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promiscuidad enzimática

La promiscuidad enzimática es la capacidad de una enzima para catalizar una reacción secundaria inesperada además de su reacción principal. Aunque las enzimas son catalizadores ...

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La promiscuidad enzimática es la capacidad de una enzima para catalizar una reacción secundaria inesperada además de su reacción principal. Aunque las enzimas son catalizadores notablemente específicos, a menudo pueden realizar reacciones secundarias además de su actividad catalítica principal y nativa. Estas actividades insólitas suelen ser lentas en relación con la actividad principal y están sujetas a selección neutra. A pesar de ser normalmente irrelevantes desde el punto de vista fisiológico, bajo nuevas presiones selectivas, estas actividades pueden conferir una ventaja adaptativa, lo que impulsa la evolución de la actividad anteriormente promiscua para convertirse en la nueva actividad principal. [ 1 ] Un ejemplo de esto es la atrazina clorohidrolasa ( codificada por atzA ) de Pseudomonas sp. ADP evolucionó a partir de la melamina desaminasa ( codificada por triA ), que tiene una actividad promiscua muy pequeña hacia la atrazina, una sustancia química sintética. [ 2 ]

Introducción

Las enzimas han evolucionado para catalizar una reacción particular sobre un sustrato específico con alta eficiencia catalítica ( kcat /KM , cf. cinética de Michaelis-Menten ) . Sin embargo, además de esta actividad principal, poseen otras actividades que generalmente son varios órdenes de magnitud menores y que no son resultado de la selección evolutiva y, por lo tanto, no participan en la fisiología del organismo. [ nb 1 ] Este fenómeno permite la adquisición de nuevas funciones, ya que la actividad promiscua podría conferir una ventaja adaptativa bajo una nueva presión selectiva que conduzca a su duplicación y selección como una nueva actividad principal.

Evolución de las enzimas

Duplicación y divergencia

Existen varios modelos teóricos para predecir el orden de los eventos de duplicación y especialización, pero el proceso real es más complejo e impreciso (§ Enzimas reconstruidas más adelante ). [ 3 ] Por un lado, la amplificación genética produce un aumento en la concentración de la enzima y, potencialmente, una liberación de la regulación restrictiva, lo que incrementa la velocidad de reacción ( v ) de la actividad promiscua de la enzima, haciendo que sus efectos sean más pronunciados fisiológicamente ("efecto de dosis génica"). [ 4 ] Por otro lado, las enzimas pueden desarrollar una mayor actividad secundaria con poca pérdida de la actividad primaria ("robustez") con poco conflicto adaptativo (§ Robustez y plasticidad más adelante ). [ 5 ]

Robustez y plasticidad

Un estudio de cuatro hidrolasas distintas (paraoxonasa sérica humana (PON1), fosfotriesterasa de pseudomonas (PTE), proteína tirosina fosfatasa (PTP) y anhidrasa carbónica II humana (CAII)) ha demostrado que la actividad principal es "robusta" frente al cambio, mientras que las actividades promiscuas son débiles y más "plásticas". Específicamente, la selección de una actividad que no es la principal (mediante evolución dirigida ) no disminuye inicialmente la actividad principal (de ahí su robustez), pero afecta en gran medida a las actividades no seleccionadas (de ahí su plasticidad). [ 5 ]

La fosfotriesterasa (PTE) de Pseudomonas diminuta evolucionó para convertirse en una arilesterasa (hidrolasa de P–O a C–O) en dieciocho rondas, obteniendo un cambio de especificidad de 10 9 (relación de K M ). Sin embargo, la mayor parte del cambio ocurrió en las rondas iniciales, donde se retuvo la actividad vestigial de PTE no seleccionada y creció la actividad de arilesterasa evolucionada, mientras que en las rondas posteriores hubo una pequeña compensación por la pérdida de la actividad vestigial de PTE en favor de la actividad de arilesterasa. [ 6 ]

Esto significa, en primer lugar, que una enzima especializada (monofuncional), al evolucionar, pasa por una etapa generalista (multifuncional) antes de volver a ser especialista —presumiblemente después de la duplicación genética según el modelo IAD— y, en segundo lugar, que las actividades promiscuas son más plásticas que la actividad principal.

