La familia de proteínas monooxigenasa que contiene flavina ( FMO ) se especializa en la oxidación de xenosustratos para facilitar la excreción de estos compuestos de los organismos vivos. [1] Estas enzimas pueden oxidar una amplia gama de heteroátomos , particularmente nucleófilos blandos , como aminas , sulfuros y fosfitos . Esta reacción requiere un oxígeno, un cofactor NADPH y un grupo prostético FAD . [2] [3] [4] Las FMO comparten varias características estructurales, como un dominio de unión a NADPH , un dominio de unión a FAD y un residuo de arginina conservado presente en el sitio activo. Recientemente, las enzimas FMO han recibido mucha atención de la industria farmacéutica tanto como un objetivo farmacológico para diversas enfermedades como un medio para metabolizar compuestos profármacos en productos farmacéuticos activos. [5] Estas monooxigenasas suelen clasificarse erróneamente porque comparten perfiles de actividad similares a los del citocromo P450 (CYP450), que es el principal contribuyente al metabolismo xenobiótico oxidativo . Sin embargo, una diferencia clave entre las dos enzimas radica en cómo proceden a oxidar sus respectivos sustratos; las enzimas CYP utilizan un grupo prostético hemo oxigenado , mientras que la familia FMO utiliza FAD para oxidar sus sustratos.
Antes de la década de 1960, se creía que la oxidación de materiales xenotóxicos se realizaba completamente mediante el CYP450 . Sin embargo, a principios de la década de 1970, el Dr. Daniel Ziegler de la Universidad de Texas en Austin descubrió una flavoproteína hepática aislada del hígado de cerdo que se descubrió que oxidaba una amplia gama de aminas diferentes a su estado nitro correspondiente . Esta flavoproteína llamada "enzima de Ziegler" exhibió propiedades químicas y espectrométricas inusuales. Tras una caracterización espectroscópica adicional y la investigación del grupo de sustratos de esta enzima, el Dr. Ziegler descubrió que esta enzima se unía únicamente a la molécula de FAD que podía formar un intermedio de C4a-hidroxiperoxiflavina, y que esta enzima podía oxidar una amplia variedad de sustratos sin características estructurales comunes, incluidas las fosfinas , los sulfuros , los compuestos de selenio , entre otros. Una vez que se notó esto, la enzima del Dr. Ziegler se reclasificó como una flavina monooxigenasa de banda ancha . [6]
En 1984, dos laboratorios diferentes descubrieron la primera evidencia de múltiples formas de FMO cuando aislaron dos FMO distintos de pulmones de conejo. Desde entonces, se han aislado con éxito más de 150 enzimas FMO diferentes de una amplia variedad de organismos. [7] Hasta 2002, solo se aislaron con éxito 5 enzimas FMO de mamíferos. Sin embargo, un grupo de investigadores encontró un sexto gen FMO ubicado en el cromosoma humano 1. [ 8] Además del sexto FMO descubierto en 2002, los laboratorios del Dr. Ian Philips y Elizabeth Sheppard descubrieron un segundo grupo de genes en humanos que consta de 5 pseudogenes adicionales para FMO en el cromosoma humano 1. [9]
La familia de genes FMO se conserva en todos los filos que se han estudiado hasta ahora, por lo tanto, se puede encontrar alguna forma de la familia de genes FMO en todos los eucariotas estudiados . Los genes FMO se caracterizan por restricciones estructurales y funcionales específicas, que llevaron a la evolución de diferentes tipos de FMO para realizar una variedad de funciones. La divergencia entre los tipos funcionales de FMO (FMO 1-5) ocurrió antes de que los anfibios y los mamíferos divergieran en clases separadas . FMO5 encontrado en vertebrados parece ser evolutivamente más antiguo que otros tipos de FMO, lo que convierte a FMO5 en el primer miembro funcionalmente distinto de la familia FMO. Los estudios filogenéticos sugieren que FMO1 y FMO3 son los FMO más recientes en evolucionar en enzimas con funciones distintas. Aunque FMO5 fue el primer FMO distinto, no está claro qué función cumple, ya que no oxigena los sustratos típicos de FMO involucrados en el metabolismo de primer paso .
