En bioquímica , los ciclótidos son pequeños péptidos ricos en disulfuros aislados de plantas. [1] Por lo general, contienen entre 28 y 37 aminoácidos , y se caracterizan por su estructura peptídica ciclada de cabeza a cola y la disposición entrelazada de sus tres enlaces disulfuro . Estas características combinadas se han denominado motivo del nudo de cistina cíclico (CCK). Hasta la fecha, se han aislado y caracterizado más de 100 ciclótidas de especies de las familias Rubiaceae , Violaceae y Cucurbitaceae . También se han identificado ciclótidas en familias de importancia agrícola como Fabaceae y Poaceae . [2] [3] [4]
Las ciclótidas tienen una estructura tridimensional bien definida debido a sus enlaces disulfuro entrelazados y su estructura peptídica cíclica . Los bucles de la columna vertebral y los residuos seleccionados están etiquetados en la estructura para ayudar a la orientación. La secuencia de aminoácidos (representación de aminoácidos de una sola letra) de este péptido se indica en el diagrama de secuencia de la derecha. Una de las características interesantes de los péptidos cíclicos es que el conocimiento de la secuencia peptídica no revela la cabeza y la cola ancestrales; Para ello es necesario conocer la secuencia genética . [5] En el caso de kalata B1, los aminoácidos glicina (G) y asparagina (N) indicados son los residuos terminales que están unidos en un enlace peptídico para ciclar el péptido.
Se ha informado que las ciclótidas tienen una amplia gama de actividades biológicas, incluidas actividades anti- VIH , insecticidas , antitumorales , antiincrustantes, antimicrobianas , hemolíticas , antagonistas de neurotensina , inhibición de tripsina y uterotónicas . [7] [8] [9] La capacidad de inducir contracciones uterinas fue lo que impulsó el descubrimiento inicial de kalata B1. [10]
La potente actividad insecticida de los ciclótidos kalata B1 y kalata B2 ha llevado a la creencia de que los ciclótidos actúan como agentes de defensa del huésped de la planta. Las observaciones de que docenas o más de ciclótidos pueden estar presentes en una sola planta y que la arquitectura de los ciclótidos comprende un núcleo conservado en el que se muestra una serie de bucles hipervariables sugieren que los ciclótidos pueden atacar muchas plagas/patógenos simultáneamente. [11]
El análisis del conjunto de ciclótidos conocidos revela muchas similitudes de secuencia que son importantes para comprender sus propiedades fisicoquímicas , bioactividades y homología únicas .
Las ciclótidas se dividen en dos subfamilias estructurales principales. Los ciclótidos de Moebius, los menos comunes de los dos, contienen una cis -prolina en el bucle 5 que induce una torsión local de la columna vertebral de 180° (de ahí que se asemeje a una tira de Möbius ), mientras que los ciclótidos de pulsera no. Hay una variación menor en las secuencias dentro de estas subfamilias que entre ellas. Una tercera subfamilia de ciclótidos son inhibidores de tripsina y son más homólogos a una familia de inhibidores de tripsina no cíclicos de plantas de calabaza conocidos como nudos o nudos inhibidores de cistina [12] que a los otros ciclótidos.
Es conveniente discutir las secuencias en términos de segmentos del esqueleto, o bucles, entre residuos de cisteína sucesivos. Los seis residuos de cisteína están absolutamente conservados en todo el conjunto de ciclótidas y presumiblemente contribuyen a preservar el motivo CCK. Aunque las cisteínas parecen esenciales para mantener el pliegue general, se cree que otros residuos altamente conservados en los ciclótidos proporcionan estabilidad adicional. [13]
A lo largo de las ciclótidas conocidas, el bucle 1 es el más conservado. Aparte de los seis residuos de cisteína, los residuos de ácido glutámico y serina / treonina del bucle 1 son los únicos residuos que tienen un 100 % de identidad en las subfamilias de pulsera y Möbius. Además, el resto restante de este bucle presenta sólo un cambio conservador, es decir, glicina / alanina . Se cree que este bucle desempeña un papel importante en la estabilización de la estructura del ciclótido mediante enlaces de hidrógeno con residuos de los bucles 3 y 5.
Los bucles 2 a 6 también tienen características altamente conservadas, incluida la presencia ubicua de un solo aminoácido en el bucle 4 que probablemente esté involucrado en los enlaces de hidrógeno de cadena lateral a cadena lateral. Otros residuos conservados incluyen un residuo que contiene hidroxilo en el bucle 3, un residuo de glicina en la posición final del bucle 3, un residuo básico y un residuo de prolina en la penúltima posición en el bucle 5 de los ciclótidos de pulsera y de Möbius, respectivamente, y una asparagina (u ocasionalmente ácido aspártico ) residuo en el supuesto punto de ciclación [5] [6] [14] en el bucle 6. Es interesante observar que no solo ciertos residuos están altamente conservados, sino que también lo están la columna vertebral y los ángulos de la cadena lateral.
