La promiscuidad enzimática es la capacidad de una enzima para catalizar una reacción secundaria fortuita además de su reacción principal. Aunque las enzimas son catalizadores notablemente específicos, a menudo pueden realizar reacciones secundarias además de su principal actividad catalítica nativa. [1] Estas actividades promiscuas suelen ser lentas en relación con la actividad principal y están sometidas a una selección neutra. A pesar de que normalmente son fisiológicamente irrelevantes, bajo nuevas presiones selectivas, estas actividades pueden conferir un beneficio de aptitud física, lo que provoca la evolución de la actividad antes promiscua para convertirse en la nueva actividad principal. [2] Un ejemplo de esto es la atrazina clorhidrolasa ( codificada por atzA ) dePseudomonas sp. ADP que evolucionó a partir de la melamina desaminasa (codificada por triA ), que tiene una actividad promiscua muy pequeña hacia la atrazina, una sustancia química sintética. [3]
Introducción
Las enzimas se evolucionaron para catalizar una reacción particular en un sustrato particular con una alta eficiencia catalítica ( k cat / K M , cf . La cinética de Michaelis-Menten ). Sin embargo, además de esta actividad principal, poseen otras actividades que generalmente son varios órdenes de magnitud inferiores, 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 obtener nuevas funciones ya que la actividad promiscua podría conferir un beneficio de aptitud bajo una nueva presión selectiva que conduzca a su duplicación y selección como una nueva actividad principal.
Evolución de la enzima
Duplicación y divergencia
Existen varios modelos teóricos para predecir el orden de los eventos de duplicación y especialización, pero el proceso real está más entrelazado y difuso (§ Enzimas reconstruidas a continuación ). [4] Por un lado, la amplificación de genes da como resultado un aumento en la concentración de enzima y, potencialmente, la ausencia de una regulación restrictiva, lo que aumenta la velocidad de reacción ( v ) de la actividad promiscua de la enzima, lo que hace que sus efectos sean más pronunciados fisiológicamente ("dosis de genes efecto"). [5] Por otro lado, las enzimas pueden desarrollar una actividad secundaria aumentada con poca pérdida de la actividad primaria ("robustez") con poco conflicto adaptativo (§ Robustez y plasticidad a continuación ). [6]
Robustez y plasticidad
Un estudio de cuatro hidrolasas distintas (paraoxonasa sérica humana (PON1), pseudomonad fosfotriesterasa (PTE), proteína tirosina fospatasa (PTP) y anhidrasa carbónica humana II (CAII)) ha demostrado que la actividad principal es "robusta" al cambio, mientras que la las actividades son débiles y más "plásticas". Específicamente, seleccionar una actividad que no es la actividad principal (a través de la evolución dirigida ), no disminuye inicialmente la actividad principal (de ahí su robustez), pero afecta en gran medida las actividades no seleccionadas (de ahí su plasticidad). [6]
La fosfotriesterasa (PTE) de Pseudomonas diminuta evolucionó para convertirse en una arilesterasa (P – O a C – O hidrolasa) en dieciocho rondas ganando un cambio de 10 9 en la especificidad (proporción de K M ), sin embargo, la mayor parte del cambio ocurrió en rondas, donde la actividad PTE vestigial no seleccionada se retuvo y la actividad arilesterasa evolucionada creció, mientras que en las últimas rondas hubo una pequeña compensación por la pérdida de la actividad PTE vestigial a favor de la actividad arilesterasa. [7]
Esto significa, en primer lugar, que una enzima especializada (monofuncional) cuando evoluciona pasa por una etapa generalista (multifuncional), antes de volverse especialista nuevamente, presumiblemente después de la duplicación de genes 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 más claro de la evolución de las enzimas es el aumento de las enzimas biorremediadoras en los últimos 60 años. Debido al muy bajo número de cambios de aminoácidos, estos proporcionan un modelo excelente para investigar la evolución de las enzimas 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 desarrollada se compara con parálogos sin conocer la verdadera identidad del antepasado antes de que los dos genes divergieran. Este problema se puede resolver gracias a la reconstrucción ancestral. Propuesto por primera vez en 1963 por Linus Pauling y Emile Zuckerkandl, la reconstrucción ancestral es la inferencia y síntesis de un gen a partir de la forma ancestral de un grupo de genes, [8] que ha tenido un resurgimiento reciente gracias a técnicas mejoradas de inferencia [9] y bajo -costar la síntesis de genes artificiales, [10] resultando en varias enzimas ancestrales, denominadas "stemzymes" por algunos [11] - para ser estudiadas. [12]
La evidencia obtenida de la enzima reconstruida sugiere que el orden de los eventos en los que se mejora la actividad nueva y el gen se duplica no está claramente definido, a diferencia de lo que sugieren los modelos teóricos de evolución genética.