Los análisis de los genes FMO en varias especies han mostrado mutaciones silenciosas extensas del ADN, lo que indica que la familia de genes FMO actual existe debido a la presión selectiva a nivel de proteínas en lugar de a nivel de nucleótidos . Se ha descubierto que los FMO encontrados en invertebrados se originaron polifiléticamente , lo que significa que un gen fenotípicamente similar evolucionó en invertebrados que no fue heredado de un ancestro común. [10]
Las FMO son una subfamilia de flavoproteínas monooxigenasas externas de clase B (EC 1.14.13), que pertenecen a la familia de las monooxigenasas oxidorreductasas , junto con las otras subfamilias monooxigenasas de Baeyer-Villiger y monooxigenasas N-hidroxilantes microbianas. [11] Las FMO se encuentran en hongos, levaduras, plantas, mamíferos y bacterias. [11] [12]
Se ha estudiado la expresión específica de desarrollo y de tejido en varias especies de mamíferos, incluidos humanos, ratones, ratas y conejos. [13] Sin embargo, debido a que la expresión de FMO es única para cada especie animal, es difícil sacar conclusiones sobre la regulación y actividad de FMO en humanos basándose en otros estudios en mamíferos. [14] Es probable que la expresión específica de especies de FMO contribuya a las diferencias en la susceptibilidad a toxinas y xenobióticos , así como a la eficiencia en la excreción entre diferentes mamíferos. [13]
Se han descrito seis formas funcionales de genes FMO humanos. Sin embargo, se considera que FMO6 es un pseudogen . [15] Los FMO 1 a 5 comparten entre un 50 y un 58 % de identidad de aminoácidos entre las diferentes especies. [16] Recientemente, se descubrieron cinco genes FMO humanos más, aunque entran en la categoría de pseudogenes. [17]
A diferencia de los mamíferos, la levadura ( Saccharomyces cerevisiae ) no tiene varias isoformas de FMO, sino que solo tiene una llamada yFMO. Esta enzima no acepta compuestos xenobióticos . En cambio, yFMO ayuda a plegar proteínas que contienen enlaces disulfuro al catalizar oxidaciones dependientes de O2 y NADPH de tioles biológicos , al igual que las FMO de los mamíferos. [18] [19] Un ejemplo es la oxidación de glutatión a disulfuro de glutatión , los cuales forman un sistema de amortiguación redox en la célula entre el retículo endoplasmático y el citoplasma . yFMO se localiza en el citoplasma para mantener la relación óptima de amortiguación redox necesaria para que las proteínas que contienen enlaces disulfuro se plieguen correctamente. [18] Este papel no xenobiótico de yFMO puede representar el papel original de las FMO antes del surgimiento de la moderna familia de enzimas FMO que se encuentran en los mamíferos. [19]
Los FMO de las plantas desempeñan un papel en la defensa contra patógenos y catalizan pasos específicos en la biosíntesis de auxina , una hormona vegetal . Los FMO de las plantas también desempeñan un papel en el metabolismo de los glucosinolatos . Estas funciones no xenobióticas de los FMO de las plantas sugieren que se podrían identificar otras funciones de los FMO en organismos no vegetales. [20]
Se han determinado las estructuras cristalinas de la FMO de levadura ( Schizosaccharomyces pombe ) (PDB: 1VQW) y de la FMO bacteriana ( Methylophaga aminisulfidivorans ) (PDB: 2XVH). [1] [21] Las estructuras cristalinas son similares entre sí y comparten un 27% de identidad de secuencia. [22] Estas enzimas comparten un 22% y un 31% de identidad de secuencia con las FMO humanas, respectivamente. [1] [22]
Los FMO tienen un grupo prostético FAD fuertemente unido y un cofactor de unión NADPH . [11] Ambos motivos de unión de dinucleótidos forman pliegues de Rossmann . El FMO de levadura y el FMO bacteriano son dímeros , y cada monómero consta de dos dominios estructurales : el dominio de unión NADPH más pequeño y el dominio de unión FAD más grande. Los dos dominios están conectados por un doble enlace. Un canal entre los dos dominios conduce al sitio activo donde NADPH se une a ambos dominios y ocupa una hendidura que bloquea el acceso al grupo flavina de FAD, que está unido al dominio grande a lo largo del canal junto con una molécula de agua. [1] [22] El grupo nicotinamida de NADPH interactúa con el grupo flavina de FAD, y el sitio de unión de NADPH se superpone con el sitio de unión del sustrato en el grupo flavina. [1]
Los FMO contienen varios motivos de secuencia que se conservan en todos los dominios : [12] [20] [21]
El motivo identificador FMO interactúa con la flavina de FAD. [1] El motivo F/LATGY es un motivo de secuencia común en las enzimas N -hidroxilantes. [20] El residuo de arginina interactúa con el grupo fosfato de NADPH. [21]
La función general de estas enzimas es metabolizar xenobióticos . [16] Por lo tanto, se consideran catalizadores de desintoxicación de xenobióticos . Estas proteínas catalizan la oxigenación de múltiples compuestos que contienen heteroátomos que están presentes en nuestra dieta, como aminas , sulfuros , fósforo y otros compuestos que contienen heteroátomos nucleofílicos . Los FMO se han implicado en el metabolismo de varios productos farmacéuticos, pesticidas y tóxicos, al convertir los xenobióticos lipofílicos en metabolitos polares , oxigenados y fácilmente excretados. [14]
Los sustratos de FMO son compuestos estructuralmente diversos, pero todos ellos comparten características similares:
Los zwitteriones , aniones y dicationes se consideran sustratos desfavorables. Se ha informado de varios fármacos que son sustratos típicos de los FMO.
La mayoría de los fármacos funcionan como inhibidores competitivos de sustratos alternativos a los FMO (es decir, buenos nucleófilos que compiten con el fármaco por la oxigenación del FMO ), ya que no es probable que sirvan como sustratos del FMO. [14] Solo se han informado unos pocos inhibidores competitivos verdaderos del FMO. Estos incluyen indol-3-carbinol y carboxilatos de N , N -dimetilaminoestilbeno. [23] [24] Un inhibidor de FMO bien conocido es el metimazol (MMI).
