La escualeno-hopeno ciclasa (SHC) ( EC 5.4.99.17) o hopan-22-ol hidroliasa es una enzima de la familia de las terpeno ciclasas/mutasas. Cataliza la interconversión de escualeno en triterpenos pentacíclicos, hopeno y hopanol . [2] [3] [4] [5] [6] Esta enzima cataliza las siguientes reacciones químicas.
La SHC es importante porque sus productos, los hopanoides, son muy parecidos a los esteroles en eucariotas en el sentido de que condensan las membranas lipídicas y reducen la permeabilidad. De hecho, la SHC y las enzimas productoras de esteroles ( oxidoescualeno ciclasa ) están relacionadas evolutivamente entre sí. [7] Se infiere que los hopanoides proporcionan estabilidad frente a altas temperaturas y acidez extrema debido a la estructura rígida del anillo. [8] De hecho, la regulación positiva de la SHC ocurre en ciertas bacterias en presencia de ambientes cálidos o ácidos. [9] [10] La SHC se encuentra principalmente en bacterias, pero también se sabe que algunos eucariotas, como los hongos y las plantas terrestres , poseen la enzima.
Estructura química del hopeno
Introducción
El SHC se encuentra en una gran cantidad de bacterias [7] pero se aísla más fácilmente de la bacteria termófila Alicyclobacillus acidocaldarius . [11]
Modelo de relleno espacial de la molécula de escualeno
El SHC no requiere oxígeno molecular para su reacción y se cree que es un progenitor evolutivo de la oxidoescualeno ciclasa dependiente de oxígeno (OSC), que produce esteroles tetracíclicos . La OSC es un análogo eucariota del SHC y requiere oxígeno molecular para su catálisis. Esto puede sugerir una evolución posterior de la OSC en relación con el SHC, cuando la atmósfera comenzó a acumular oxígeno, [12] aunque la distribución del SHC también se limita principalmente a las especies aeróbicas.
Estructura
La escualeno-hopeno ciclasa es una proteína asociada a la membrana de 70-75 kDa compuesta por 631 aminoácidos y siete repeticiones PTFB. Existe como un homodímero monotópico. [1]
Mecanismo
La formación del esqueleto de hopeno es una de las reacciones de un solo paso más complejas en bioquímica. [13] En un solo paso, se rompen o forman 13 enlaces covalentes, se establecen 9 centros quirales y se producen 5 anillos. [14] La ciclasa de escualeno-hopeno cataliza la conversión de la molécula acíclica de escualeno en los triterpenos pentacíclicos de hopeno y hopanol. Estos productos aparecen en la proporción 5:1. La síntesis de hopeno comienza con la unión del escualeno en una conformación de pre-silla y es seguida por la formación de cinco enlaces CC. [15] Estos pasos de reacción secuenciales de formación de anillos se inician por un ataque electrofílico de un protón ácido en uno de los dos enlaces dobles terminales. La formación policíclica se completa cuando se elimina un protón del grupo metilo terminal alternativo del escualeno a través de la aceptación por una molécula de agua. [5] Esta base se conoce como agua frontal . Otras moléculas de agua actúan para mejorar la polarización ( aguas remanentes ) y construir enlaces de hidrógeno entre siete residuos: T41, E45, E93, R127, Q262, W133 e Y267. El agua frontal también desempeña un papel en la determinación del producto final. Si almacena el protón generado a partir del grupo metilo 29 o 30 para formar hopene. Sin embargo, el hopanol se produce en menores cantidades si en lugar de aceptar el protón, el agua aporta un hidroxilo al catión C-22 del anillo A. [16]
Residuos activos sugeridos en la escualeno-hopeno ciclasa
Durante la formación de los anillos A a D, hay muy pocos cambios conformacionales. Por lo tanto, la reacción no requiere intermediarios y puede tener lugar en un solo paso. Sin embargo, la formación del anillo E se ve obstaculizada por una barrera entrópica , lo que puede explicar su ausencia en los esteroides tetracíclicos . [5]
Sitio activo
El sitio activo de SHC se encuentra en una cavidad central dentro de la región de la proteína adyacente a la membrana, y el sustrato accede a él a través de un canal no polar. [17] El sitio activo está notablemente rodeado de residuos aromáticos que forman una cavidad que se ajusta cómodamente a la molécula de escualeno cuando se pliega en una conformación productiva. El mecanismo catalítico utiliza residuos de aspartato e histidina acoplados para iniciar la reacción de ciclización mediante protonación en C3 y desprotonación en C29, procediendo a través de una serie discreta de intermediarios carbocatiónicos . [1] [18] La enzima puede inactivarse mediante mutación de aspartatos catalíticos. [19]
Termodinámica
Esta enzima es inusualmente exotérmica , con una liberación de energía de 40-50 kcal/mol, muy superior a la energía de estabilización de la proteína. Se cree que esto derrite un canal lateral lipídico por el que sale el producto voluminoso. Para mantener su integridad estructural, algunos científicos creen que los 7-8 motivos QW repetidos no en tándem de la enzima (Q es glutamina y W es triptófano ) que conectan numerosas hélices α de la superficie refuerzan la estructura de la proteína y evitan la desnaturalización. [1]
Numerosas hélices de superficie estrechamente unidas
Referencias
^ abcd Wendt KU, Poralla K, Schulz GE (septiembre de 1997). "Estructura y función de una escualeno ciclasa". Science . 277 (5333): 1811–5. doi :10.1126/science.277.5333.1811. PMID 9295270.
^ Hoshino T, Sato T (febrero de 2002). "Escualeno-hopeno ciclasa: mecanismo catalítico y reconocimiento de sustrato". Chemical Communications (4): 291–301. doi :10.1039/b108995c. PMID 12120044.