Dado que los programas de detección recientes sugieren que el número de secuencias de ciclótidas pronto podría llegar a miles, [15] se ha desarrollado una base de datos, CyBase, que ofrece la oportunidad de comparar secuencias y datos de actividad de ciclótidas. Se conocen varias otras familias de proteínas circulares en bacterias, plantas y animales y también están incluidas en CyBase. [dieciséis]
Las plantas son una rica fuente de péptidos cíclicos sintetizados ribosomalmente y modificados postraduccionalmente. Entre ellos, los ciclótidos son productos codificados por genes generados mediante el procesamiento de una proteína precursora más grande . [5] El gen del primer precursor de este tipo es Oak1 (clon número 1 de Oldenlandia affinis kalata), que demostró ser responsable de la síntesis de kalata B1. [6] La configuración genérica de la proteína precursora consiste en una secuencia señal del retículo endoplásmico , una prorregión no conservada, una región altamente conservada conocida como repetición N-terminal (NTR), el dominio ciclótido maduro y finalmente una breve región hidrófoba. Cola C-terminal . El dominio ciclótido puede contener una secuencia ciclótida, como en el caso de Oak1 , o múltiples copias separadas por secuencias NTR adicionales como se ve en Oak2 y Oak4 . En las proteínas precursoras que contienen múltiples dominios ciclótidos, estas pueden ser todas secuencias idénticas, como es el caso de Oak4 , o pueden ser ciclótidos diferentes como en Oak2, que contiene secuencias correspondientes a kalata B3 y B6. [17]
Recientemente, la enzima responsable de la ciclación de la columna vertebral de los ciclótidos se ha aislado de la planta medicinal Clitoria ternatea . Esta enzima recibió el nombre de butelasa 1 según el nombre local de la planta (Bunga Telang Ligase). Se ha demostrado que la butelasa 1 cicla el precursor lineal de kalata B1 con un rendimiento >95 % a una velocidad notable de 5,42 × 10 5 M −1 s −1 . La ligasa también cicla varios péptidos bioactivos de origen animal, como el péptido antimicrobiano humano histatina, la conotoxina del caracol cono y el péptido antimicrobiano de insectos tanatina. [18]
La notable estabilidad de los ciclótidos significa que tienen una interesante gama de aplicaciones potenciales centradas en sus actividades biológicas intrínsecas o en la posibilidad de utilizar el motivo CCK como armazón para estabilizar epítopos biológicamente activos . [19] El interés en estos se ha intensificado recientemente con las publicaciones de una metodología química capaz de producir sintéticamente ciclótidos con altos rendimientos, [20] [21] y la adaptabilidad de la estructura CCK a las sustituciones de aminoácidos. [22] Pero para que las moléculas sean útiles en un entorno terapéutico requieren características biofarmacéuticas útiles, como la resistencia a la proteólisis y la permeabilidad de la membrana. El área de superficie interactiva de la membrana y el momento de los ciclótidos son determinantes en la predicción de sus actividades biológicas. [23] Un estudio reciente sobre proteínas de nudos de cistina relacionadas como candidatos a fármacos demostró que los nudos de cistina penetran bien a través de la mucosa del intestino delgado de rata en comparación con fármacos peptídicos sin nudos de cistina, como la insulina y la bacitracina . [24] Además, la digestión enzimática de fármacos peptídicos del nudo de cistina se asoció solo con unas pocas proteasas y se sugirió que esta limitación puede superarse mediante la mutación de sitios de escisión particulares. Por lo tanto, ciertas proteínas del nudo de cistina satisfacen los criterios básicos para la administración de fármacos y representan candidatos novedosos e interesantes como andamios para la administración de fármacos peptídicos. [24] La diversa gama de actividades intrínsecas de los ciclótidos también sigue siendo prometedora para una amplia gama de aplicaciones en los campos agrícolas contra insectos y nematodos, especialmente aquellos de Clitoria ternatea . [25] [26]
Durante una misión de socorro de la Cruz Roja en la República Democrática del Congo durante la década de 1960, un médico noruego, Lorents Gran, observó que durante el parto algunas mujeres africanas utilizaban un té medicinal elaborado con las hojas de la planta Oldenlandia affinis para inducir el parto y facilitar el nacimiento. [28] Más tarde se determinó que el ingrediente activo era un péptido cíclico, llamado kalata B1, en honor al nombre tradicional del té, kalata-kalata . Aunque los estudios in vivo en ratas confirmaron la actividad uterotónica del péptido purificado, pasaron otros 20 años antes de que se dilucidaran el motivo del nudo de cistina cíclica y la estructura del péptido purificado. [29]