Los genes PKS de un determinado policétido suelen estar organizados en un operón o en grupos de genes . Los PKS de tipo I y tipo II forman grandes complejos proteicos modulares o conjuntos moleculares disociables; los PKS de tipo III existen como proteínas homodímeras más pequeñas. [3] [4]
Clasificación
Mecanismos de reacción de las PKS de tipo I, II y III. Descarboxilación de la unidad malonil seguida de condensación de tio-Claisen. a) PKS de tipo I (cis-AT) con dominios de proteína transportadora de acilo (ACP), ceto sintasa (KS) y acil transferasa (AT) unidos covalentemente a otros. b) PKS de tipo II con heterodímero KSα-KSβ y ACP como proteínas separadas. c) PKS de tipo III independiente de ACP.
Las PKS se pueden clasificar en tres tipos:
Las PKS de tipo I son estructuras proteicas grandes y complejas con múltiples módulos que a su vez constan de varios dominios que suelen estar conectados covalentemente entre sí y cumplen diferentes pasos catalíticos. La composición mínima de un módulo de PKS de tipo I consiste en un dominio de aciltransferasa (AT), que es responsable de elegir el bloque de construcción que se utilizará, un dominio de ceto sintasa (KS), que cataliza la formación del enlace CC y un dominio de proteína transportadora de acilo (ACP), también conocido como dominio de tiolación. Este último contiene un residuo Ser conservado, modificado postraduccionalmente con una fosfopanteteína en cuyo extremo la cadena de policétido se une covalentemente durante la biosíntesis como un tioéster. Además, también pueden existir otros dominios opcionales dentro de un módulo, como los dominios de cetorreductasa o deshidratasa, que alteran la funcionalidad 1,3-dicarbonilo predeterminada del cetido instalado mediante reducción secuencial a un alcohol y un doble enlace, respectivamente. [5] [6] Estos dominios trabajan juntos como una línea de montaje. Este tipo de PKS de tipo I también se conoce como policétido sintasa cis-aciltransferasa (cis-AT PKS). En contraste, las llamadas PKS trans-AT evolucionaron de manera independiente y carecen de dominios AT en sus módulos. Esta actividad la proporcionan dominios AT independientes. Además, a menudo contienen dominios poco comunes con actividades catalíticas únicas. [7]
Las PKS de tipo II se comportan de manera muy similar a las de tipo I, pero con una diferencia clave: en lugar de una gran megaenzima, las PKS de tipo II son enzimas monofuncionales separadas. La PKS de tipo II más pequeña posible consta de un ACP, así como de dos unidades KS heterodímeras (KSα, que cataliza la formación del enlace CC y KSβ, también conocido como "factor de longitud de cadena" —CLF, ya que puede determinar la longitud de la cadena de carbonos [8] ), que cumplen una función similar a la de los dominios AT, KS y ACP en las PKS de tipo I, aunque las PKS de tipo II carecen de un dominio AT separado. Además, las PKS de tipo II a menudo funcionan de forma iterativa, donde la misma enzima lleva a cabo múltiples pasos de elongación de la cadena, de forma similar a las PKS de tipo III. [9] [10]
Las PKS de tipo III son pequeños homodímeros de proteínas de 40 kDa que combinan todas las actividades de los dominios esenciales de las PKS de tipo I y II. Sin embargo, a diferencia de las PKS de tipo I y II, no requieren un sustrato unido a ACP. En cambio, pueden utilizar un sustrato de acil-CoA libre para la elongación de la cadena. [11] [12] [13] Además, las PKS de tipo III contienen una tríada catalítica Cys-His-Asn en su centro activo, con el residuo de cisteína actuando como nucleófilo atacante, mientras que las PKS de tipo I y II se caracterizan por una tríada catalítica Cys-His-His. [14] Los productos típicos de las PKS de tipo III incluyen lípidos fenólicos como los alquilresorcinoles.
Además de estos tres tipos de PKS, se pueden clasificar como iterativas o no iterativas. Las PKS iterativas de tipo II reutilizan los dominios de forma cíclica. Otras clasificaciones incluyen el grado de reducción realizado durante la síntesis de la cadena de policétidos en crecimiento.
