La calcona sintasa o naringenina-calcona sintasa ( CHS ) es una enzima ubicua en las plantas superiores y pertenece a una familia de enzimas policétido sintasa (PKS) conocida como PKS tipo III. Las PKS de 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. CHS fue la primera PKS tipo III 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 en naringenina chalcona .
La catálisis de CHS sirve como paso inicial para la biosíntesis de flavonoides. Los flavonoides son importantes metabolitos secundarios de las plantas que cumplen diversas funciones en las plantas superiores. Estos incluyen pigmentación, protección UV, fertilidad, defensa antifúngica y reclutamiento de bacterias fijadoras de nitrógeno. [3] Se cree que el CHS actúa como un centro central para las enzimas implicadas 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 calcona isomerasa (CHI), una enzima de pasos consecutivos, así como con otras enzimas de pasos no consecutivos 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 CO2 .
La 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 .
CHS existe como una proteína homodimérica con cada monómero de aproximadamente 42-45 kDa de tamaño. [6] Cada monómero posee una actividad 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. CHS contiene un núcleo αβαβα de cinco capas, una ubicación del sitio activo y la interfaz de dimerización que es muy similar a las enzimas que contienen 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 participan 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 los fenilpropanoides .
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 localizan en el núcleo. [8]
Hay dos cavidades de sitio activo bilobuladas distintas ubicadas en el borde inferior del núcleo αβαβα de cada monómero. Bucles idénticos de seis residuos, que se encuentran en la interfaz del dímero , separan los dos sitios activos entre sí. Los bucles tienen Thr132 en el sitio activo y terminan con un enlace peptídico cis a Pro138. Un residuo de Met137 tapa un agujero en el sitio activo del otro monómero. Por lo tanto, el sitio activo está enterrado a excepción de un túnel de unión de CoA de 16 Å que conecta la superficie catalítica con el medio circundante exterior . El ancho del túnel es demasiado estrecho para los sustratos aromáticos y los productos 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 abertura entre el túnel de unión de CoA y la cavidad del sitio activo. Esto limita el acceso de agua al sitio activo al tiempo que admite sustratos e intermedios de diferentes formas y tamaños. Phe215 también orienta los sustratos en el sitio activo durante el alargamiento del intermedio policétido .
El primer paso implica la transferencia de un resto cumaroilo 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 transcurre a través de un carbanión de acetil-CoA derivado de la descarboxilación de malonil-CoA . Esto extiende el intermediario policétido. Después de la generación de una tetracétida unida a tioéster, se produce una condensación de Claisen C1, C6 regioespecífica , formando un nuevo sistema de anillos para generar naringenina chalcona.
El CHS es inhibido 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 del CHS para evitar niveles tóxicos en las plantas. [11]
CHS se expresa constitutivamente en plantas, pero también puede estar sujeto a expresión inducida a través de luz/luz ultravioleta y también en respuesta a patógenos, inductores y heridas. El promotor CHS contiene un motivo de caja G 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 el Cuadro I, el Cuadro II, el Cuadro III, el Cuadro IV o tres copias del Cuadro H (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 tenían la intención de regular positivamente 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 intenso . En cambio, las plantas transgénicas tenían flores blancas moteadas, lo que indica que la introducción del transgén había regulado negativamente o silenciado la expresión de la chalcona sintasa. [13] Una investigación adicional del fenómeno indicó que la regulación negativa 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]
Los CHS, como primer paso comprometido en la vía de los flavonoides, facilitan la producción de flavonoides, fitoalexinas de tipo isoflavonoides y otros metabolitos para proteger a la planta del estrés. La expresión de CHS también participa 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 participa en una vía de fenilpropanoides más amplia y general que sirve como precursores de una variedad de metabolitos vegetales importantes para la salud humana, como antioxidantes, agentes antiinflamatorios, antialérgenos e incluso productos antioncogénicos. [15]
CHS pertenece a una clase más amplia de enzimas conocidas como PKS tipo III. Al ser la primera enzima de este tipo descubierta, todos los demás miembros suelen etiquetarse como "similares a CHS". La mayoría o todas las enzimas divergentes similares a CHS caracterizadas han surgido de una duplicación extensa y una variación genética posterior del gen chs . La duplicación proporciona redundancia funcional a la actividad CHS, lo que permite que el gen chs mute sin poner en peligro la biosíntesis de flavonoides. Estas enzimas divergentes se diferencian del 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 policétidos intermedios idénticos.
La función enzimática del CHS y de las enzimas similares al CHS funciona de manera muy similar a la biosíntesis de ácidos grasos, pero sin la participación de 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 en etapa temprana de la biosíntesis de ácidos grasos tipo II .
Aunque las chalcona sintasas de plantas superiores se han estudiado ampliamente, hay poca información disponible sobre las enzimas de las briofitas (plantas primitivas). La clonación de CHS del musgo Physcomitrella patens reveló una transición importante de las chalcona sintasas presentes en los microorganismos a las presentes en las plantas superiores. [17]