Enzimas reconstruidas

El ejemplo más reciente y claro de evolución enzimática es el auge de las enzimas biorremediadoras en los últimos 60 años. Debido al bajo número de cambios de aminoácidos, estas proporcionan un excelente modelo para investigar la evolución enzimática en la naturaleza. Sin embargo, el uso de enzimas existentes para determinar cómo evolucionó la familia de enzimas tiene el inconveniente de que la enzima recién evolucionada se compara con parálogos sin conocer la verdadera identidad del ancestro antes de que los dos genes divergieran. Este problema puede resolverse gracias a la reconstrucción ancestral. Propuesta por primera vez en 1963 por Linus Pauling y Emile Zuckerkandl, la reconstrucción de secuencias ancestrales es la inferencia y síntesis de un gen a partir de la forma ancestral de un grupo de genes, [ 7 ] que ha tenido un resurgimiento reciente gracias a técnicas de inferencia mejoradas [ 8 ] y síntesis de genes artificiales de bajo costo, [ 9 ] lo que ha dado como resultado varias enzimas ancestrales —denominadas "stemzimas" por algunos [ 10 ] — para estudiar. [ 11 ]

Las evidencias obtenidas a partir de la enzima reconstruida sugieren que el orden de los eventos en los que se mejora la nueva actividad y se duplica el gen no es tan claro como sugieren los modelos teóricos de evolución genética.

Un estudio mostró que el gen ancestral de la familia de proteasas de defensa inmunitaria en mamíferos tenía una especificidad más amplia y una mayor eficiencia catalítica que la familia contemporánea de parálogos, [ 10 ] mientras que otro estudio mostró que el receptor de esteroides ancestral de los vertebrados era un receptor de estrógeno con una ligera ambigüedad de sustrato para otras hormonas, lo que indica que probablemente estas no se sintetizaron en ese momento. [ 12 ]

Esta variabilidad en la especificidad ancestral no solo se ha observado entre diferentes genes, sino también dentro de la misma familia génica. En vista del gran número de genes parálogos de α-glucosidasa fúngica con varios sustratos específicos similares a la maltosa (maltosa, turanosa, maltotriosa, maltulosa y sacarosa) y similares a la isomaltosa (isomaltosa y palatinosa), un estudio reconstruyó todos los ancestros clave y encontró que el último ancestro común de los parálogos era principalmente activo en sustratos similares a la maltosa con solo una actividad mínima para azúcares similares a la isomaltosa, a pesar de dar lugar a un linaje de glucosidasas de isomaltosa y a un linaje que posteriormente se dividió en glucosidasas de maltosa y glucosidasas de isomaltosa. Por el contrario, el ancestro anterior a esta última división tenía una actividad glucosidasa similar a la isomaltosa más pronunciada. [ 3 ]

Metabolismo primordial

En 1976, Roy Jensen teorizó que las enzimas primordiales debían ser altamente promiscuas para que las redes metabólicas se ensamblaran de forma fragmentada (de ahí su nombre, el modelo de mosaico ). Esta versatilidad catalítica primordial se perdió posteriormente en favor de enzimas ortólogas altamente especializadas. [ 13 ] Como consecuencia, muchas enzimas metabólicas centrales tienen homólogos estructurales que divergieron antes del último ancestro común universal . [ 14 ]

Distribución

La promiscuidad no es solo un rasgo primario, sino también una propiedad muy extendida en los genomas modernos. Se han realizado una serie de experimentos para evaluar la distribución de actividades enzimáticas promiscuas en E. coli . En E. coli, 21 de 104 knockouts de un solo gen probados (de la colección Keio [ 15 ] ) pudieron ser rescatados mediante la sobreexpresión de una proteína de E. coli no cognada (usando un conjunto combinado de plásmidos de la colección ASKA [ 16 ] ). Los mecanismos por los cuales el ORF no cognado pudo rescatar el knockout se pueden agrupar en ocho categorías: sobreexpresión de isoenzimas (homólogos), ambigüedad de sustrato, ambigüedad de transporte (captación), promiscuidad catalítica, mantenimiento del flujo metabólico (incluida la sobreexpresión del componente grande de una sintasa en ausencia de la subunidad aminotransferasa), derivación de la vía, efectos reguladores y mecanismos desconocidos. [ 4 ] De manera similar, la sobreexpresión de la colección de ORF permitió que E. coli ganara más de un orden de magnitud en resistencia en 86 de 237 ambientes tóxicos. [ 17 ]