El ciclo catalítico del FMO se desarrolla de la siguiente manera:
La expresión de cada tipo de FMO depende de varios factores, entre ellos, el suministro de cofactores , factores fisiológicos y ambientales, así como la dieta . Debido a estos factores, cada tipo de FMO se expresa de forma diferente según la especie y el tejido. [30] En los seres humanos, la expresión de FMO se concentra principalmente en el hígado, los pulmones y los riñones, donde se produce la mayor parte del metabolismo de los xenobióticos . Sin embargo, los FMO también se pueden encontrar en el cerebro y el intestino delgado humanos. Si bien FMO1-5 se puede encontrar en el cerebro, el hígado, los riñones, los pulmones y el intestino delgado, la distribución de cada tipo de FMO difiere según el tejido y la etapa de desarrollo de la persona. [14]
En un adulto, FMO1 se expresa predominantemente en los riñones y en menor medida en los pulmones y el intestino delgado . FMO2 es el más abundante de los FMO y se expresa principalmente en los pulmones y los riñones, con una expresión menor en el hígado y el intestino delgado. FMO3 está altamente concentrado en el hígado, pero también se expresa en los pulmones. FMO4 se expresa principalmente en el hígado y los riñones. FMO5 se expresa altamente en el hígado, pero también tiene una expresión sustancial en los pulmones y el intestino delgado. Aunque FMO2 es el FMO más expresado en el cerebro , solo constituye alrededor del 1% del que se encuentra en los pulmones, lo que hace que la expresión de FMO en el cerebro sea bastante baja. [14]
La distribución de FMO en los distintos tipos de tejidos cambia a medida que la persona continúa desarrollándose, lo que hace que la distribución fetal de FMO sea bastante diferente a la distribución adulta de FMO. Mientras que el hígado adulto está dominado por la expresión de FMO3 y FMO5, el hígado fetal está dominado por la expresión de FMO1 y FMO5. Otra diferencia está en el cerebro, donde los adultos expresan principalmente FMO2 y los fetos expresan principalmente FMO1. [14]
El metabolismo de los fármacos es uno de los factores más importantes a tener en cuenta al desarrollar nuevos fármacos para aplicaciones terapéuticas . La tasa de degradación de estos nuevos fármacos en el sistema de un organismo determina la duración e intensidad de su acción farmacológica . Durante los últimos años, los FMO han ganado mucha atención en el desarrollo de fármacos, ya que estas enzimas no son fácilmente inducidas o inhibidas por los productos químicos o fármacos que rodean su entorno. [14] Los CYP son las enzimas primarias involucradas en el metabolismo de los fármacos. Sin embargo, los esfuerzos recientes se han dirigido hacia el desarrollo de candidatos a fármacos que incorporan grupos funcionales que pueden ser metabolizados por los FMO. Al hacer esto, se minimiza el número de posibles interacciones adversas entre fármacos y se reduce la dependencia del metabolismo del CYP450. Se han realizado varios enfoques para evaluar las posibles interacciones farmacológicas. Uno de ellos incluye el FMO3 humano (hFMO3), que se describe como el FMO más vital con respecto a las interacciones farmacológicas. Para analizar con éxito hFMO3 de manera de alto rendimiento, se fijó con éxito hFMO3 a chips de óxido de grafeno para medir el cambio en el potencial eléctrico generado como resultado de la oxidación del fármaco cuando interactúa con la enzima . [31]
Existe evidencia de que los FMO están asociados a la regulación de la presión arterial . FMO3 está involucrado en la formación de N-óxidos de TMA (TMAO). Algunos estudios indican que la hipertensión puede desarrollarse cuando no hay osmolitos orgánicos (es decir, TMAO) que puedan contrarrestar un aumento en la presión osmótica y la resistencia periférica . [32] Los individuos con actividad deficiente de FMO3 tienen una mayor prevalencia de hipertensión y otras enfermedades cardiovasculares , ya que hay una disminución en la formación de N-óxidos de TMA para contrarrestar los efectos de una mayor presión osmótica y resistencia periférica. [33]
El trastorno de trimetilaminuria , también conocido como síndrome del olor a pescado, causa un metabolismo anormal mediado por FMO3 o una deficiencia de esta enzima en un individuo. Una persona con este trastorno tiene una baja capacidad para oxidar la trimetilamina (TMA) que proviene de su dieta a su metabolito inodoro TMAO. [34] Cuando esto sucede, grandes cantidades de TMA se excretan a través de la orina, el sudor y el aliento del individuo, con un fuerte olor a pescado. A día de hoy, no se conoce cura ni tratamiento para este trastorno. Sin embargo, los médicos recomiendan a los pacientes que eviten los alimentos que contengan colina , carnitina , nitrógeno , azufre y lecitina .
Las FMO también se han asociado con otras enfermedades, como el cáncer y la diabetes . [35] [36] Sin embargo, son imperativos estudios adicionales para dilucidar cuál es la relación entre la función de FMO y estas enfermedades, así como para definir la relevancia clínica de estas enzimas.