^ Hoshino T, Nakano S, Kondo T, Sato T, Miyoshi A (mayo de 2004). "Ciclasa de escualeno-hopeno: reacción de desprotonación final, análisis conformacional para la ciclización de (3R,S)-2,3-oxidoscualeno y más evidencia del requerimiento de una fracción de isopropilideno tanto para la iniciación de la cascada de policiclización como para la formación del anillo E de 5 miembros". Química orgánica y biomolecular . 2 (10): 1456–70. doi :10.1039/b401172d. PMID 15136801.
^ Sato T, Kouda M, Hoshino T (marzo de 2004). "Experimentos de mutagénesis dirigida al sitio en el supuesto sitio de desprotonación de la ciclasa de escualeno-hopeno de Alicyclobacillus acidocaldarius". Biociencia, biotecnología y bioquímica . 68 (3): 728–38. doi : 10.1271/bbb.68.728 . PMID 15056909.
^ abc Reinert DJ, Balliano G, Schulz GE (enero de 2004). "Conversión de escualeno en esperanza pentacarbocíclico". Química y Biología . 11 (1): 121–6. doi : 10.1016/j.chembiol.2003.12.013 . PMID 15113001.
^ Pearson A, Budin M, Brocks JJ (diciembre de 2003). "Evidencia filogenética y bioquímica de la síntesis de esteroles en la bacteria Gemmata obscuriglobus". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 100 (26): 15352–7. Bibcode :2003PNAS..10015352P. doi : 10.1073/pnas.2536559100 . PMC 307571 . PMID 14660793.
^ ab Santana-Molina, Carlos; Rivas-Marín, Elena; Rojas, Ana M; Devos, Damien P (1 de julio de 2020). Ursula Battistuzzi, Fabia (ed.). "Origen y evolución de la síntesis de triterpenos policíclicos". Biología Molecular y Evolución . 37 (7): 1925-1941. doi : 10.1093/molbev/msaa054. ISSN 0737-4038. PMC 7306690 . PMID 32125435.
^ Kannenberg, E.; Poralla, K. (1999). "Biosíntesis y función de hopanoide en bacterias". Naturwissenschaften . 86 (4): 168-176. Código Bib : 1999NW..... 86.. 168K. doi :10.1007/s001140050592. S2CID 21596134.
^ Ourisson G, Rohmer M, Poralla K (1987). "Hopanoides procariotas y otros sustitutos de esteroles politerpenoides". Revisión anual de microbiología . 41 : 301–33. doi :10.1146/annurev.mi.41.100187.001505. PMID 3120639.
^ Sahm H, Rohmer M, Bringer-Meyer S, Sprenger GA, Welle R (1993). "Bioquímica y fisiología de los hopanoides en bacterias". Avances en fisiología microbiana . 35 : 247–73. doi :10.1016/s0065-2911(08)60100-9. ISBN9780120277353. Número de identificación personal 8310881.
^ Seckler, B.; Poralla, K. (1986). "Caracterización y purificación parcial de la ciclasa de escualeno-hopeno de Bacillus acidocaldarius". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Temas generales . 881 (3): 356–363. doi :10.1016/0304-4165(86)90027-9.
^ Rohmer, M.; Bouvier, G.; Ourisson, G. (1979). "Evolución molecular de las biomembranas: equivalentes estructurales y precursores filogenéticos de los esteroles". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 76 (2): 847–851. Bibcode :1979PNAS...76..847R. doi : 10.1073/pnas.76.2.847 . PMC 383070 . PMID 284408.
^ Siedenburg G, Jendrossek D (junio de 2011). "Ciclasas de escualeno-hopeno". Microbiología aplicada y ambiental . 77 (12): 3905–15. Código Bibliográfico :2011ApEnM..77.3905S. doi :10.1128/aem.00300-11. PMC 3131620 . PMID 21531832.
^ Corey EJ, Matsuda SP, Bartel B (diciembre de 1993). "Aislamiento de un gen de Arabidopsis thaliana que codifica la cicloartenol sintasa mediante expresión funcional en un mutante de levadura que carece de lanosterol sintasa mediante el uso de una pantalla cromatográfica". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 90 (24): 11628–32. Bibcode :1993PNAS...9011628C. doi : 10.1073/pnas.90.24.11628 . PMC 48037 . PMID 7505443.
^ Zheng YF, Abe I, Prestwich GD (abril de 1998). "Cinética de inhibición y etiquetado de afinidad de la ciclasa de escualeno:hopeno bacteriana por análogos sustituidos con tia del 2,3-oxidoscualeno". Bioquímica . 37 (17): 5981–7. doi :10.1021/bi9727343. PMID 9558334.
^ "BRENDA - Información sobre EC 4.2.1.129 - escualeno-hopanol ciclasa".
^ Gao Y, Honzatko RB, Peters RJ (octubre de 2012). "Estructuras de la sintetasa de terpenoides: una visión hasta ahora incompleta de la catálisis compleja". Natural Product Reports . 29 (10): 1153–75. doi :10.1039/C2NP20059G. PMC 3448952 . PMID 22907771.
^ Hoshino T, Sato T (febrero de 2002). "Escualeno-hopeno ciclasa: mecanismo catalítico y reconocimiento de sustrato". Chemical Communications (4): 291–301. doi :10.1039/B108995C. PMID 12120044.
^ Feil, C.; Sussmuth, R.; Jung, G.; et al. (1996). "Mutagénesis dirigida al sitio de residuos putativos del sitio activo en la ciclasa de escualeno-hopeno". Revista Europea de Bioquímica . 242 (1): 51–55. doi : 10.1111/j.1432-1033.1996.0051r.x . PMID 8954152.
