Notícias

Aug 05, 2023

Evolução da funcionalidade enzimática na flavina

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 1042 (2023) Citar este artigo

5244 acessos

64 Altmétrico

Detalhes das métricas

Dentre os mecanismos moleculares de adaptação em biologia, a diversificação funcional enzimática é indispensável. Ao permitir que os organismos expandam seus repertórios catalíticos e adotem químicas fundamentalmente diferentes, os animais podem aproveitar ou eliminar novas substâncias e xenobióticos aos quais são expostos em novos ambientes. Aqui, exploramos as monooxigenases contendo flavina (FMOs) que são essenciais para a desintoxicação xenobiótica. Empregando uma abordagem paleobioquímica em combinação com técnicas enzimológicas revelamos o conjunto de substituições históricas responsáveis ​​pela diversificação funcional da família em tetrápodes. Notavelmente, algumas substituições de aminoácidos diferenciam um FMO multitarefa ancestral em uma monooxigenase mais especializada, modulando o intermediário de oxigenação da flavina. Nossas descobertas corroboram uma premissa contínua de que a função enzimática depende de um subconjunto de resíduos que não está limitado ao núcleo do sítio ativo.

As monooxigenases contendo flavina (FMOs) são enzimas e ativos essenciais no arsenal de desintoxicação de vertebrados1,2. Os FMOs são geralmente conhecidos por sua capacidade de converter moléculas contendo heteroátomos em seus óxidos solúveis em água e prontamente excretáveis3. Diferentemente das monooxigenases do citocromo P450 contendo heme mais específicas4, as FMOs podem acomodar uma infinidade de substratos em seus sítios ativos5. Além disso, eles também catalisam etapas importantes na ativação de drogas anti-inflamatórias e anticancerígenas6,7 e estão envolvidos na síntese endógena de substâncias essenciais, incluindo a taurina8. Para todas essas oxidações, os FMOs empregam oxigênio molecular (O2) e NADPH como doadores de hidreto. Os FMOs humanos estão ligados a doenças e distúrbios, com a trimetilaminúria − comumente conhecida como síndrome do odor de peixe – como o exemplo mais conhecido causado por mutações em um gene que codifica o FMO9,10.

O genoma humano codifica cinco parálogos FMO (FMO1-5) com um adicional descrito como um pseudogene (FMO6)11. Curiosamente, esse arranjo de cinco parálogos é conservado em praticamente todos os tetrápodes. As FMOs 1–4 compartilham essencialmente as mesmas propriedades catalíticas realizando as reações canônicas descritas para a família: oxidações de sulfeto e amina (daqui em diante S/N ou heteroátomo)8,12. Pelo contrário, o FMO5 foi considerado por muito tempo um FMO13 "pseudo-ativo". Foi apenas recentemente, em 2016, que Fiorentini et al. demonstraram que o FMO5 humano foi capaz de realizar uma química fundamentalmente diferente inserindo um átomo de oxigênio na ligação C-C de cetonas e aldeídos, uma reação conhecida como oxidação de Baeyer-Villiger (doravante BV)14. As duas químicas diferentes, oxidações S/N e BV, são alcançadas por mecanismos catalíticos distintos mediados por um intermediário reativo oxigenante comum, o C4a-(hidro)peroxiflavina, muitas vezes definido como uma "arma engatilhada" na literatura FMO15,16 (Fig. . 1). As oxidações S/N operam através de um mecanismo de substituição eletrofílica compartilhada com o intermediário flavina protonado atacando o substrato rico em elétrons15. Ao contrário, a reação BV envolve a forma desprotonada da C4a-peroxiflavina com a formação de um aduto tetraédrico - o intermediário de Criegee - entre o intermediário de flavina oxigenante e o substrato. A oxigenação do BV impõe pré-arranjos estruturais exigentes no sítio ativo para acomodar as espécies formadas durante a catálise e a migração de um centro de carbono17. Nosso trabalho anterior sobre a reconstrução dos FMOs de mamíferos sugere que as químicas distintas S/N e BV já foram definidas em mamíferos e presumivelmente no surgimento de cada clado parálogo, implicando a existência de duas variedades de FMO, uma dedicada a S/N oxidações (FMO1–4) e o outro a oxidações BV (FMO5)18,19.

A estrutura molecular recorrente representa a fração isoaloxazina do cofator FAD, onde R corresponde à cauda de adenosina ribitil. E significa enzima. Primeiro, o FAD oxidado (E-FAD) é reduzido pelo NADPH. A enzima reduzida (E-FADH2) reage prontamente com O2 formando a enzima oxigenante intermediária C4a-flavin(hidro)peróxido (E-FADOO(H)). Dois mecanismos são possíveis a partir daqui, a oxidação S/N ou a oxidação BV, ambas seguidas pela liberação subsequente de H2O e NADP+. Na ausência de substrato, a enzima passa por um ciclo fútil de produção de peróxido de hidrogênio chamado desacoplamento.