Un estudio mostró que el gen ancestral de la familia de proteasas de defensa inmune en mamíferos tenía una especificidad más amplia y una eficiencia catalítica más alta que la familia contemporánea de parálogos, [11] mientras que otro estudio mostró que el receptor de esteroides ancestrales de los vertebrados era un receptor de estrógeno con ligera ambigüedad de sustrato para otras hormonas, lo que indica que probablemente no se sintetizaron en ese momento. [13]
Esta variabilidad en la especificidad ancestral no solo se ha observado entre diferentes genes, sino también dentro de la misma familia de genes. A la luz del gran número de genes parálogos de la α-glucosidasa fúngica con una serie de 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 descubrió que el último ancestro común de los parálogos era principalmente activo en sustratos similares a la maltosa con solo trazas de actividad para azúcares similares a la isomaltosa, a pesar de conducir a un linaje de glucosidasas de iso-maltosa y un linaje que se dividió aún más en glucosidasas de maltosa e iso-maltosa glucosidasas. Antitéticamente, el ancestro antes de la última división tenía una actividad glucosidasa similar a la isomaltosa más pronunciada. [4]
Metabolismo primordial
Roy Jensen en 1976 teorizó que las enzimas primordiales tenían que ser muy promiscuas para que las redes metabólicas se ensamblaran en forma de mosaico (de ahí su nombre, el modelo de mosaico ). Esta versatilidad catalítica primordial se perdió más tarde en favor de enzimas ortólogas especializadas altamente catalíticas. [14] Como consecuencia, muchas enzimas metabólicas centrales tienen homólogos estructurales que divergieron antes del último ancestro común universal . [15]
Distribución
La promiscuidad no es solo un rasgo primordial, 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 [16] ) podrían rescatarse sobreexpresando una proteína de E. coli no análoga (utilizando un conjunto combinado de plásmidos de la colección ASKA [17] ). Los mecanismos por los cuales el ORF no afín podría rescatar el knockout se pueden agrupar en ocho categorías: sobreexpresión de isoenzimas (homólogos), ambigüedad de sustrato, ambigüedad de transporte (barrido), promiscuidad catalítica, mantenimiento del flujo metabólico (incluida la sobreexpresión del gran componente de una sintasa en la ausencia de la subunidad amina transferasa), derivación de la vía, efectos reguladores y mecanismos desconocidos. [5] De manera similar, la sobreexpresión de la colección ORF permitió a E. coli ganar más de un orden de magnitud en resistencia en 86 de 237 ambientes tóxicos. [18]
Homologia
A veces se sabe que los homólogos muestran promiscuidad hacia las principales reacciones de los demás. [19] Esta promiscuidad cruzada ha sido más estudiada con miembros de la superfamilia de la fosfatasa alcalina , que catalizan la reacción hidrolítica en el enlace éster sulfato, fosfonato, monofosfato, difosfato o trifosfato de varios compuestos. [20] A pesar de la divergencia, los homólogos tienen un grado variable de promiscuidad recíproca: las diferencias en la promiscuidad se deben a los mecanismos involucrados, particularmente al intermedio requerido. [20]
Grado de promiscuidad
Las enzimas generalmente se encuentran en un estado que no solo es un compromiso entre la estabilidad y la eficiencia catalítica, sino también la especificidad y la capacidad de evolución, las dos últimas dictan si una enzima es generalista (altamente evolutiva debido a una gran promiscuidad, pero baja actividad principal) o una enzima. especialista (actividad principal alta, poco evolutiva debido a la baja promiscuidad). [21] Ejemplos de estos son las enzimas para el metabolismo primario y secundario en las plantas (§ Metabolismo secundario de las plantas más abajo ). Pueden entrar en juego otros factores, por ejemplo, la glicerofosfodiesterasa ( gpdQ ) de Enterobacter aerogenes muestra diferentes valores para sus actividades promiscuas dependiendo de los dos iones metálicos que se une, lo que está dictado por la disponibilidad de iones. [22] En algunos casos, la promiscuidad se puede aumentar relajando la especificidad del sitio activo agrandándolo 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 el mutante E323G de una enzima lactonizante de muconato de pseudomónada II, lo que les permite catalizar promiscuamente la actividad de la O-succinilbenzoato sintasa ( menC ). [23] Por el contrario, la promiscuidad puede disminuir como fue el caso de la γ-humuleno sintasa (una sesquiterpeno sintasa) de Abies grandis que se sabe que produce 52 sesquiterpenos diferentes de difosfato de farnesilo en varias mutaciones. [24]
Los estudios sobre enzimas con amplia especificidad, no promiscuas, pero conceptualmente cercanas, como la tripsina y 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. [25] [26]
Toxicidad
