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Fluorinasa

La enzima fluorinasa ( EC 2.5.1.63, también conocida como adenosil-fluoruro sintasa) cataliza la reacción entre el ion fluoruro y el cofactor S -adenosil-L-metionina para generar L-metionina y 5'-fluoro-5'-desoxiadenosina , el primer producto comprometido de la vía de biosíntesis de fluorometabolitos. [1] La fluorinasa se aisló originalmente de la bacteria del suelo Streptomyces cowya , pero desde entonces se han identificado homólogos en varias otras especies bacterianas, incluidas Streptomyces sp. MA37, Nocardia brasiliensis y Actinoplanes sp. N902-109. [2] Esta es la única enzima conocida capaz de catalizar la formación de un enlace carbono-flúor, el enlace simple más fuerte en química orgánica. [3]

La fluorinasa cataliza la reacción entre el ion fluoruro y el cofactor S -adenosil-L-metionina (SAM) para generar 5'-fluoro-5'-desoxiadenosina (FDA) y L-metionina (L-Met). [1]

Se ha aislado una enzima clorinasa homóloga , que cataliza la misma reacción con el ion cloruro en lugar del ion fluoruro, de Salinospora tropica , a partir de la vía biosintética de la salinosporamida A. [ 4]

Reactividad

La fluorinasa cataliza una sustitución nucleofílica de tipo S N 2 en la posición C-5' de SAM, mientras que la L-metionina actúa como un grupo saliente neutro. [5] [6] Se estima que la reacción catalizada por la fluorinasa es entre 10 6 [6] y 10 15 [7] veces más rápida que la reacción no catalizada, una mejora significativa de la velocidad. A pesar de esto, la fluorinasa todavía se considera una enzima lenta, con un número de recambio ( k cat ) de 0,06 min −1 . [8] La alta barrera cinética para la reacción se atribuye a la fuerte solvatación del ion fluoruro en agua, lo que resulta en una alta energía de activación asociada con la eliminación de moléculas de agua solvatadas del ion fluoruro acuoso, convirtiendo el fluoruro en un potente nucleófilo dentro del sitio activo.

La reacción catalizada por la fluorinasa es reversible y tras la incubación de 5'-fluoro-5'-desoxiadenosina y L-metionina con la fluorinasa, se producen SAM y iones fluoruro. [9] Reemplazar L-metionina por L-selenometionina da como resultado una mejora de seis veces en la velocidad de la reacción inversa, [9] debido a la mayor nucleofilia del centro de selenio en comparación con el centro de azufre.

La fluorinasa muestra un grado de tolerancia al sustrato para el ion haluro, y también puede utilizar el ion cloruro en lugar del ion fluoruro. Mientras que el equilibrio para la reacción entre SAM y el ion fluoruro se encuentra hacia los productos FDA y L-metionina, la posición de equilibrio se invierte en el caso del ion cloruro. La incubación de SAM y el ion cloruro con la fluorinasa no da como resultado la generación de 5'-cloro-5'-desoxiadenosina (ClDA), a menos que se agregue una enzima adicional, una L- aminoácido oxidasa . La aminoácido oxidasa elimina la L-metionina de la reacción, convirtiéndola en el oxoácido correspondiente.

La fluorinasa también puede catalizar la reacción entre el ion cloruro y el cofactor S -adenosil-L-metionina (SAM) para generar 5'-cloro-5'-desoxiadenosina (ClDA) y L-metionina (L-Met). La reacción solo se produce cuando la L-metionina es eliminada de la reacción por una L-aminoácido oxidasa, lo que impulsa el equilibrio de la reacción hacia ClDA.

La preferencia por el haluro, acoplada a la posición de los dos equilibrios de reacción, permite que la enzima catalice una reacción de transhalogenación neta. [9] La incubación de nucleósidos 5'-cloro con la enzima, junto con L-selenometionina o L-metionina catalítica, da como resultado la producción de nucleósidos 5-fluoro. Cuando se utiliza [ 18 F]fluoruro , esta reacción de transhalogenación se puede utilizar para la síntesis de radiotrazadores para tomografía por emisión de positrones . [10] [11]

La incubación de ClDA con la fluorinasa en presencia de L-metionina y ion fluoruro da como resultado la generación de FDA, a través de un intermedio SAM.

Estudios estructurales

A finales de 2007, se han resuelto 9 estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB 1RQP, 1RQR, 2C2W, 2C4T, 2C4U, 2C5B, 2C5H, 2CBX y 2CC2.

