sintasa de policétidos

Las policétido sintasas ( PKS ) son una familia de enzimas o complejos enzimáticos multidominio que producen policétidos , una amplia clase de metabolitos secundarios , en bacterias , hongos , plantas y algunos linajes animales . La biosíntesis de policétidos comparte similitudes notables con la biosíntesis de ácidos grasos . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los genes PKS para un policétido determinado suelen estar organizados en un operón o en grupos de genes . Las PKS de tipo I y tipo II forman grandes complejos proteicos modulares o ensamblajes moleculares disociables; las PKS de tipo III existen como proteínas homodiméricas más pequeñas. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Los PKS se pueden clasificar en tres tipos:

PKS de tipo I

Estructuras proteicas grandes y complejas con múltiples módulos que a su vez constan de varios dominios que generalmente están conectados covalentemente entre sí y realizan diferentes pasos catalíticos. La composición mínima de un módulo PKS de tipo I consta de un dominio aciltransferasa (AT), que es responsable de elegir el bloque de construcción a utilizar, un dominio cetosintasa (KS), que cataliza la formación del enlace C-C y un dominio de proteína transportadora de acilo (ACP), también conocido como dominio de tiolación. Este último contiene un residuo de Ser conservado, modificado postraduccionalmente con una fosfopanteteína en cuyo extremo la cadena de policétido se une covalentemente durante la biosíntesis como un tioéster. Además, dentro de un módulo también pueden existir otros múltiples dominios opcionales, como los dominios cetorreductasa o deshidratasa, que alteran la funcionalidad 1,3-dicarbonilo predeterminada del cetido instalado mediante reducción secuencial a un alcohol y un doble enlace, respectivamente. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Estos dominios trabajan juntos como una cadena de montaje. Este tipo de PKS de tipo I también se conoce como sintasas de policétidos cis-aciltransferasa (PKS cis-AT). En contraste, las denominadas PKS trans-AT evolucionaron de forma independiente y carecen de dominios AT en sus módulos. Esta actividad la proporcionan, en cambio, dominios AT independientes. Además, suelen contener dominios poco comunes con actividades catalíticas únicas. ^{[ 7 ]}

PKS de tipo II

Se comportan de forma muy similar a las PKS de tipo I, pero con una diferencia clave: en lugar de una gran megaenzima, las PKS de tipo II son enzimas monofuncionales separadas. La PKS de tipo II más pequeña posible consta de un ACP, así como de dos unidades KS heterodiméricas (KSα, que cataliza la formación del enlace C-C y KSβ, también conocida como "factor de longitud de cadena" — CLF, ya que puede determinar la longitud de la cadena de carbono ^{[ 8 ]} ), que cumplen una función similar a la de los dominios AT, KS y ACP en las PKS de tipo I, aunque las PKS de tipo II carecen de un dominio AT separado. Además, las PKS de tipo II a menudo funcionan de forma iterativa, donde múltiples pasos de elongación de la cadena son llevados a cabo por la misma enzima, de forma similar a las PKS de tipo III. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

PKS de tipo III

Pequeños homodímeros de proteínas de 40 kDa que combinan todas las actividades de los dominios PKS esenciales de tipo I y II. Sin embargo, a diferencia de las PKS de tipo I y II, no requieren un sustrato unido a ACP. En cambio, pueden usar un sustrato acil-CoA libre para la elongación de la cadena. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Además, las PKS de tipo III contienen una tríada catalítica Cys-His-Asn en su centro activo, con el residuo de cisteína actuando como el nucleófilo atacante, mientras que las PKS de tipo I y II se caracterizan por una tríada catalítica Cys-His-His. ^{[ 14 ]} Los productos típicos de las PKS de tipo III incluyen lípidos fenólicos como los alquilresorcinoles.

Además de estos tres tipos de PKS, se pueden clasificar como iterativos o no iterativos. Los PKS iterativos de tipo II reutilizan dominios de forma cíclica.

Otras clasificaciones incluyen el grado de reducción realizado durante la síntesis de la cadena de policétido en crecimiento.

• NR-PKS : policétidos no reductores , cuyos productos son verdaderos policétidos.
• PR-PKS : PKS parcialmente reductoras
• FR-PKS : PKS totalmente reductoras, cuyos productos son derivados de ácidos grasos.

