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 actividad catalítica nativa principal. Estas actividades promiscuas suelen ser lentas en relación con la actividad principal y están bajo selección neutral. A pesar de que normalmente son fisiológicamente irrelevantes, bajo nuevas presiones selectivas estas actividades pueden conferir un beneficio físico, provocando así la evolución de la actividad anteriormente promiscua para convertirse en la nueva actividad principal. [1] Un ejemplo de esto es la atrazina clorohidrolasa ( codificada con atzA ) de Pseudomonas sp. ADP que evolucionó a partir de la melamina desaminasa ( codificada con triA ), que tiene una actividad promiscua muy pequeña hacia la atrazina, una sustancia química sintética. [2]
Las enzimas se desarrollan para catalizar una reacción particular en un sustrato particular con una alta eficiencia catalítica ( k cat / KM , cf. 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 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 física bajo una nueva presión selectiva que conduciría a su duplicación y selección como una nueva actividad principal.
Existen varios modelos teóricos para predecir el orden de los eventos de duplicación y especialización, pero el proceso real está más entrelazado y confuso (§ Enzimas reconstruidas a continuación). [3] Por un lado, la amplificación genética da como resultado un aumento en la concentración de la enzima y potencialmente la ausencia de una regulación restrictiva, aumentando así la velocidad de reacción ( v ) de la actividad promiscua de la enzima, haciendo que sus efectos sean más pronunciados fisiológicamente ("dosificación genética efecto"). [4] Por otro lado, las enzimas pueden desarrollar una mayor actividad secundaria con poca pérdida de la actividad primaria ("robustez") con poco conflicto adaptativo (§ Robustez y plasticidad a continuación). [5]
Un estudio de cuatro hidrolasas distintas (paraoxonasa sérica humana (PON1), pseudomonad fosfotriesterasa (PTE), proteína tirosina fosfatasa (PTP) y anhidrasa carbónica II humana (CAII)) ha demostrado que la actividad principal es "robusta" hacia el cambio, mientras que la promiscua las actividades son débiles y más "plásticas". Específicamente, seleccionar una actividad que no es la actividad principal (a través de la evolución dirigida ), inicialmente no disminuye la actividad principal (de ahí su robustez), pero afecta en gran medida las actividades no seleccionadas (de ahí su plasticidad). [5]
La fosfotriesterasa (PTE) de Pseudomonas diminuta evolucionó para convertirse en una arilesterasa (P–O a C–O hidrolasa) en dieciocho rondas, obteniendo un cambio de 10 9 en la especificidad (proporción de KM ) , sin embargo, la mayor parte del cambio ocurrió en la etapa inicial. rondas, donde la actividad de PTE residual no seleccionada se retuvo y la actividad de arilesterasa evolucionada creció, mientras que en las últimas rondas hubo una pequeña compensación por la pérdida de la actividad de PTE residual a favor de la actividad de arilesterasa. [6]
Esto significa, en primer lugar, que una enzima especializada (monofuncional), cuando evoluciona, pasa por una etapa generalista (multifuncional), antes de convertirse nuevamente en especialista (presumiblemente después de la duplicación genética según el modelo IAD) y, en segundo lugar, que las actividades promiscuas son más plásticas que la actividad principal.
El ejemplo más reciente y claro de evolución enzimática 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 evolucionada se compara con parálogos sin conocer la verdadera identidad del antepasado antes de que los dos genes divergieran. Esta cuestión se puede resolver gracias a la reconstrucción ancestral. Propuesta 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, [7] que ha tenido un resurgimiento reciente gracias a técnicas de inferencia mejoradas [8] y baja -Síntesis genética artificial de alto costo, [9] que da como resultado varias enzimas ancestrales, denominadas "zimas madre" por algunos [10] , para ser estudiadas. [11]
La evidencia obtenida a partir de la enzima reconstruida sugiere que el orden de los eventos en los que mejora la actividad nueva y se duplica el gen no está claro, a diferencia de lo que sugieren los modelos teóricos de la evolución genética.
