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Sintetasa de EPSP

La 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato ( EPSP ) sintasa es una enzima producida por plantas y microorganismos . La EPSPS cataliza la reacción química :

fosfoenolpiruvato (PEP) + 3-fosfoshikimato ( S3P) ⇌ fosfato + 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato (EPSP)

Así, los dos sustratos de esta enzima son el fosfoenolpiruvato (PEP) y el 3-fosfoshikimato, mientras que sus dos productos son el fosfato y el 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato.

Esta enzima no se encuentra en los genomas animales, lo que la convierte en un objetivo atractivo para herbicidas como el glifosato . Se ha incorporado una versión resistente al glifosato del gen de la enzima a cultivos modificados genéticamente .

Nomenclatura

La enzima pertenece a la familia de las transferasas , en concreto a aquellas que transfieren grupos arilo o alquilo distintos de los grupos metilo . El nombre sistemático de esta clase de enzimas es fosfoenolpiruvato:3-fosfoshikimato 5- O -(1-carboxivinil)-transferasa . Otros nombres de uso común son:

Estructura

La EPSP sintasa es una enzima monomérica con una masa molecular de aproximadamente 46.000. [2] [3] [4] Consta de dos dominios conectados por cadenas de proteínas que funcionan como una bisagra, lo que permite que los dos dominios se acerquen. Cuando un sustrato se une a la enzima, el cambio conformacional hace que los dominios se sujeten alrededor del sustrato en el sitio activo.

La EPSP sintasa se clasifica en dos grupos según su sensibilidad al glifosato. Las enzimas de clase I, presentes en plantas y algunas bacterias, son inhibidas por concentraciones micromolares bajas de glifosato. Las enzimas de clase II, presentes en otras bacterias, son resistentes a la inhibición por glifosato. [5]

Vía del shikimato

La EPSP sintasa participa en la biosíntesis de los aminoácidos aromáticos fenilalanina , tirosina y triptófano a través de la vía del shikimato en bacterias, hongos y plantas. La EPSP sintasa es producida únicamente por plantas y microorganismos; el gen que la codifica no se encuentra en el genoma de los mamíferos . [6] [7] La ​​flora intestinal de algunos animales contiene EPSPS. [8]

Reacción

La EPSP sintasa cataliza la reacción que convierte el shikimato-3-fosfato más fosfoenolpiruvato en 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato (EPSP) a través de un intermediario tetraédrico tipo acetal . [9] [10] Los aminoácidos básicos y ácidos en el sitio activo están involucrados en la desprotonación del grupo hidroxilo de PEP y en los pasos de intercambio de protones relacionados con el intermediario tetraédrico en sí, respectivamente. [11]

Los estudios de la cinética enzimática de esta reacción han determinado la secuencia específica y la energía de cada paso del proceso. [12] Una lisina con carga neutra (lys-22) actúa como una base general , desprotonando el grupo hidroxilo de S3P de modo que el oxianión resultante pueda atacar al átomo de carbono más electrófilo de PEP. Un ácido glutámico (glu-341) actúa como un ácido general al donar un protón . El glu-341 desprotonado actúa entonces como una base, recuperando su protón, y el grupo S3P es expulsado y protonado por la lisina protonada.

Objetivo del herbicida

La EPSP sintasa es el objetivo biológico del herbicida glifosato. [13] El glifosato es un inhibidor competitivo de la EPSP sintasa, que actúa como un análogo del estado de transición que se une más fuertemente al complejo EPSPS-S3P que la PEP e inhibe la vía del shikimato . Esta unión conduce a la inhibición de la catálisis de la enzima y cierra la vía. Finalmente, esto resulta en la muerte del organismo por falta de aminoácidos aromáticos que el organismo necesita para sobrevivir. [5] [14]

Los científicos de Monsanto identificaron una versión de la enzima que era resistente al glifosato y que aún era lo suficientemente eficiente como para impulsar el crecimiento adecuado de las plantas después de mucho ensayo y error en una cepa de Agrobacterium llamada CP4 ( Q9R4E4 ). La cepa CP4 fue encontrada sobreviviendo en una columna alimentada con desechos en una instalación de producción de glifosato. La enzima CP4 EPSP sintasa ha sido diseñada en varios cultivos modificados genéticamente . [5] [15]