NR-PKS: PKS no reductoras , cuyos productos son verdaderos policétidos
PR-PKS: reducción parcial de PKS
FR-PKS: PKS totalmente reductoras, cuyos productos son derivados de ácidos grasos
Módulos y dominios
Biosíntesis del precursor de la doxorrubicina , la є-rodomicinana. Las reacciones de la policétido sintasa se muestran en la parte superior.
Cada módulo de policétido-sintasa de tipo I consta de varios dominios con funciones definidas, separados por regiones espaciadoras cortas. El orden de los módulos y dominios de una policétido-sintasa completa es el siguiente (en el orden del extremo N al C ):
Módulo de arranque o carga : AT-ACP-
Módulos de elongación o extensión : -KS-AT-[DH-ER-KR]-ACP-
La cadena de policétido y los grupos iniciadores están unidos con su grupo funcional carboxi a los grupos SH del ACP y del dominio KS a través de un enlace tioéster : R- C (= O ) O H + H S -proteína <=> R- C (= O ) S -proteína + H 2 O .
Los dominios portadores de ACP son similares a los dominios portadores de PCP de las sintetasas de péptidos no ribosómicos , y algunas proteínas combinan ambos tipos de módulos.
Etapas
La cadena creciente se transfiere de un grupo tiol al siguiente mediante transacilaciones y se libera al final por hidrólisis o por ciclización ( alcohólisis o aminólisis ).
Etapa inicial:
El grupo iniciador, generalmente acetil-CoA o sus análogos, se carga en el dominio ACP del módulo iniciador catalizado por el dominio AT del módulo iniciador.
Etapas de elongación:
La cadena de policétidos se transfiere del dominio ACP del módulo anterior al dominio KS del módulo actual, catalizado por el dominio KS.
El grupo de elongación, generalmente malonil-CoA o metilmalonil-CoA , se carga en el dominio ACP actual catalizado por el dominio AT actual.
El grupo de elongación unido a ACP reacciona en una condensación de Claisen con la cadena de policétidos unida a KS bajo evolución de CO2 , dejando un dominio KS libre y una cadena de policétidos alargada unida a ACP. La reacción tiene lugar en el extremo n de la cadena unido a KS, de modo que la cadena se desplaza una posición y el grupo de elongación se convierte en el nuevo grupo unido.
Opcionalmente, el fragmento de la cadena de policétido puede ser alterado paso a paso por dominios adicionales. El dominio KR (ceto-reductasa) reduce el grupo β-ceto a un grupo β-hidroxi, el dominio DH (deshidratasa) separa H2O , dando como resultado el alqueno α-β-insaturado , y el dominio ER (enoil-reductasa) reduce el doble enlace α-β a un enlace simple. Estos dominios de modificación en realidad afectan la adición anterior a la cadena (es decir, el grupo agregado en el módulo anterior), no el componente reclutado al dominio ACP del módulo que contiene el dominio de modificación.
Este ciclo se repite para cada módulo de alargamiento.
Etapa de terminación:
El dominio TE hidroliza la cadena de policétido completa del dominio ACP del módulo anterior.
