesis de BIA . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La morfinona reductasa es una flavoenzima dimérica que comprende dos dominios de barril α/β de 8 pliegues, cada uno con un grupo prostético FMN unido no covalentemente ubicado hacia el centro y el extremo C-terminal del barril. ^{[ 9 ]} En el sitio activo, el residuo Cys-191 actúa como donador de protones en la semirreacción oxidativa con enonas α/β insaturadas. Los residuos His-186 y Asn-189 participan en la unión del ligando y representan una característica conservada que también se observa en las enzimas Old Yellow. ^{[ 10 ]} El residuo Arg-238 contribuye a una interacción clave con la flavina, ya que la cadena lateral de este grupo se encuentra cerca de la región carbonilo N-1/C-2 del anillo de isoaloxazina de la flavina, estabilizando la carga negativa desarrollada durante la reducción enzimática.

La morfinona reductasa toma dos sustratos , morfinona y codeína, y los convierte en hidromorfona e hidrocodona, respectivamente. Esta catálisis forma parte de la vía de degradación de la morfina y la codeína en Pseudomonas putida M10: la morfina deshidrogenasa y la morfinona reductasa, en conjunto, forman una catálisis de dos pasos que convierte la morfina en hidromorfona y la codeína en hidrocodona. ^{[ 1 ]}

El grupo prostético FMN actúa como cofactor en la reacción redox catalizada por la morfinona reductasa. ^{[ 1 ]} En la reducción de morfinona a hidromorfona, FMNH ₂ se oxida a FMN que luego es reducido por NADH (y H ⁺ ) para regenerar FMNH ₂ . Estudios previos ^{[ 1 ] [ 9 ]} mostraron que NADPH no podía usarse como agente reductor, lo que sugirió la especificidad de la enzima hacia NADH como sustrato. Los estudios han demostrado que el mecanismo de reducción de flavina en la morfinona reductasa implica la rápida formación de un intermedio de transferencia de carga E-NADH ^{CT antes de la reducción de FMN. [ 12 ] [ 13 ]} Se sugirió que la enzima adopta un modelo cinético de dos pasos donde la enzima oxidada (estado A) experimenta un intermedio de transferencia de carga enzima-coenzima (estado B) antes de regenerar la forma reducida del cofactor FMN (estado C). El mecanismo de reducción implica la transferencia de un ion hidruro del átomo N5 del FMN a la 2-ciclohexenona. El otro donador de protones para la reacción de saturación permaneció incierto. ^{[ 9 ]}

Los experimentos de cinética en estado estacionario sugirieron que la morfinona reductasa puede seguir un mecanismo cinético híbrido de dos sitios, tipo ping-pong ^{[ 1 ],} en el que los sustratos alcaloides, es decir, la morfinona y la codeinona, se unen independientemente en sitios separados y la reacción redox secuencial se facilita mediante equivalentes reductores que se pasan entre los sitios de unión por medio de grupos prostéticos redox-activos, es decir, FMN.

Se demostró que la enzima es muy similar a una proteína de unión a estrógenos de la especie de hongo Candida albicans , ^{[ 1 ] [ 14 ]} en la que la unión de estrógenos impide la reducción de 2-ciclohexenona. Además, resultados de caracterización experimental previos ^{[ 1 ]} sugirieron que la actividad de la morfinona reductasa es inhibida competitivamente por la progesterona y la cortisona, lo que indica que el mecanismo regulador de la morfinona reductasa podría estar relacionado con su semejanza estructural con la proteína de unión a estrógenos.

La enzima produce hidromorfona e hidrocodona, ambos valiosos fármacos opiáceos semisintéticos . La hidromorfona es un potente analgésico , que ha demostrado ser más potente que la morfina . ^{[ 15 ]} La hidrocodona es un analgésico y antitusivo suave aprobado por la FDA . ^{[ 16 ]}

Cabe destacar que la morfina y la codeína son productos naturales de la vía biosintética de los opiáceos en la planta de amapola Papaver somniferum . Las tecnologías modernas de ingeniería genética e ingeniería metabólica permitieron la producción de estos productos naturales en microorganismos . ^{[ 17 ]} Se ha logrado la biosíntesis completa de compuestos opiáceos en los organismos genéticamente manipulables Saccharomyces cerevisiae ^{[ 3 ]} y Escherichia coli . ^{[ 18 ]} La morfinona reductasa también se expresó con éxito en estos dos organismos. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 19 ]} La enzima representa una candidata prometedora para modificaciones posteriores de compuestos opiáceos, lo que permite la biosíntesis de valiosos fármacos opiáceos semisintéticos en microorganismos. ^{[ 6 ]} Como ejemplo, la morfinona reductasa se utilizó como parte de la vía biosintética de novo de la hidrocodona en levadura. ^{[ 3 ]}