Referencias

  1. ^ Priestman MA, Healy ML, Funke T, Becker A, Schönbrunn E (octubre de 2005). "Base molecular de la insensibilidad al glifosato de la reacción de la 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa con shikimato". FEBS Letters . 579 (25): 5773–5780. doi : 10.1016/j.febslet.2005.09.066 . PMID  16225867. S2CID  26614581.
  2. ^ Goldsbrough P (1990). "Amplificación genética en células de tabaco tolerantes al glifosato". Plant Science . 72 (1): 53–62. doi :10.1016/0168-9452(90)90186-r.
  3. ^ Abdel-Meguid SS, Smith WW, Bild GS (diciembre de 1985). "Cristalización de la 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa de Escherichia coli ". Journal of Molecular Biology . 186 (3): 673. doi :10.1016/0022-2836(85)90140-8. PMID  3912512.
  4. ^ Ream JE, Steinrücken HC, Porter CA, Sikorski JA (mayo de 1988). "Purificación y propiedades de la 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa de plántulas de Sorghum bicolor cultivadas en la oscuridad". Fisiología vegetal . 87 (1): 232–238. doi :10.1104/pp.87.1.232. PMC 1054731 . PMID  16666109. 
  5. ^ abc Pollegioni L, Schonbrunn E, Siehl D (agosto de 2011). "Base molecular de la resistencia al glifosato: diferentes enfoques a través de la proteína". The FEBS Journal . 278 (16): 2753–2766. doi :10.1111/j.1742-4658.2011.08214.x. PMC 3145815 . PMID  21668647. 
  6. ^ Funke T, Han H, Healy-Fried ML, Fischer M, Schönbrunn E (agosto de 2006). "Base molecular de la resistencia a los herbicidas de los cultivos Roundup Ready". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (35): 13010–13015. Bibcode :2006PNAS..10313010F. doi : 10.1073/pnas.0603638103 . JSTOR  30050705. PMC 1559744 . PMID  16916934. 
  7. ^ Maeda H, Dudareva N (2012). "La vía del shikimato y la biosíntesis de aminoácidos aromáticos en plantas". Revisión anual de biología vegetal . 63 (1): 73–105. doi :10.1146/annurev-arplant-042811-105439. PMID  22554242. Las vías AAA consisten en la vía del shikimato (la vía del precorismato) y las vías individuales del postcorismato que conducen a Trp, Phe y Tyr.... Estas vías se encuentran en bacterias, hongos, plantas y algunos protistas, pero están ausentes en los animales. Por lo tanto, los AAA y algunos de sus derivados (vitaminas) son nutrientes esenciales en la dieta humana, aunque en los animales la Tyr puede sintetizarse a partir de Phe por la Phe hidroxilasa....La ausencia de las vías AAA en los animales también hace que estas vías sean objetivos atractivos para agentes antimicrobianos y herbicidas.
  8. ^ Cerdeira AL, Duke SO (2006). "El estado actual y los impactos ambientales de los cultivos resistentes al glifosato: una revisión". Revista de calidad ambiental . 35 (5): 1633–1658. doi :10.2134/jeq2005.0378. PMID  16899736.
  9. ^ Furdui CM, Anderson KS (2010). "8.18.4.1.1. EPSP sintasa: un intermediario enzimático de fosfato de cetal tetraédrico". Productos naturales integrales II. Química y biología . Módulo de referencia en química, ciencias moleculares e ingeniería química. Vol. 8. págs. 663–688. doi :10.1016/B978-008045382-8.00158-1.
  10. ^ Anderson KS, Sammons RD, Leo GC, Sikorski JA, Benesi AJ, Johnson KA (febrero de 1990). "Observación por RMN de 13C del intermediario tetraédrico de la EPSP sintasa unido al sitio activo de la enzima". Bioquímica . 29 (6): 1460–1465. doi :10.1021/bi00458a017. PMID  2334707.
  11. ^ Park H, Hilsenbeck JL, Kim HJ, Shuttleworth WA, Park YH, Evans JN, et al. (febrero de 2004). "Estudios estructurales de la EPSP sintasa de Streptococcus pneumoniae en estado no ligado, estado tetraédrico intermedio ligado y estado ligado a S3P-GLP". Microbiología molecular . 51 (4): 963–971. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03885.x . PMID  14763973. S2CID  45549442.
  12. ^ Anderson KS, Sikorski JA, Johnson KA (septiembre de 1988). "Un intermedio tetraédrico en la reacción de la EPSP sintasa observado mediante cinética de extinción rápida". Bioquímica . 27 (19): 7395–7406. doi :10.1021/bi00419a034. PMID  3061457.
  13. ^ Fonseca EC, da Costa KS, Lameira J, Alves CN, Lima AH (diciembre de 2020). "Investigación de la resistencia del sitio diana de los mutantes de la EPSP sintasa P106T y T102I/P106S contra el glifosato". RSC Advances . 10 (72): 44352–44360. doi : 10.1039/D0RA09061A . PMC 9058485 . PMID  35517162. 
  14. ^ Schönbrunn E, Eschenburg S, Shuttleworth WA, Schloss JV, Amrhein N, Evans JN, et al. (febrero de 2001). "Interacción del herbicida glifosato con su enzima diana 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa en detalle atómico". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (4): 1376–1380. Bibcode :2001PNAS...98.1376S. doi : 10.1073/pnas.98.4.1376 . PMC 29264 . PMID  11171958. 
  15. ^ Green JM, Owen MD (junio de 2011). "Cultivos resistentes a herbicidas: utilidades y limitaciones para el manejo de malezas resistentes a herbicidas". Journal of Agricultural and Food Chemistry . 59 (11): 5819–5829. doi :10.1021/jf101286h. PMC 3105486 . PMID  20586458. 

Lectura adicional