La chalcona sintasa o naringenina-chalcona sintasa ( CHS ) es una enzima ubicua en las plantas superiores y pertenece a una familia de enzimas policétido sintasas (PKS) conocidas como PKS tipo III. Las PKS tipo III están asociadas con la producción de chalconas , una clase de compuestos orgánicos que se encuentran principalmente en las plantas como mecanismos de defensa naturales y como intermediarios sintéticos. La CHS fue la primera PKS tipo III en ser descubierta. [1] Es la primera enzima comprometida en la biosíntesis de flavonoides . [2] La enzima cataliza la conversión de 4-cumaroil-CoA y malonil-CoA a naringenina chalcona .
La catálisis de CHS sirve como el paso inicial para la biosíntesis de flavonoides. Los flavonoides son metabolitos secundarios importantes de las plantas que cumplen varias funciones en las plantas superiores. Estas incluyen la pigmentación, la protección UV, la fertilidad, la defensa antifúngica y el reclutamiento de bacterias fijadoras de nitrógeno. [3] Se cree que CHS actúa como un eje central para las enzimas involucradas en la vía de los flavonoides. [4] Los estudios han demostrado que estas enzimas interactúan a través de interacciones proteína-proteína . [5] A través de FLIM FRET, se demostró que CHS interactúa con la chalcona isomerasa (CHI), una enzima de paso consecutivo, así como otras enzimas de paso no consecutivo flavanona 3-hidroxilasa (F3H), dihidroflavonol 4-reductasa (DFR) y flavonol sintasa I. [4]
La naringenina-chalcona sintasa utiliza malonil-CoA y 4-cumaroil-CoA para producir CoA , naringenina-chalcona y CO 2 .
El 4-cumaroil-CoA y tres unidades de malonil-CoA se convierten en tres moléculas de dióxido de carbono , cuatro moléculas de coenzima A y una unidad de naringenina chalcona .
La CHS existe como una proteína homodímera con cada monómero de aproximadamente 42-45 kDa de tamaño. [6] Cada monómero posee una actividad de β-ceto sintasa (KS) que cataliza la incorporación secuencial de cabeza a cola de unidades de acetato de dos carbonos en una cadena de policétidos en crecimiento. La CHS contiene un núcleo αβαβα de cinco capas, una ubicación del sitio activo y una interfaz de dimerización que es muy similar a las enzimas que contienen pliegues de tiolasa . La interfaz de dimerización contiene residuos hidrofóbicos e hidrofílicos y generalmente es plana, excepto por un par de hélices N-terminales que se encuentran entrelazadas en la parte superior. Aunque las hélices no están involucradas en la reacción, pueden contener señales de localización intracelular como en la tiolasa de levadura. También pueden sufrir un cambio conformacional para participar en la formación de complejos multiproteicos transitorios con otras enzimas en las diversas vías que divergen de la vía biosintética general de fenilpropanoide .
La enzima se localiza en el citosol , asociándose con la membrana del retículo endoplásmico . [7] En otro estudio, se demostró que CHS y CHI también se co-localizan en el núcleo. [8]
Hay dos cavidades de sitio activo bilobuladas distintas ubicadas en el borde inferior del núcleo αβαβα de cada monómero. Los dos sitios activos están separados por bucles idénticos de seis residuos, que se encuentran en la interfaz del dímero . Los bucles están con Thr132 en el sitio activo y terminan con un enlace cis-peptídico a Pro138. Un residuo de Met137 tapona un agujero en el sitio activo del otro monómero. Por lo tanto, el sitio activo está enterrado excepto por un túnel de unión de CoA de 16 Å que conecta la superficie catalítica con el medio circundante externo . El ancho del túnel es demasiado estrecho para los sustratos y productos aromáticos que deben pasar a través de él, lo que implica que debe haber cierta movilidad dinámica dentro y alrededor del túnel cuando se coloca en solución.
El sitio activo contiene una tríada catalítica conservada de Cys164, His303 y Asn336. Estos residuos ayudan en múltiples reacciones de descarboxilación y condensación, con Cys164 actuando como el nucleófilo del sitio activo . Phe215 y Phe265 son otros dos aminoácidos importantes que actúan como "guardianes" para bloquear la proteína inferior de la apertura entre el túnel de unión de CoA y la cavidad del sitio activo. Esto limita el acceso de agua al sitio activo mientras acomoda sustratos e intermediarios de diversas formas y tamaños. Phe215 también orienta los sustratos en el sitio activo durante la elongación del intermediario policétido .