Relevancia farmacológica
Las sintetasas de policétidos son una fuente importante de pequeñas moléculas naturales que se utilizan en la quimioterapia. [15] Por ejemplo, muchos de los antibióticos de uso común, como la tetraciclina y los macrólidos , son producidos por sintetasas de policétidos. Otros policétidos de importancia industrial son el sirolimus (inmunosupresor), la eritromicina (antibiótico), la lovastatina (fármaco contra el colesterol) y la epotilona B (fármaco contra el cáncer). [16]
Los policétidos son una gran familia de productos naturales ampliamente utilizados como medicamentos, pesticidas, herbicidas y sondas biológicas. [17]
Existen compuestos policétidos antifúngicos y antibacterianos, a saber, la ofiocordina y la ofiosetina. [ cita requerida ]
Y se investigan para la síntesis de biocombustibles y productos químicos industriales. [18]
Importancia ecológica
Sólo alrededor del 1% de todas las moléculas conocidas son productos naturales, sin embargo, se ha reconocido que casi dos tercios de todos los fármacos actualmente en uso se derivan al menos en parte de una fuente natural. [19] Este sesgo se explica comúnmente con el argumento de que los productos naturales han coevolucionado en el medio ambiente durante largos períodos de tiempo y, por lo tanto, han sido preseleccionados para estructuras activas. Los productos de la sintetasa de policétido incluyen lípidos con propiedades antibióticas, antifúngicas, antitumorales y de defensa contra depredadores; sin embargo, muchas de las vías de la sintetasa de policétido que las bacterias, los hongos y las plantas utilizan comúnmente aún no se han caracterizado. [20] [21] Por lo tanto, se han desarrollado métodos para la detección de nuevas vías de la sintetasa de policétido en el medio ambiente. La evidencia molecular respalda la noción de que aún quedan muchos policétidos nuevos por descubrir de fuentes bacterianas. [22] [23]
^ Khosla, C.; Gokhale, RS; Jacobsen, JR; Cane, DE (1999). "Tolerancia y especificidad de las sintetasas de policétido". Revisión anual de bioquímica . 68 : 219–253. doi :10.1146/annurev.biochem.68.1.219. PMID 10872449.
^ Jenke-Kodama, H.; Sandmann, A.; Müller, R.; Dittmann, E. (2005). "Implicaciones evolutivas de las sintasas de policétidos bacterianas". Biología molecular y evolución . 22 (10): 2027–2039. doi : 10.1093/molbev/msi193 . PMID 15958783.
^ Weng, Jing-Ke; Noel, Joseph P. (2012). "Análisis de estructura y función de las sintasas de policétidos de tipo III de plantas". Biosíntesis de productos naturales por microorganismos y plantas, parte A. Métodos en enzimología. Vol. 515. págs. 317–335. doi :10.1016/B978-0-12-394290-6.00014-8. ISBN978-0-12-394290-6. Número de identificación personal 22999180.
^ Pfeifer, Blaine A.; Khosla, Chaitan (marzo de 2001). "Biosíntesis de policétidos en huéspedes heterólogos". Microbiology and Molecular Biology Reviews . 65 (1): 106–118. doi :10.1128/MMBR.65.1.106-118.2001. PMC 99020 . PMID 11238987.
^ Sattely, Elizabeth S.; Fischbach, Michael A.; Walsh, Christopher T. (2008). "Biosíntesis total: reconstitución in vitro de vías de policétidos y péptidos no ribosómicos". Natural Product Reports . 25 (4): 757–793. doi :10.1039/b801747f. PMID 18663394.
^ Weissman, Kira J. (2020). "Sintasas de policétidos de tipo I bacterianas". Comprehensive Natural Products III : 4–46. doi :10.1016/b978-0-12-409547-2.14644-x. ISBN9780081026915. Número de identificación del sujeto 201202295.
^ Helfrich, Eric JN; Piel, Jörn (2016). "Biosíntesis de policétidos por policétido sintasas trans-AT". Natural Product Reports . 33 (2): 231–316. doi :10.1039/c5np00125k. PMID 26689670.
^ "Los metabolitos de los policétidos". Farmacología general: el sistema vascular . 23 (6): 1228. Noviembre de 1992. doi :10.1016/0306-3623(92)90327-g.
^ Hertweck, Christian; Luzhetskyy, Andriy; Rebets, Yuri; Bechthold, Andreas (2007). "Sintasas de policétidos de tipo II: obteniendo una visión más profunda del trabajo en equipo enzimático". Nat. Prod. Rep . 24 (1): 162–190. doi :10.1039/B507395M. PMID 17268612.
^ Sattely, Elizabeth S.; Fischbach, Michael A.; Walsh, Christopher T. (2008). "Biosíntesis total: reconstitución in vitro de vías de policétidos y péptidos no ribosómicos". Natural Product Reports . 25 (4): 757–793. doi :10.1039/b801747f. PMID 18663394.
^ Abe, Ikuro; Morita, Hiroyuki (2010). "Estructura y función de la superfamilia de sintetasas de policétidos de tipo III de plantas de la chalcona sintasa". Natural Product Reports . 27 (6): 809–838. doi :10.1039/b909988n. PMID 20358127.
