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EPSP sintasa

La 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato ( EPSP ) sintasa es una enzima producida por plantas y microorganismos . 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 está presente en los genomas de los animales. Presenta un objetivo biológico atractivo para herbicidas , como el glifosato . Una versión de este gen resistente al glifosato se ha utilizado en cultivos genéticamente modificados .

Nomenclatura

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

Estructura

La EPSP sintasa es una enzima monomérica con una masa molecular de aproximadamente 46.000. [2] [3] [4] Está compuesto por dos dominios, que están unidos por cadenas de proteínas. Esta hebra actúa como una bisagra y puede acercar los dos dominios proteicos. Cuando un sustrato se une a la enzima, la unión del ligando hace que las dos partes de la enzima se aprieten alrededor del sustrato en el sitio activo.

La EPSP sintasa se ha dividido en dos grupos según la sensibilidad al glifosato. La enzima de clase I, contenida en las plantas y en algunas bacterias, se inhibe a bajas concentraciones micromolares de glifosato, mientras que la enzima de clase II, que se encuentra en otras bacterias, es resistente a la inhibición por el glifosato. [5]

Vía shikimate

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 lo codifica no está 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) mediante un intermedio tetraédrico similar al acetal . [9] [10] Los aminoácidos básicos y en el sitio activo participan en la desprotonación del grupo hidroxilo de PEP y en los pasos de intercambio de protones relacionados con el propio intermediario tetraédrico, 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 desprotonada22 actúa como base general, desprotonando el hidroxilo de S3P de modo que el oxianión resultante puede atacar el carbono más electrófilo de PEP. El glutamato341 actúa como un ácido general donando un H+. El glutamato341 desprotonado actúa entonces como base, recuperando su protón, y la lisina protonada activa y protona el grupo S3P.

Objetivo 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 estrechamente 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. Con el tiempo, 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 un crecimiento adecuado de las plantas después de muchas pruebas y errores en una cepa de Agrobacterium llamada CP4 ( Q9R4E4 ). Se encontró que la cepa CP4 sobrevivía en una columna alimentada con residuos en una instalación de producción de glifosato. La enzima CP4 EPSP sintasa ha sido modificada genéticamente en varios cultivos genéticamente modificados . [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 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa con shikimato". FEBS Lett . 579 (25): 5773–80. doi : 10.1016/j.febslet.2005.09.066 . PMID  16225867. S2CID  26614581.
  2. ^ Goldsbrough, Peter (1990). "Amplificación de genes en células de tabaco tolerantes al glifosato". Ciencia de las plantas . 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 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa de Escherichia coli ". Revista de biología molecular . 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 sorgo bicolor de crecimiento oscuro". Fisiología de las plantas . 87 (1): 232–8. 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 mediante ingeniería de proteínas". El Diario FEBS . 278 (16): 2753–66. 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 herbicidas de cultivos Roundup Ready". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (35): 13010–5. Código bibliográfico : 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 shikimato (la vía precorismado) y vías poscorismado individuales que conducen a Trp, Phe y Tyr.... Estas vías se encuentran en bacterias, hongos, plantas y algunos protistas, pero están ausentes en animales. Por lo tanto, los AAA y algunos de sus derivados (vitaminas) son nutrientes esenciales en la dieta humana, aunque en los animales Tyr puede sintetizarse a partir de Phe mediante la Phe hidroxilasa... La ausencia de las vías del AAA en los animales también hace que estas vías sean objetivos atractivos para Agentes antimicrobianos y herbicidas.
  8. ^ Cerdeira AL, Duque SO (2006). "El estado actual y los impactos ambientales de los cultivos resistentes al glifosato: una revisión". Revista de Calidad Ambiental . 35 (5): 1633–58. doi :10.2134/jeq2005.0378. PMID  16899736.
  9. ^ "8.18.4.1.1. EPSP sintasa: un intermedio de enzima cetal fosfato tetraédrico". Productos Naturales Integrales II. Química y Biología . Módulo de Referencia en Química, Ciencias Moleculares e Ingeniería Química. vol. 8. 2010. págs. 663–688.
  10. ^ Anderson, Karen S.; Sammons, R. Douglas; Leo, Gregorio C.; Sikorski, James A.; Benesi, Alan J.; Johnson, Kenneth A. (1990). "Observación por RMN de carbono 13 del intermedio tetraédrico de EPSP sintasa unido al sitio activo de la enzima". Bioquímica . 29 (6): 1460-1465. doi :10.1021/bi00458a017. PMID  2334707.
  11. ^ Parque, HaJeung; Hilsenbeck, Jacqueline L.; Kim, Hak Jun; Shuttleworth, Wendy A.; Parque, Yong Ho; Evans, Jeremy N.; Kang, Chul Hee (2004). "Estudios estructurales de la EPSP sintasa de Streptococcus pneumoniae en estado sin ligando, estado tetraédrico de unión intermedia y estado unido a S3P-GLP". Microbiología Molecular . 51 (4): 963–971. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03885.x . PMID  14763973. S2CID  45549442.
  12. ^ Anderson, Karen S.; Sikorski, James A.; Johnson, Kenneth A. (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, Emily CM; da Costa, Kauê S.; Lameira, Jerónimo; Alves, Claudio Nahum; Lima, Anderson H. (2020). "Investigación de la resistencia del sitio objetivo de los mutantes P106T y T102I / P106S de la EPSP sintasa contra el glifosato". Avances de RSC . 10 (72): 44352–44360. doi : 10.1039/D0RA09061A . ISSN  2046-2069. PMC 9058485 . 
  14. ^ Schönbrunn E, Eschenburg S, Shuttleworth WA, Schloss JV, Amrhein N, Evans JN, Kabsch W (febrero de 2001). "Interacción del herbicida glifosato con su enzima objetivo 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa en detalle atómico". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (4): 1376–80. Código bibliográfico : 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". Diario de la química agrícola y alimentaria . 59 (11): 5819–29. doi :10.1021/jf101286h. PMC 3105486 . PMID  20586458. 

Otras lecturas