Notizia

Aug 05, 2023

Evoluzione della funzionalità enzimatica nella flavina

Nature Communications volume

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1042 (2023) Citare questo articolo

5244 accessi

64 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Tra i meccanismi molecolari di adattamento in biologia, la diversificazione funzionale degli enzimi è indispensabile. Consentendo agli organismi di espandere i loro repertori catalitici e di adottare sostanze chimiche fondamentalmente diverse, gli animali possono sfruttare o eliminare nuove sostanze e xenobiotici a cui sono esposti in nuovi ambienti. Qui esploriamo le monoossigenasi contenenti flavina (FMO) che sono essenziali per la disintossicazione dagli xenobiotici. Utilizzando un approccio paleobiochimico in combinazione con tecniche enzimologiche, riveliamo l'insieme di sostituzioni storiche responsabili della diversificazione funzionale della famiglia nei tetrapodi. Sorprendentemente, alcune sostituzioni di aminoacidi differenziano un FMO multitasking ancestrale in una monoossigenasi più specializzata modulando l'intermedio ossigenante della flavina. I nostri risultati confermano una premessa continua secondo cui la funzione enzimatica dipende da un sottoinsieme di residui che non è limitato al nucleo del sito attivo.

Le monoossigenasi contenenti flavina (FMO) sono enzimi e risorse chiave nell'arsenale di disintossicazione dei vertebrati1,2. Gli FMO sono generalmente noti per la loro capacità di convertire molecole contenenti eteroatomi nei loro ossidi idrosolubili e facilmente escrebili3. A differenza delle più specifiche monoossigenasi del citocromo P450 contenenti eme4, gli FMO possono ospitare una pletora di substrati all'interno dei loro siti attivi5. Inoltre, catalizzano anche passaggi chiave nell'attivazione di farmaci antinfiammatori e antitumorali6,7 e sono coinvolti nella sintesi endogena di sostanze essenziali tra cui la taurina8. Per tutte queste ossidazioni, gli FMO utilizzano ossigeno molecolare (O2) e NADPH come donatore di idruro. Le FMO umane sono collegate a malattie e disturbi, di cui la trimetilaminuria, comunemente nota come sindrome dell'odore di pesce, è l'esempio più noto causato da mutazioni in un gene che codifica la FMO9,10.

Il genoma umano codifica per cinque paraloghi FMO (FMO1–5) con un ulteriore descritto come pseudogene (FMO6)11. È interessante notare che questa disposizione a cinque paraloghi è conservata praticamente in tutti i tetrapodi. Gli FMO 1–4 condividono essenzialmente le stesse proprietà catalitiche eseguendo le reazioni canoniche descritte per la famiglia: ossidazioni di solfuri e ammine (di seguito S/N o eteroatomo)8,12. Al contrario, la FMO5 è stata a lungo considerata una FMO13 “pseudoattiva”. Solo di recente, nel 2016, Fiorentini et al. hanno dimostrato che l'FMO5 umano era in grado di eseguire una chimica fondamentalmente diversa inserendo un atomo di ossigeno nel legame C–C di chetoni e aldeidi, una reazione nota come ossidazione Baeyer-Villiger (di seguito BV)14. Le due diverse chimiche, ossidazioni S/N e BV, sono ottenute tramite meccanismi catalitici distinti mediati da un comune intermedio reattivo ossigenante, la C4a-(idro)perossiflavina, spesso definita come una "pistola armata" nella letteratura FMO15,16 (Fig .1). Le ossidazioni S/N operano attraverso un meccanismo di sostituzione elettrofila condiviso con l'intermedio protonato della flavina che attacca il substrato ricco di elettroni15. Al contrario, la reazione BV coinvolge la forma deprotonata della C4a-perossiflavina con formazione di un addotto tetraedrico - l'intermedio Criegee - tra l'intermedio ossigenante della flavina e il substrato. L'ossigenazione del BV impone impegnative predisposizioni strutturali nel sito attivo per accogliere le specie formate durante la catalisi e la migrazione di un centro di carbonio17. Il nostro precedente lavoro sulla ricostruzione delle FMO dei mammiferi suggerisce che le distinte chimiche S/N e BV erano già definite nei mammiferi e presumibilmente all'emergere di ciascun paralog clade, implicando l'esistenza di due varietà FMO, una dedicata al S/N ossidazioni (FMO1–4) e l'altro alle ossidazioni BV (FMO5)18,19.

La struttura molecolare ricorrente rappresenta la porzione isoallossazina del cofattore FAD dove R corrisponde alla coda di ribitil adenosina. E sta per enzima. Innanzitutto, il FAD ossidato (E-FAD) viene ridotto dal NADPH. L'enzima ridotto (E-FADH2) reagisce prontamente con l'O2 formando l'enzima ossigenante intermedio C4a-flavin(idro)perossido (E-FADOO(H)). Da qui sono possibili due meccanismi, l'ossidazione S/N o l'ossidazione BV, entrambi seguiti dal successivo rilascio di H2O e NADP+. In assenza di substrato l'enzima subisce un inutile ciclo di produzione di perossido di idrogeno chiamato disaccoppiamento.