^ Shen, B (abril de 2003). "Biosíntesis de policétidos más allá de los paradigmas de la policétido sintasa de tipo I, II y III". Current Opinion in Chemical Biology . 7 (2): 285–295. doi :10.1016/S1367-5931(03)00020-6. PMID 12714063.
^ Wong, Chin Piow; Morita, Hiroyuki (2020). "Sintasas de policétidos de tipo III bacterianas". Comprehensive Natural Products III : 250–265. doi :10.1016/b978-0-12-409547-2.14640-2. ISBN9780081026915.S2CID 195410516 .
^ Shimizu, Yugo; Ogata, Hiroyuki; Goto, Susumu (3 de enero de 2017). "Sintasas de policétidos tipo III: clasificación funcional y filogenómica". ChemBioChem . 18 (1): 50–65. doi : 10.1002/cbic.201600522 . PMID 27862822. S2CID 45980356.
^ Koehn, FE; Carter, GT (2005). "El papel evolutivo de los productos naturales en el descubrimiento de fármacos". Nature Reviews Drug Discovery . 4 (3): 206–220. doi :10.1038/nrd1657. PMID 15729362. S2CID 32749678.
^ Wawrik, B.; Kerkhof, L.; Zylstra, GJ; Kukor, JJ (2005). "Identificación de genes únicos de policétido sintasa de tipo II en el suelo". Microbiología aplicada y ambiental . 71 (5): 2232–2238. Bibcode :2005ApEnM..71.2232W. doi :10.1128/AEM.71.5.2232-2238.2005. PMC 1087561 . PMID 15870305.
^ Pankewitz, Florian; Hilker, Monika (mayo de 2008). "Policétidos en insectos: papel ecológico de estos productos químicos generalizados y aspectos evolutivos de su biogénesis". Biological Reviews . 83 (2): 209–226. doi :10.1111/j.1469-185X.2008.00040.x. PMID 18410406. S2CID 27702684.
^ Cai, Wenlong; Zhang, Wenjun (1 de abril de 2018). "Ingeniería de sintetasas de policétidos modulares para la producción de biocombustibles y productos químicos industriales". Current Opinion in Biotechnology . 50 : 32–38. doi :10.1016/j.copbio.2017.08.017. PMC 5862724 . PMID 28946011.
^ Von Nussbaum, F.; Marcas, M.; Hinzen, B.; Weigand, S.; Habich, D. (2006). "Productos naturales antibacterianos en química medicinal: ¿éxodo o renacimiento?". Edición internacional Angewandte Chemie . 45 (31): 5072–5129. doi :10.1002/anie.200600350. PMID 16881035.
^ Castoe, TA; Stephens, T.; Noonan, BP; Calestani, C. (2007). "Un nuevo grupo de policétidos sintasas de tipo I (PKS) en animales y la filogenómica compleja de las PKS". Gene . 392 (1–2): 47–58. doi :10.1016/j.gene.2006.11.005. PMID 17207587.
^ Ridley, CP; Lee, HY; Khosla, C. (2008). "Artículo especial de ecología química: evolución de las sintasas de policétidos en bacterias". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 105 (12): 4595–4600. Bibcode :2008PNAS..105.4595R. doi : 10.1073/pnas.0710107105 . PMC 2290765 . PMID 18250311.
^ Metsä-Ketelä, M.; Saló, V.; Halo, L.; Hautala, A.; Hakala, J.; Mäntsälä, P.; Ylihonko, K. (1999). "Un enfoque eficaz para detectar genes PKS mínimos de Streptomyces". Cartas de microbiología FEMS . 180 (1): 1–6. doi :10.1111/j.1574-6968.1999.tb08770.x. PMID 10547437.
^ Wawrik, B.; Kutliev, D.; Abdivasievna, UA; Kukor, JJ; Zylstra, GJ; Kerkhof, L. (2007). "Biogeografía de comunidades de actinomicetos y genes de policétido sintasa tipo II en suelos recolectados en Nueva Jersey y Asia central". Microbiología aplicada y ambiental . 73 (9): 2982–2989. Bibcode :2007ApEnM..73.2982W. doi :10.1128/AEM.02611-06. PMC 1892886 . PMID 17337547.