Los nombres que se le dan a la enzima no provienen de la estructura, sino de la función: la molécula sintetizada es 5-fluoro-5-desoxiadenosina. La estructura es homóloga a la serie de enzimas duf-62 . La enzima es un dímero de trímeros (2 moléculas cada una con tres subunidades). Los sitios activos se encuentran entre estas subunidades (interfaces de subunidades), cada una puede unirse a una molécula de SAM a la vez. [12]

Biosíntesis de fluorometabolitos

Véase también

Referencias

  1. ^ ab O'Hagan D, Schaffrath C, Cobb SL, Hamilton JT, Murphy CD (marzo de 2002). "Bioquímica: biosíntesis de una molécula de organofluoruro". Nature . 416 (6878): 279. doi : 10.1038/416279a . PMID  11907567.
  2. ^ Deng H, Ma L, Bandaranayaka N, Qin Z, Mann G, Kyeremeh K, Yu Y, Shepherd T, Naismith JH, O'Hagan D (febrero de 2014). "Identificación de fluorinasas de Streptomyces sp MA37, Norcardia brasiliensis y Actinoplanes sp N902-109 mediante minería de genoma". ChemBioChem . 15 (3): 364–8. doi :10.1002/cbic.201300732. PMID  24449539.
  3. ^ O'Hagan D (febrero de 2008). "Comprensión de la química de los organofluorados. Una introducción al enlace CF". Chemical Society Reviews . 37 (2): 308–19. doi :10.1039/b711844a. PMID  18197347.
  4. ^ Eustáquio AS, Pojer F, Noel JP, Moore BS (enero de 2008). "Descubrimiento y caracterización de una clorinasa dependiente de SAM bacteriana marina". Nature Chemical Biology . 4 (1): 69–74. doi :10.1038/nchembio.2007.56. PMC 2762381 . PMID  18059261. 
  5. ^ Cadicamo CD, Courtieu J, Deng H, Meddour A, O'Hagan D (mayo de 2004). "La fluoración enzimática en Streptomyces cowboyya se produce con una inversión de configuración consistente con un mecanismo de reacción SN2". ChemBioChem . 5 (5): 685–90. doi :10.1002/cbic.200300839. PMID  15122641.
  6. ^ ab Senn HM, O'Hagan D, Thiel W (octubre de 2005). "Información sobre la formación de enlaces CF enzimáticos a partir de cálculos QM y QM/MM". Journal of the American Chemical Society . 127 (39): 13643–55. doi :10.1021/ja053875s. PMID  16190730.
  7. ^ Lohman DC, Edwards DR, Wolfenden R (octubre de 2013). "Catálisis por desolvatación: la destreza catalítica de las enzimas alquilantes de haluro dependientes de SAM". Journal of the American Chemical Society . 135 (39): 14473–5. doi :10.1021/ja406381b. PMID  24041082.
  8. ^ Zhu X, Robinson DA, McEwan AR, O'Hagan D, Naismith JH (noviembre de 2007). "Mecanismo de fluoración enzimática en Streptomyces cowboyya". Revista de la Sociedad Química Americana . 129 (47): 14597–604. doi :10.1021/ja0731569. PMC 3326528. PMID  17985882 . 
  9. ^ abc Deng H, Cobb SL, McEwan AR, McGlinchey RP, Naismith JH, O'Hagan D, Robinson DA, Spencer JB (enero de 2006). "La fluorinasa de Streptomyces cowboyya también es una clorinasa". Angewandte Chemie . 45 (5): 759–62. doi :10.1002/anie.200503582. PMC 3314195 . PMID  16370017. 
  10. ^ Deng H, Cobb SL, Gee AD, Lockhart A, Martarello L, McGlinchey RP, O'Hagan D, Onega M (febrero de 2006). "Formación de enlaces C-(18)F mediada por fluorinasa, una herramienta enzimática para el etiquetado PET". Chemical Communications (6): 652–4. doi :10.1039/b516861a. PMID  16446840.
  11. ^ Thompson S, Onega M, Ashworth S, Fleming IN, Passchier J, O'Hagan D (septiembre de 2015). "Etiquetado de un péptido RGD mediado por la enzima fluorinasa en dos pasos con (18)F para tomografía por emisión de positrones". Chemical Communications . 51 (70): 13542–5. doi : 10.1039/c5cc05013h . hdl : 10023/7790 . PMID  26221637.
  12. ^ Dong C, Huang F, Deng H, Schaffrath C, Spencer JB, O'Hagan D, Naismith JH (febrero de 2004). "Estructura cristalina y mecanismo de una enzima fluorante bacteriana". Nature . 427 (6974): 561–5. doi :10.1038/nature02280. PMID  14765200.