Cada módulo de policétido-sintasa de tipo I consta de varios dominios con funciones definidas, separados por cortas regiones espaciadoras. El orden de los módulos y dominios de una policétido-sintasa completa es el siguiente (en orden del extremo N al extremo C ):

• Módulo de arranque o carga : AT-ACP-
• Módulos de elongación o extensión : -KS-AT-[DH-ER-KR]-ACP-
• Terminación o liberación del dominio: -TE

Dominios:

• AT: Aciltransferasa
• ACP: Proteína transportadora de acilo con un grupo SH en el cofactor , una 4'- fosfopanteteína unida a serina.
• KS: Cetosintasa con un grupo SH en una cadena lateral de cisteína
• KR: Cetorreductasa
• DH: Deshidratasa
• RE: Enoilreductasa
• MT: Metiltransferasa O- o C- (α o β)
• SH: liasa de cisteína dependiente de PLP
• TE: Tioesterasa

La cadena de policétido y los grupos iniciadores se unen con su grupo funcional carboxilo a los grupos SH del dominio ACP y KS a través de un enlace tioéster : R- C (= O ) O H + H S -proteína <=> R- C (= O ) S -proteína + H ₂ O .

Los dominios portadores de ACP son similares a los dominios portadores de PCP de las peptido sintetasas no ribosomales , y algunas proteínas combinan ambos tipos de módulos.

La cadena en crecimiento se transfiere de un grupo tiol al siguiente mediante transacilación y se libera al final por hidrólisis o por ciclación ( alcoholólisis o aminólisis ).

Etapa inicial:

• El grupo iniciador, generalmente acetil-CoA o sus análogos, se carga en el dominio ACP del módulo iniciador mediante la catálisis del dominio AT de dicho módulo.

Etapas de elongación:

• La cadena de policétido se transfiere del dominio ACP del módulo anterior al dominio KS del módulo actual, catalizada por el dominio KS.
• El grupo de elongación, generalmente malonil-CoA o metilmalonil-CoA , se carga en el dominio ACP actual catalizado por el dominio AT actual.
• El grupo elongador unido a ACP reacciona mediante una condensación de Claisen con la cadena de policétido unida a KS bajo desprendimiento de CO₂, dejando un dominio KS libre y una cadena de policétido elongada unida a ACP. La reacción tiene lugar en el extremo n de la cadena unido a KS _, de _modo que la cadena se desplaza una posición y el grupo elongador se convierte en el nuevo grupo unido.
• Opcionalmente, el fragmento de la cadena de policétido puede modificarse gradualmente mediante dominios adicionales. El dominio KR (ceto-reductasa) reduce el grupo β-ceto a un grupo β-hidroxi, el dominio DH (deshidratasa) escinde el _H₂O , lo que da como resultado el alqueno α-β-insaturado , y el dominio ER (enoil-reductasa) reduce el doble enlace α-β a un enlace simple. Estos dominios de modificación afectan en realidad a la adición previa a la cadena (es decir , al grupo añadido en el módulo anterior), no al componente reclutado en el dominio ACP del módulo que contiene el dominio de modificación.
• Este ciclo se repite para cada módulo de elongación.

Etapa de terminación:

• El dominio TE hidroliza la cadena de policétido completa del dominio ACP del módulo anterior.

Las sintasas de policétidos son una fuente importante de moléculas pequeñas de origen natural utilizadas en quimioterapia. ^{[ 15 ]} Por ejemplo, muchos de los antibióticos de uso común, como la tetraciclina y los macrólidos , son producidos por sintasas de policétidos. Otros policétidos de importancia industrial son el sirolimus (inmunosupresor), la eritromicina (antibiótico), la lovastatina (fármaco para reducir el colesterol) y la epotilona B (fármaco anticancerígeno). ^{[ 16 ]}

Los policétidos son una gran familia de productos naturales ampliamente utilizados como fármacos, pesticidas, herbicidas y sondas biológicas. ^{[ 17 ]}

Existen compuestos policétidos con propiedades antifúngicas y antibacterianas, como la ofiocordina y la ofiosetina.

Y se investigan para la síntesis de biocombustibles y productos químicos industriales. ^{[ 18 ]}

Solo alrededor del 1% de todas las moléculas conocidas son productos naturales, sin embargo, se ha reconocido que casi dos tercios de todos los fármacos actualmente en uso se derivan, al menos en parte, de una fuente natural. ^{[ 19 ]} Este sesgo se explica comúnmente con el argumento de que los productos naturales han coevolucionado en el medio ambiente durante largos períodos de tiempo y, por lo tanto, han sido preseleccionados para estructuras activas. Los productos de la sintasa de policétidos incluyen lípidos con propiedades antibióticas, antifúngicas, antitumorales y de defensa contra depredadores; sin embargo, muchas de las vías de la sintasa de policétidos que bacterias, hongos y plantas utilizan comúnmente aún no se han caracterizado. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Por lo tanto, se han desarrollado métodos para la detección de nuevas vías de la sintasa de policétidos en el medio ambiente. La evidencia molecular respalda la noción de que aún quedan muchos policétidos nuevos por descubrir en fuentes bacterianas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

• Colibactina
• Doxorrubicina

• Sintasas de policétidos en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.