Un estudio demostró que el gen ancestral de la familia de proteasas de defensa inmune en los mamíferos tenía una especificidad más amplia y una mayor eficiencia catalítica que la familia contemporánea de parálogos, [10] mientras que otro estudio mostró que el receptor esteroide ancestral 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. [12]
Esta variabilidad en la especificidad ancestral no sólo 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 α-glucosidasa fúngica con varios sustratos específicos similares a maltosa (maltosa, turanosa, maltotriosa, maltulosa y sacarosa) y similares a 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 los azúcares similares a la isomaltosa, a pesar de conducir a un linaje de isomaltosa glucosidasas y un linaje que se dividió aún más en maltosa glucosidasas e isomaltosa. glucosidasas. Por el contrario, el antepasado anterior a esta última división tenía una actividad glucosidasa similar a la isomaltosa más pronunciada. [3]
Roy Jensen teorizó en 1976 que las enzimas primordiales tenían que ser muy promiscuas para que las redes metabólicas se ensamblaran en forma de mosaico (de ahí su nombre, modelo de mosaico ). Esta versatilidad catalítica primordial se perdió más tarde en favor de enzimas ortólogas especializadas altamente catalíticas. [13] Como consecuencia, muchas enzimas metabólicas centrales tienen homólogos estructurales que divergieron antes del último ancestro común universal . [14]
La promiscuidad no es sólo 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 [15] ) podrían rescatarse sobreexpresando una proteína de E. coli no relacionada (usando un conjunto combinado de plásmidos de la colección ASKA [16] ). Los mecanismos mediante los cuales el ORF no afín podría rescatar la eliminación se pueden agrupar en ocho categorías: sobreexpresión de isoenzimas (homólogos), ambigüedad de sustrato, ambigüedad de transporte (eliminación), promiscuidad catalítica, mantenimiento del flujo metabólico (incluida la sobreexpresión del componente grande de una sintasa en la ausencia de la subunidad de la amina transferasa), derivación de la vía, efectos reguladores y mecanismos desconocidos. [4] 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. [17]
A veces se sabe que los homólogos muestran promiscuidad hacia las reacciones principales de cada uno. [18] Esta promiscuidad cruzada se ha estudiado más con miembros de la superfamilia de las fosfatasas alcalinas , que catalizan la reacción hidrolítica en el enlace éster de sulfato, fosfonato, monofosfato, difosfato o trifosfato de varios compuestos. [19] 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. [19]
Las enzimas generalmente se encuentran en un estado que no sólo es un compromiso entre estabilidad y eficiencia catalítica, sino también entre especificidad y capacidad de evolución, las dos últimas dictan si una enzima es generalista (altamente evolucionable debido a su gran promiscuidad, pero baja actividad principal) o una especialista (alta actividad principal, poco evolucionable por baja promiscuidad). [20] Ejemplos de estos son las enzimas para el metabolismo primario y secundario en las plantas (§ Metabolismo secundario de las plantas a continuación). Pueden entrar en juego otros factores, por ejemplo la glicerofosfodiesterasa ( gpdQ ) de Enterobacter aerogenes muestra diferentes valores de su actividad promiscua dependiendo de los dos iones metálicos que une, lo que viene dictado por la disponibilidad de iones. [21] En algunos casos, la promiscuidad puede aumentarse relajando la especificidad del sitio activo ampliándolo 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 II de muconato de pseudomona, lo que les permite catalizar promiscuamente la actividad de la O-succinilbenzoato sintasa ( menC ). [22] Por el contrario, la promiscuidad se 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 a partir de difosfato de farnesilo tras varias mutaciones. [23]
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. [24] [25]
