La enzima cutinasa ( nombre sistemático : cutina hidrolasa , EC 3.1.1.74) es un miembro de la familia de las hidrolasas . Cataliza la siguiente reacción:
En los sistemas biológicos, el éster carboxílico reactivo es un componente del polímero de cutina , y la hidrólisis de la cutina da como resultado la formación de productos monómeros de alcohol y ácido carboxílico .
La cutinasa tiene un número de comisión de enzimas asignado de EC 3.1.1.74. [2] La cutinasa está en la tercera clase de enzimas, lo que significa que su función principal es hidrolizar su sustrato (en este caso, la cutina). [3] Dentro de la tercera clase, la cutinasa se clasifica además en la primera subclase, lo que indica que hidroliza específicamente los enlaces éster. [2] Luego se coloca en la primera subclase, lo que significa que se dirige a los ésteres carboxílicos, que son los que unen los polímeros de cutina. [2]
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La mayoría de las plantas tienen una capa compuesta de cutina, llamada cutícula, en sus superficies aéreas, como tallos, hojas y frutos. [4] Esta capa de cutina está formada por una estructura similar a una matriz que contiene componentes cerosos incrustados en las capas de carbohidratos. [5] La molécula, cutina, que compone la mayor parte de la matriz de la cutícula (40-80%), está compuesta principalmente de cadenas de ácidos grasos que se polimerizan a través de enlaces de ésteres carboxílicos. [4] [6]
Las investigaciones sugieren que la cutina desempeña un papel fundamental en la prevención de infecciones patógenas en los sistemas vegetales. [7] Por ejemplo, los experimentos realizados en plantas de tomate que tenían una incapacidad sustancial para sintetizar cutina descubrieron que los tomates producidos por esas plantas eran significativamente más susceptibles a la infección tanto por patógenos oportunistas como por esporas de hongos inoculadas intencionalmente . [8]
La cutinasa es producida por una variedad de hongos patógenos de plantas, y su actividad se detectó por primera vez en el hongo Penicillium spinulosum . [9] En estudios de Nectria haematococca , un hongo patógeno que es la causa de la podredumbre del pie en las plantas de guisantes, se ha demostrado que la cutinasa desempeña un papel clave para facilitar las primeras etapas de la infección de la planta. [9] También se sugiere que las esporas de hongos que hacen contacto inicial con las superficies de las plantas, una pequeña cantidad de cutinasa catalítica produce monómeros de cutina que a su vez regulan positivamente la expresión del gen de la cutinasa. [9] Esto propone que la vía de expresión de la cutinasa en las esporas de hongos se caracteriza por un ciclo de retroalimentación positiva hasta que el hongo rompe con éxito la capa de cutina; sin embargo, el mecanismo específico de esta vía no está claro. [9] [10] Se ha demostrado que la inhibición de la cutinasa previene la infección por hongos a través de cutículas intactas. [10] Por el contrario, se ha demostrado que la suplementación de cutinasa a hongos que no pueden producirla de forma natural mejora las tasas de éxito de las infecciones fúngicas. [9]
También se han observado cutinasas en algunas especies bacterianas patógenas de plantas , como Streptomyces scabies , Thermobifida fusca , Pseudomonas mendocina y Pseudomonas putida , pero no se han estudiado en la misma medida que las que se encuentran en los hongos. [11] [12] La estructura molecular de la cutinasa de Thermobifida fusca muestra similitudes con la cutinasa fúngica de Fusarium solani pisi , con congruencias en sus sitios activos y mecanismos generales. [11]
La cutinasa pertenece a la clase de proteínas α-β, con una lámina β central de 5 hebras paralelas cubiertas por 5 hélices alfa a cada lado de la lámina. [13] La cutinasa fúngica generalmente está compuesta por alrededor de 197 residuos de aminoácidos , y su forma nativa consiste en un solo dominio. [14] La proteína también contiene 4 residuos de cisteína invariantes que forman 2 puentes disulfuro, cuya escisión da como resultado una pérdida completa de la actividad enzimática. [15] [14]
Las estructuras cristalinas han demostrado que el sitio activo de las cutinasas se encuentra en un extremo de la forma elipsoide de la enzima. [16] Este sitio activo se ve flanqueado por dos estructuras de bucle hidrofóbicas y parcialmente cubierto por 2 puentes delgados formados por cadenas laterales de aminoácidos. [13] [16] No posee una tapa hidrofóbica, que es una característica constituyente común entre otras lipasas . [13] En cambio, la serina catalítica en el sitio activo está expuesta a un solvente abierto, y la enzima cutinasa no muestra comportamientos de activación interfacial en una interfaz acuosa-no polar. [13] [14] Se cree que la activación de la cutinasa se deriva de ligeros cambios en la conformación de los residuos hidrofóbicos, que actúan como una tapa en miniatura. [13] El agujero de oxianión en el sitio activo es una característica constituyente del sitio de unión, que difiere de la mayoría de las enzimas lipolíticas cuyos agujeros de oxianión se inducen tras la unión del sustrato . [17]
La cutinasa es una esterasa de serina, y el sitio activo contiene una tríada serina - histidina - aspartato y un agujero de oxianión, que son elementos característicos de las serina hidrolasas. [15] [18] El sitio de unión del polímero lipídico de cutina consta de dos bucles hidrófobos caracterizados por aminoácidos no polares como leucina , alanina , isoleucina y prolina . [18] Estos residuos hidrófobos muestran un mayor grado de flexibilidad, lo que sugiere un modelo de ajuste inducido para facilitar la unión de la cutina al sitio activo. [13] En el sitio activo de la cutinasa, la histidina desprotona la serina, lo que permite que la serina experimente un ataque nucleofílico en el éster carboxílico de la cutina. [19] Esto es seguido por una reacción de eliminación por la cual el oxígeno cargado (estabilizado por el agujero de oxianión) crea un doble enlace, eliminando un grupo R del polímero de cutina en forma de alcohol. [19] El proceso se repite con un ataque nucleofílico sobre el nuevo éster carboxílico por una molécula de agua desprotonada. [19] Después de esto, el oxígeno cargado reforma su doble enlace, eliminando la unión de serina y liberando el monómero R de ácido carboxílico. [19]
La estabilidad de las cutinasas a temperaturas más altas (20-50 °C) y su compatibilidad con otras enzimas hidrolíticas tiene aplicaciones potenciales en la industria de los detergentes . [20] De hecho, se ha demostrado que las cutinasas son más eficientes en la escisión y eliminación de grasas no cálcicas de la ropa en comparación con otras lipasas industriales. [21] Otra ventaja de la cutinasa en esta industria es su capacidad de ser catalíticamente activa con compuestos de éster solubles en agua y en lípidos, lo que la convierte en un agente degradante más versátil. [20] Esta versatilidad también está sometiendo a la cutinasa a experimentos para mejorar la industria de los biocombustibles debido a su capacidad para facilitar la transesterificación de biocombustibles en varios entornos de solubilidad. [20]
De manera bastante inesperada, la capacidad de degradar la capa de cutina de las plantas y sus frutos tiene el potencial de ser beneficiosa para la industria frutícola. [20] Esto se debe a que la capa de cutícula de las frutas es un supuesto mecanismo de regulación del agua, y la degradación de esta capa somete a las frutas al movimiento del agua a través de su membrana. [22] Al utilizar cutinasa para degradar la cutícula de las frutas, los fabricantes de la industria pueden mejorar el secado de las frutas y administrar más fácilmente conservantes y aditivos a la pulpa de la fruta. [20]