Una actividad promiscua es una actividad no nativa para la que la enzima no evolucionó, pero surge debido a una conformación acomodaticia del sitio activo. Sin embargo, la actividad principal de la enzima es el resultado no solo de la selección hacia una alta velocidad catalítica hacia un sustrato particular para producir un producto particular, sino también para evitar la producción de productos tóxicos o innecesarios. [2] Por ejemplo, si una síntesis de tRNA cargó un aminoácido incorrecto en un tRNA, el péptido resultante tendría propiedades alteradas inesperadamente, por lo que para mejorar la fidelidad están presentes varios dominios adicionales. [27] De manera similar en reacción a las síntesis de ARNt, la primera subunidad de la tirocidina sintetasa ( tyrA ) de Bacillus brevis adenila una molécula de fenilalanina para usar el resto adenilo como asa para producir tirocidina , un péptido cíclico no ribosómico . Cuando se probó la especificidad de la enzima, se encontró que era altamente selectiva contra los aminoácidos naturales que no eran fenilalanina, pero era mucho más tolerante hacia los aminoácidos no naturales. [28] Específicamente, la mayoría de los aminoácidos no fueron catalizados, mientras que el siguiente aminoácido nativo más catalizado fue la tirosina estructuralmente similar, pero en una milésima parte de la fenilalanina, mientras que varios aminoácidos no naturales se catalizaron mejor que la tirosina, a saber, D-fenilalanina. , β-ciclohexil-L-alanina, 4-amino-L-fenilalanina y L-norleucina. [28]
Un caso peculiar de actividad secundaria seleccionada son las polimerasas y endonucleasas de restricción, donde la actividad incorrecta es en realidad el resultado de un compromiso entre la fidelidad y la capacidad de evolución. Por ejemplo, para las endonucleasas de restricción, la actividad incorrecta (actividad estrella ) suele ser letal para el organismo, pero una pequeña cantidad permite que nuevas funciones evolucionen contra nuevos patógenos. [29]
Metabolismo secundario vegetal
Las plantas producen una gran cantidad de metabolitos secundarios gracias a enzimas que, a diferencia de las que intervienen en el metabolismo primario, son menos eficientes catalíticamente pero tienen una mayor elasticidad mecanicista (tipos de reacción) y especificidades más amplias. El umbral de deriva liberal (provocado por la baja presión selectiva debido al pequeño tamaño de la población) permite que la ganancia de aptitud proporcionada por uno de los productos mantenga las otras actividades aunque sean fisiológicamente inútiles. [30]
Biocatálisis
En biocatálisis se buscan muchas reacciones que están ausentes en la naturaleza. Para hacer esto, las enzimas con una pequeña actividad promiscua hacia la reacción requerida se identifican y evolucionan mediante evolución dirigida o diseño racional . [31]
Un ejemplo de una enzima desarrollada comúnmente es la ω-transaminasa que puede reemplazar una cetona con una amina quiral [32] y, en consecuencia, están disponibles comercialmente bibliotecas de diferentes homólogos para la biominación rápida ( por ejemplo, Codexis [33] ).
Otro ejemplo es la posibilidad de utilizar las actividades promiscuas de la cisteína sintasa ( cysM ) hacia nucleófilos para producir aminoácidos no proteinogénicos . [34]
Similitud de reacción
La similitud entre reacciones enzimáticas ( EC ) se puede calcular utilizando cambios de enlace, centros de reacción o métricas de subestructura ( EC-BLAST ). [35]
Drogas y promiscuidad
Mientras que la promiscuidad se estudia principalmente en términos de cinética enzimática estándar, la unión al fármaco y la reacción posterior es una actividad promiscua, ya que la enzima cataliza una reacción inactivante hacia un sustrato nuevo que no evolucionó para catalizar. [6] Esto podría deberse a la demostración de que solo hay una pequeña cantidad de bolsas de unión de ligandos distintas en las proteínas.
El metabolismo xenobiótico de mamíferos , por otro lado, se desarrolló 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. [36]
Ver también
- Evolución por duplicación de genes
- Cinética de Michaelis-Menten
- Promiscuidad molecular
- Proteína pluriempleo
- Susumu Ohno
Notas al pie
- ^ La mayoría de los autores se refieren como actividades promiscuas a las actividades no evolucionadas y no a las actividades secundarias que han evolucionado. [2] En consecuencia, las glutatión S-transferasas (GST) y las citocromo P450 monooxigenasas (CYP) se denominanenzimas multiespecíficas o de amplia especificidad . [2] La capacidad de catalizar diferentes reacciones a menudo se denomina 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, es decir, bien se refiere a una actividad promiscua que surge cuando uno o dos residuos están mutados o simplemente como sinónimo de promiscuo para evitar este último término. Promiscuidad aquí significa embrollo , no lujuria ; este último es un significado recientemente adquirido de la palabra. [37]
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