Homología

Se sabe que los homólogos a veces muestran promiscuidad hacia las reacciones principales de los demás. [ 18 ] Esta promiscuidad cruzada se ha estudiado principalmente con miembros de la superfamilia de la fosfatasa alcalina , que catalizan la reacción hidrolítica en el enlace éster de sulfato, fosfonato, monofosfato, difosfato o trifosfato de varios compuestos. [ 19 ] A pesar de la separación, los homólogos tienen un grado variable de promiscuidad recíproca: las diferencias en la promiscuidad se deben a los mecanismos involucrados, particularmente al intermedio requerido. [ 19 ]

Grado de promiscuidad

Las enzimas generalmente se encuentran en un estado que no solo representa un compromiso entre estabilidad y eficiencia catalítica, sino también entre especificidad y capacidad de evolución. Estas dos últimas determinan si una enzima es generalista (altamente evolucionable debido a su gran promiscuidad, pero con baja actividad principal) o especialista (alta actividad principal, poco evolucionable debido a su baja promiscuidad). [ 20 ] Ejemplos de estas son las enzimas del metabolismo primario y secundario en plantas (§ Metabolismo secundario de las plantas más adelante ). Otros factores pueden entrar en juego; por ejemplo, la glicerofosfodiesterasa ( gpdQ ) de Enterobacter aerogenes muestra diferentes valores para sus actividades promiscuas dependiendo de los dos iones metálicos a los que se une, lo cual está determinado por la disponibilidad de iones. [ 21 ] En algunos casos, la promiscuidad puede incrementarse relajando la especificidad del sitio activo al agrandarlo con una sola mutación, como fue el caso de un mutante D297G de la epimerasa L-Ala-D/L-Glu de E. coli ( ycjG ) y un mutante E323G de una enzima lactonizante de muconato II de pseudomonas, lo que les permite catalizar de forma promiscua la actividad de la O-succinilbenzoato sintasa ( menC ). [ 22 ] Por el contrario, la promiscuidad puede disminuirse, como fue el caso de la γ-humuleno sintasa (una sesquiterpeno sintasa) de Abies grandis , que se sabe que produce 52 sesquiterpenos diferentes a partir de farnesil difosfato tras varias mutaciones. [ 23 ]

Estudios sobre enzimas con especificidad amplia —no promiscuas, sino conceptualmente cercanas— como la tripsina y la quimotripsina de mamíferos, y la isopropilmalato isomerasa/homoaconitasa bifuncional de Pyrococcus horikoshii han revelado que la movilidad del bucle del sitio activo contribuye sustancialmente a la elasticidad catalítica de la enzima. [ 24 ] [ 25 ]

Toxicidad

Una actividad promiscua es una actividad no nativa para la cual la enzima no evolucionó, sino que surge debido a una conformación acomodativa del sitio activo. Sin embargo, la actividad principal de la enzima es el resultado no solo de la selección hacia una alta tasa catalítica hacia un sustrato particular para producir un producto particular, sino también para evitar la producción de productos tóxicos o innecesarios. [ 1 ] Por ejemplo, si una síntesis de ARNt cargara un aminoácido incorrecto en un ARNt, el péptido resultante tendría propiedades inesperadamente alteradas, en consecuencia, para mejorar la fidelidad están presentes varios dominios adicionales. [ 26 ] De manera similar en la reacción a la síntesis de ARNt, la primera subunidad de la tirocidina sintetasa ( tyrA ) de Bacillus brevis adenila una molécula de fenilalanina para usar la porción adenilo como un asa para producir tirocidina , un péptido cíclico no ribosomal . Al analizar la especificidad de la enzima, se descubrió que era altamente selectiva contra los aminoácidos naturales que no eran fenilalanina, pero mucho más tolerante con los aminoácidos no naturales. [ 27 ] Específicamente, la mayoría de los aminoácidos no fueron catalizados, mientras que el siguiente aminoácido nativo más catalizado fue la tirosina, estructuralmente similar, pero a una milésima parte de la fenilalanina, mientras que varios aminoácidos no naturales fueron catalizados mejor que la tirosina, a saber, D-fenilalanina, β-ciclohexil-L-alanina, 4-amino-L-fenilalanina y L-norleucina. [ 27 ]