Una actividad promiscua es una actividad no nativa para la cual la enzima no evolucionó, sino que surge debido a una conformación acomodaticia del sitio activo. Sin embargo, la actividad principal de la enzima es el resultado no sólo de la selección hacia una alta velocidad catalítica hacia un sustrato particular para producir un producto particular, sino también de evitar la producción de productos tóxicos o innecesarios. [1] Por ejemplo, si un ARNt sintetiza cargado un aminoácido incorrecto en un ARNt, el péptido resultante tendría propiedades alteradas inesperadamente y, en consecuencia, para mejorar la fidelidad, están presentes varios dominios adicionales. [26] De manera similar en la reacción a la síntesis de ARNt, la primera subunidad de tirocidina sintetasa ( tyrA ) de Bacillus brevis adenila una molécula de fenilalanina para utilizar el resto adenilo como mango para producir tirocidina , un péptido cíclico no ribosómico . Cuando se investigó la especificidad de la enzima, se descubrió que era altamente selectiva contra los aminoácidos naturales que no eran fenilalanina, pero era mucho más tolerante hacia los aminoácidos no naturales. [27] Específicamente, la mayoría de los aminoácidos no fueron catalizados, mientras que el siguiente aminoácido nativo más catalizado fue la tirosina estructuralmente similar, pero a una milésima parte de la fenilalanina, mientras que varios aminoácidos no naturales fueron catalizados mejor que la tirosina, a saber, la D-fenilalanina. , β-ciclohexil-L-alanina, 4-amino-L-fenilalanina y L-norleucina. [27]
Un caso peculiar de actividad secundaria seleccionada son las polimerasas y las endonucleasas de restricción, donde la actividad incorrecta es en realidad el resultado de un compromiso entre fidelidad y capacidad de evolución. Por ejemplo, en el caso de las endonucleasas de restricción, una actividad incorrecta ( actividad en estrella ) suele ser letal para el organismo, pero una pequeña cantidad permite que evolucionen nuevas funciones contra nuevos patógenos. [28]
Las plantas producen una gran cantidad de metabolitos secundarios gracias a enzimas que, a diferencia de las implicadas 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 (causado por la baja presión selectiva debido al pequeño tamaño de la población) permite que la ganancia de fitness otorgada por uno de los productos mantenga las otras actividades aunque puedan ser fisiológicamente inútiles. [29]
En la biocatálisis se buscan muchas reacciones que están ausentes en la naturaleza. Para ello, se identifican y evolucionan enzimas con una pequeña actividad promiscua hacia la reacción requerida mediante evolución dirigida o diseño racional . [30]
Un ejemplo de una enzima comúnmente evolucionada es la ω-transaminasa que puede reemplazar una cetona con una amina quiral [31] y, en consecuencia, hay bibliotecas de diferentes homólogos disponibles comercialmente para una biominería rápida ( por ejemplo, Codexis [32] ).
Otro ejemplo es la posibilidad de utilizar las actividades promiscuas de la cisteína sintasa ( cysM ) hacia los nucleófilos para producir aminoácidos no proteinógenos . [33]
La similitud entre reacciones enzimáticas (CE) se puede calcular utilizando cambios de enlace, centros de reacción o métricas de subestructura (EC-BLAST Archivado el 30 de mayo de 2019 en Wayback Machine ). [34]
Mientras que la promiscuidad se estudia principalmente en términos de cinética enzimática estándar, la unión del fármaco y la reacción posterior es una actividad promiscua ya que la enzima cataliza una reacción inactivante hacia un nuevo sustrato para el que no evolucionó. [5] Esto podría deberse a la demostración de que sólo hay un pequeño número de zonas distintas de unión a ligandos en las proteínas.
El metabolismo xenobiótico de los mamíferos , por otro lado, evolucionó para tener una amplia especificidad para oxidar, unir y eliminar compuestos lipófilos extraños que pueden ser tóxicos, como los alcaloides de las plantas, por lo que su capacidad para desintoxicar los xenobióticos antropogénicos es una extensión de esto. [35]