Los investigadores proponen un cambio de paradigma en la bioquímica enzimática

P450 51 enzimas desmetilan esteroles, liberando ácido fórmico (DCOOH). El análisis del subproducto DCOOH permitió la discriminación mecánica de las contribuciones del compuesto 0 (Cpd 0) y el compuesto I (Cpd I) a la catálisis. Cuando las reacciones enzimáticas se ejecutan bajo ¹⁸O2 (rojo), >50 % contiene un átomo de DCOOH ¹⁸O (para todas las enzimas P450 51 analizadas), lo que indica una contribución importante de Cpd 0 en la escisión C-C de 24,25-dihidrolanosterol. Crédito: Edición Internacional de Química Aplicada (2024) DOI: 10.1002/anie.202317711

Aunque es posible que nunca haya oído hablar de la superfamilia de enzimas del citocromo P450, estas proteínas desempeñan funciones diversas y críticas en los seres humanos a través de la biosíntesis de fármacos, pesticidas, ácidos grasos, vitaminas liposolubles y carcinógenos químicos y esteroides esenciales. incluidos los esteroles.

Los esteroles son una familia de compuestos químicos que comparten una estructura de anillo central y son fundamentales para la vida de una multitud de organismos. El esterol más conocido en los seres humanos es el colesterol, un componente importante de nuestras membranas celulares y un factor que siempre está en la mente de los médicos, ya que los niveles de colesterol en sangre pueden aumentar el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Laboratorio de Fred Gungerich, Tadashi Inagami, Ph.D. Profesor de Bioquímica en la Universidad de Vanderbilt, ha estudiado los citocromos P450 durante más de 50 años. En un nuevo artículo publicado en Quimica APLICADAEl laboratorio de Guengerich investigó el mecanismo por el cual el citocromo P450 51, una enzima P450, se utiliza para catalizar una reacción crítica de tres pasos en la biosíntesis de esteroles: el metabolismo del lanosterol.

«Este es un proyecto desafiante pero gratificante que proporciona la primera respuesta inequívoca a una pregunta mecanicista controvertida y de larga data en la biosíntesis de esteroles eucarióticos.» dijo el autor principal y estudiante graduado de bioquímica Kevin McCarty.

El ciclo catalítico de todas las enzimas P450 implica la formación de dos especies activas de hierro hemo (el compuesto 0 y el compuesto I, el último de los cuales se forma naturalmente a partir del compuesto 0) que son esenciales para las reacciones catalizadas por P450, incluido el metabolismo del lanosterol. Aunque el papel del compuesto I en los dos primeros pasos del metabolismo del lanosterol está bien establecido, los datos contradictorios de diferentes laboratorios no han dejado claro a los científicos si P450 51 utiliza el compuesto 0 o el compuesto I para lograr el paso final crítico.

Early Gungerich detecta la composición del isótopo de oxígeno mediante el uso de una técnica analítica avanzada perfeccionada por el postdoctorado Francis Yoshimoto. ¹⁸Entre los productos de la reacción O P450, McCarty y sus colegas fueron los primeros en sugerir que tanto el compuesto 0 como el compuesto I pueden desempeñar funciones químicas activas en la última etapa del metabolismo del lanosterol.

De hecho, los resultados se presentan Quimica APLICADA El artículo sugiere que el compuesto 0 es la principal especie hemo para el último paso de la reacción catalítica (~85% de la reacción) del P450 51 humano, mientras que el compuesto I desempeña un papel cuantitativo aún menor (~14% de la reacción). .

En colaboración con Galina Lepesheva, profesora de investigación de bioquímica, los investigadores compararon las contribuciones relativas de cada especie de hemo en cuatro enzimas P450 51 de levaduras patógenas, amebas y tripanosomas al ortólogo humano. Mientras que las enzimas de levadura y ameba mostraron resultados similares a los de la proteína humana, los resultados de las enzimas tripanosómicas revelaron una diferencia mecanística interesante: el compuesto 0 y el compuesto I compartieron contribuciones aproximadamente iguales a la reacción.

Estos resultados añaden profundidad a nuestra comprensión colectiva y mecanicista de las enzimas P450, particularmente las involucradas en la biosíntesis de esteroles.

«Este fue un proyecto largo que requirió una síntesis química de 17 pasos, y nuestro colaborador el Prof. Cinco enzimas P450 51 purificadas diferentes de Galina Lepesheva, una atención muy cuidadosa al uso de una atmósfera de 18 oxígeno en las reacciones, espectrometría de masas de alta resolución de última generación y un trabajo cuidadoso de todos los autores en nuestro laboratorio.» dijo Gungerich. Según él, la atención al detalle de su equipo hizo posible «Romper este sistema» y proporciona un análisis claro del mecanismo de la enzima dividida.

«Nuestros hallazgos proporcionan avances importantes en la comprensión de la función de P450 51 en humanos y diversos patógenos, que esperamos sean útiles en la búsqueda continua de medicamentos dirigidos a P450 51.» Dijo McCarty.

Actualmente, varios fármacos antimicóticos existentes inhiben las enzimas fúngicas P450 51 e interfieren con la capacidad del organismo para producir esteroles esenciales y reproducirse. Sin embargo, la resistencia a los antifúngicos, junto con la existencia de infecciones fúngicas mortales para las que no existe cura, subraya la necesidad continua de nuevos fármacos dirigidos al P450 51.

De cara al futuro, los laboratorios Guengerich y Lepesheva analizarán más a fondo la enzima P450 51 de la ameba en busca de peculiaridades mecanísticas que podrían explotarse como posibles objetivos farmacológicos.