Un caso peculiar de actividad secundaria selectiva son las polimerasas y las endonucleasas de restricción, donde la actividad incorrecta es en realidad el resultado de un compromiso entre fidelidad y capacidad de evolución. Por ejemplo, en el caso de las endonucleasas de restricción, la actividad incorrecta ( actividad estrella ) suele ser letal para el organismo, pero una pequeña cantidad permite que evolucionen nuevas funciones contra nuevos patógenos. [ 28 ]

Metabolismo secundario de las plantas

Las antocianinas ( en la imagen se muestra la delfinidina ) confieren a las plantas, en particular a sus flores, una variedad de colores para atraer a los polinizadores y son un ejemplo típico de metabolito secundario de las plantas.

Las plantas producen una gran cantidad de metabolitos secundarios gracias a enzimas que, a diferencia de las involucradas en el metabolismo primario, son menos eficientes catalíticamente, pero poseen una mayor elasticidad mecanística (tipos de reacción) y especificidades más amplias. El umbral de deriva permisivo (causado por la baja presión selectiva debido al pequeño tamaño de la población) permite que la ventaja adaptativa que confiere uno de los productos mantenga las demás actividades, incluso si estas pueden ser fisiológicamente inútiles. [ 29 ]

Biocatálisis

En biocatálisis , se buscan muchas reacciones que no existen en la naturaleza. Para ello, se identifican enzimas con una actividad promiscua reducida hacia la reacción requerida y se desarrollan mediante evolución dirigida o diseño racional . [ 30 ]

Un ejemplo de enzima que ha evolucionado comúnmente es la ω-transaminasa , que puede reemplazar una cetona con una amina quiral [ 31 ] y, en consecuencia, existen bibliotecas de diferentes homólogos disponibles comercialmente para la biominería rápida ( por ejemplo, Codexis [ 32 ] ).

Otro ejemplo es la posibilidad de utilizar las actividades promiscuas de la cisteína sintasa ( cysM ) hacia nucleófilos para producir aminoácidos no proteinogénicos . [ 33 ]

Similitud de reacción

La similitud entre reacciones enzimáticas ( EC ) se puede calcular utilizando cambios de enlaces, centros de reacción o métricas de subestructura ( EC-BLAST Archivado el 30/05/2019 en Wayback Machine ). [ 34 ]

Drogas y promiscuidad

Mientras que la promiscuidad se estudia principalmente en términos de cinética enzimática estándar, la unión del fármaco y la reacción subsiguiente constituyen una actividad promiscua, ya que la enzima cataliza una reacción de inactivación hacia un sustrato novedoso para cuya catálisis no evolucionó. [ 5 ] Esto podría deberse a la demostración de que solo existen unos pocos sitios de unión de ligando distintos en las proteínas.

Por otro lado, el metabolismo de los xenobióticos en los mamíferos evolucionó para tener una amplia especificidad para oxidar, unir y eliminar compuestos lipofílicos extraños que pueden ser tóxicos, como los alcaloides vegetales, por lo que su capacidad para desintoxicar xenobióticos antropogénicos es una extensión de esto. [ 35 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ La mayoría de los autores se refieren como actividades promiscuas a las actividades no evolucionadas y no a las actividades secundarias que han evolucionado. [ 1 ] En consecuencia, las glutatión S-transferasas (GST) y las monooxigenasas del citocromo P450 (CYP) se denominanenzimas multiespecíficas o de amplia especificidad . [ 1 ] La capacidad de catalizar diferentes reacciones se denomina a menudo promiscuidad catalítica o promiscuidad de reacción , mientras que la capacidad de actuar sobre diferentes sustratos se denomina promiscuidad de sustrato o ambigüedad de sustrato . El término latente tiene diferentes significados según el autor, a saber, o bien se refiere a una actividad promiscua que surge cuando uno o dos residuos mutan o simplemente es un sinónimo de promiscuo para evitar este último término. Promiscuidad aquí significa confusión , no lujuria ; este último es un significado adquirido recientemente de la palabra. [ 36 ]

Referencias

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