Sintasa de estrictosidina

La estrictosidina sintasa (EC 4.3.3.2) es una enzima en la biosíntesis de alcaloides que cataliza la condensación de triptamina con secologanina para formar estrictosidina en una reacción formal de Pictet-Spengler :

secologanina

+

 

triptamina

 

 

H ₂ O

 

H ₂ O

 

3-α( S )-estrictosidina

Dado que la condensación de triptamina y secologanina es el primer paso comprometido en la síntesis de alcaloides, la estrictosidina sintasa desempeña un papel fundamental en la gran mayoría de las vías de los alcaloides indólicos. ^{[ 1 ]}

Esta enzima pertenece a la familia de las liasas , específicamente a las amina liasas, que rompen los enlaces carbono-nitrógeno. Puede aislarse de varias plantas productoras de alcaloides de la familia Apocynaceae (por ejemplo, Catharanthus roseus , Voacanga africana ). ^{[ 2 ]} El nombre sistemático de esta clase de enzimas es 3-α( S )-estrictosidina triptamina-liasa (formadora de secologanina) . Otros nombres de uso común incluyen estrictosidina sintetasa , STR y 3-α( S )-estrictosidina triptamina-liasa . Aislada originalmente de la planta Rauvolfia serpentina , una planta medicinal ampliamente utilizada en la medicina popular india, esta enzima participa en la biosíntesis de terpenoides y en la biosíntesis de alcaloides de indol e ipecacuana , las cuales producen muchos compuestos con importantes propiedades fisiológicas y medicinales.

Según estudios estructurales de la estrictosidina sintasa de Rauvolfia serpentina , la triptamina se localiza en el fondo del bolsillo, donde el residuo Glu 309 forma un enlace de hidrógeno con el grupo amina primaria del sustrato. Los residuos Phe 226 y Tyr 151, que se encuentran paralelos al anillo de indol de la triptamina, estabilizan aún más su unión al fijar la triptamina en una estructura tipo sándwich mediante interacciones de enlace pi. ^{[ 3 ]}

Tras la unión al sustrato, la secologanina se sitúa en la entrada del bolsillo, donde los residuos cargados positivamente His 307 e His 277 se unen a la porción de glucosa de la secologanina. Se forma una base de Schiff entre el grupo aldehído de la secologanina y el grupo amino de la triptamina, a partir de la cual Glu309 desprotona el carbono 2 de la triptamina. Esto permite la formación de estrictosidina mediante el posterior cierre del anillo por sustitución electrofílica, como se muestra en la imagen adyacente. ^{[ 3 ]}

La estrictosidina sintasa facilita la formación de 3-α( S )-estrictosidina actuando como un andamio para aumentar las concentraciones locales de triptamina, secologanina y catalizadores ácidos. Su sitio de unión también orienta adecuadamente el intermedio iminio durante la ciclación para producir desastroselectivamente sus productos alcaloides. A diferencia de los mecanismos que subyacen a la formación de varios compuestos de Pictet-Spengler, durante la síntesis de estrictosidina no se forma un intermedio espiroindolenina que contiene un anillo de cinco miembros. Los cálculos teóricos indicaron que una interconversión directa del iminio a un anillo de seis miembros es varios órdenes de magnitud más rápida que la espiroindolenina. ^{[ 4 ]}

La estructura general de la estrictosidina sintasa consiste en un plegamiento de hélice β de 6 aspas dispuesto en un eje de pseudo-simetría séxtuple, donde cada aspa contiene cuatro hebras β que forman una lámina β antiparalela retorcida. También hay tres hélices α presentes en la estructura de la enzima, con la hélice α 3 dando forma al bolsillo de unión hidrofóbico en la parte superior de la hélice y formando una tapa para el sitio activo. Los principales residuos de aminoácidos que forman el sitio activo son Tyr 105, Trp 149, Val 167, Met 180, Val 208, Phe 226, Ser 269, Met 276, His 277, His 307, Phe 308, Glu 309, Leu 323 y Phe 324. ^{[ 3 ]}

A finales de 2007, se habían resuelto 4 estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB : PDB : 2FP8 ,PDB : 2FP9 ,PDB : 2FPB yPDB : 2FPC .

Como se indicó en la introducción, la estrictoidina sintasa cataliza la reacción biológica de Pictet-Spengler de triptamina y secologanina para formar estereoselectivamente 3-alfa(S)-estrictosidina, el precursor universal de los compuestos alcaloides indólicos monoterpenoides. ^{[ 3 ]} También cataliza la formación de 12-aza-estrictosidina, un intermediario importante para los alcaloides citotóxicos, a partir del acoplamiento de secologanina con 7-aza-triptamina. ^{[ 5 ]} La enzima está codificada por un gen de copia única, que está sujeto a la regulación coordinada de hormonas vegetales involucradas en el control del metabolismo primario y secundario de las plantas. El gen codificante es rápidamente regulado negativamente por la auxina , un promotor esencial en la división celular, lo que conduce a niveles más bajos de acumulación de alcaloides. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Por el contrario, el gen es regulado positivamente por el jasmonato , una hormona de estrés vegetal, a través de la activación de una región de 42 pares de bases en el promotor str. ^{[ 8 ]} Varios estudios de la estrictosidina sintasa de Catharanthus roseus indican que la enzima desempeña un papel regulador en el mantenimiento de altas tasas de biosíntesis de alcaloides. Sin embargo, las altas actividades de la enzima no son suficientes para aumentar la producción de alcaloides por sí solas. ^{[ 9 ]} No se necesitan cofactores adicionales para que la estrictosidina sintasa alcance una actividad óptima, aunque los primeros estudios de la enzima derivada de plantas de Apocynaceae identificaron el ''p''-cloromercuribenzoato como un potente inhibidor. ^{[ 2 ]}

Muchos alcaloides indólicos formados por condensación catalizada por la estrictosidina sintasa son precursores importantes de compuestos de importancia medicinal como la quinina , el fármaco antineoplásico camptotecina y los fármacos anticancerígenos vincristina y vinblastina . ^{[ 10 ]} Debido a esto, la estrictosidina sintasa es ampliamente conocida como la enzima de elección para las investigaciones sobre la síntesis quimioenzimática de alcaloides. Una de estas investigaciones encontró que la (21S)-12-aza-naciclina, un derivado de la 12-aza-estrictosidina, exhibe una potente citotoxicidad para la línea celular cancerosa A549. ^{[ 5 ]} Sin embargo, la enzima posee un alto grado de especificidad de sustrato, siendo la porción indol de la triptamina necesaria para el reconocimiento del sustrato. ^{[ 1 ]} Sin embargo, estudios recientes de mutantes han sugerido que la estrictosidina sintasa puede manipularse fácilmente para tener un rango más amplio de especificidad de sustrato. Por ejemplo, la mutación de valina-208 a alanina permite que la estrictosidina sintasa genere 5-metil y 5-metoxiestrictosidinas a partir de sus análogos de triptamina, manteniendo la quiralidad. ^{[ 11 ]} Asimismo, la unión con diversos análogos de secologanina con la misma estereoselectividad que la de la 3-alfa(S)-estrictosidina puede lograrse mediante la mutación de aspartato-177 a alanina, lo que permite la síntesis de una gama más amplia de posibles compuestos alcaloides para futuras investigaciones de descubrimiento de fármacos. ^{[ 12 ]}