El primer paso implica una transferencia de una fracción cumaroílo de una molécula iniciadora de 4-cumaroil-CoA a Cys164. [9] A continuación, se produce una serie de reacciones de condensación de tres unidades de acetato de malonil-CoA, cada una de las cuales procede a través de un carbanión de acetil-CoA derivado de la descarboxilación de malonil-CoA . Esto extiende el intermedio policétido. Después de la generación de un tetracétido unido a tioéster, se produce una condensación de Claisen C1,C6 regioespecífica , que forma un nuevo sistema de anillo para generar chalcona de naringenina.
La CHS es inhibida de forma no competitiva por productos de la vía de los flavonoides como la naringenina y la chalcona naringenina. [10] A pesar de la falta de evidencia directa in vivo , se cree que los flavonoides se acumulan en el citosol a un nivel que bloquea la actividad de la CHS para evitar niveles tóxicos en las plantas. [11]
El CHS se expresa de forma constitutiva en plantas, pero también puede ser objeto de expresión inducida a través de la luz/luz ultravioleta y también en respuesta a patógenos, elicitores y heridas. El promotor del CHS contiene un motivo G-box con una secuencia de CACGTG. Se ha demostrado que esto desempeña un papel en la respuesta a la luz. [12] Otros dominios sensibles a la luz incluyen Box I, Box II, Box III, Box IV o tres copias de H-box (CCTACC). [9]
El gen de la chalcona sintasa de las plantas de petunia es famoso por ser el primer gen en el que se observó el fenómeno de la interferencia del ARN ; los investigadores que pretendían aumentar la producción de pigmentos en flores de color rosa claro o violeta introdujeron un transgén para la chalcona sintasa, esperando que tanto el gen nativo como el transgén expresaran la enzima y dieran como resultado un fenotipo de flor de color más profundo . En cambio, las plantas transgénicas tenían flores blancas moteadas, lo que indica que la introducción del transgén había regulado a la baja o silenciado la expresión de la chalcona sintasa. [13] Una investigación más profunda del fenómeno indicó que la regulación a la baja se debía a la inhibición postranscripcional de la expresión del gen de la chalcona sintasa a través de una mayor tasa de degradación del ARN mensajero . [14]
El CHS, como primer paso comprometido en la vía de los flavonoides, facilita la producción de flavonoides, fitoalexinas de tipo isoflavonoide y otros metabolitos para proteger a la planta del estrés. La expresión de CHS también está involucrada en la vía de defensa del ácido salicílico. Al ser compuestos aromáticos, los flavonoides absorben fuertemente la luz ultravioleta a través de un mecanismo mediado por fotorreceptores que protege eficazmente a las plantas del daño del ADN . El CHS está involucrado en una vía de fenilpropanoides más amplia y general que sirve como precursor de una variedad de metabolitos vegetales importantes para la salud humana, como antioxidantes, agentes antiinflamatorios, antialérgenos e incluso productos antioncogénicos. [15]
La CHS pertenece a una clase más amplia de enzimas conocidas como PKS de tipo III. Al ser la primera enzima de su tipo que se descubrió, a todos los demás miembros se les suele etiquetar como "similares a la CHS". La mayoría o la totalidad de las enzimas similares a la CHS divergentes caracterizadas han surgido de una duplicación extensa y la posterior variación genética del gen chs . La duplicación proporciona a la actividad de la CHS redundancia funcional, lo que permite que el gen chs mute sin poner en peligro la biosíntesis de flavonoides. Estas enzimas divergentes se diferencian de la CHS en su preferencia por las moléculas iniciadoras, el número de adiciones de acetilo (a menudo a través de malonil-CoA) e incluso en el mecanismo de formación de anillos utilizado para ciclar intermediarios policétidos idénticos.
La función enzimática de CHS y enzimas similares a CHS funciona de manera muy similar a la biosíntesis de ácidos grasos, pero sin la participación de las proteínas transportadoras de acilo (ACP). [16] La evidencia estructural sugiere que estas enzimas surgieron por ganancia de función de la cetoacil sintasa (KAS) III, una enzima de etapa temprana de la biosíntesis de ácidos grasos tipo II .
Aunque las chalconas sintetasas de plantas superiores han sido ampliamente estudiadas, hay poca información disponible sobre las enzimas de briofitas (plantas primitivas). La clonación de CHS del musgo Physcomitrella patens reveló una importante transición de las chalconas sintetasas presentes en microorganismos a las presentes en plantas superiores. [17]
