إنزيم بوليكيتيد سينثاز

إنزيمات بولي كيتيد سينثاز ( PKSs ) هي عائلة من الإنزيمات أو المركبات الإنزيمية متعددة المجالات التي تُنتج البولي كيتيدات ، وهي فئة كبيرة من المستقلبات الثانوية ، في البكتيريا والفطريات والنباتات وبعض السلالات الحيوانية . تتشابه عمليات التخليق الحيوي للبولي كيتيدات بشكل ملحوظ مع عملية التخليق الحيوي للأحماض الدهنية . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُنظَّم جينات PKS الخاصة بنوع معين من البوليكيتيدات عادةً في أوبيرون واحد أو في مجموعات جينية . تُشكِّل PKSs من النوع الأول والنوع الثاني إما مُركَّبات بروتينية كبيرة مُجزَّأة أو تجمعات جزيئية قابلة للتفكك؛ بينما توجد PKSs من النوع الثالث على شكل بروتينات ثنائية متجانسة أصغر حجمًا. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يمكن تصنيف أنظمة PKS إلى ثلاثة أنواع:

النوع الأول من PKS

تتكون البروتينات الكبيرة والمعقدة من وحدات متعددة، تتألف بدورها من عدة نطاقات مرتبطة تساهميًا ببعضها البعض، وتؤدي وظائف تحفيزية مختلفة. يتألف الحد الأدنى من وحدة PKS من النوع الأول من نطاق أسيل ترانسفيراز (AT)، المسؤول عن اختيار وحدة البناء المستخدمة، ونطاق كيتو سينثاز (KS)، الذي يحفز تكوين الرابطة CC، ونطاق بروتين حامل الأسيل (ACP)، المعروف أيضًا بنطاق الثيول. يحتوي هذا الأخير على بقايا سيرين محفوظة، مُعدّلة بعد الترجمة بفوسفوبانتثين، ترتبط في نهايتها سلسلة البوليكيتيد تساهميًا أثناء التخليق الحيوي على شكل ثيوإستر. علاوة على ذلك، يمكن أن توجد نطاقات اختيارية أخرى متعددة داخل الوحدة، مثل نطاقات كيتوريدوكتاز أو ديهايدراتاز، التي تُغير وظيفة 1،3-ثنائي الكربونيل الافتراضية للكيتيد المُثبَّت عن طريق اختزاله المتسلسل إلى كحول ورابطة مزدوجة، على التوالي. ^{[ 5 ] [ 6 ]} تعمل هذه المجالات معًا كخط تجميع. يُشار إلى هذا النوع من إنزيمات بولي كيتيد سينثاز من النوع الأول أيضًا باسم إنزيمات بولي كيتيد سينثاز من نوع سيس-أسيل ترانسفيراز (cis-AT PKSs). في المقابل، تطورت إنزيمات بولي كيتيد سينثاز من نوع ترانس-أسيل ترانسفيراز بشكل مستقل وتفتقر إلى مجالات أسيل ترانسفيراز في وحداتها. يتم توفير هذا النشاط بواسطة مجالات أسيل ترانسفيراز مستقلة. علاوة على ذلك، غالبًا ما تحتوي على مجالات غير شائعة ذات أنشطة تحفيزية فريدة. ^{[ 7 ]}

النوع الثاني من PKSs

تتشابه إنزيمات PKS من النوع الثاني إلى حد كبير مع إنزيمات PKS من النوع الأول، ولكن مع اختلاف رئيسي واحد: فبدلاً من إنزيم ضخم واحد، تتكون إنزيمات PKS من النوع الثاني من إنزيمات منفصلة أحادية الوظيفة. يتكون أصغر إنزيم PKS من النوع الثاني من بروتين حامل الأسيل (ACP)، بالإضافة إلى وحدتين غير متجانستين من إنزيم الكيراتين سينثاز (KSα، الذي يحفز تكوين الرابطة CC، وKSβ، المعروف أيضًا باسم "عامل طول السلسلة" - CLF، لأنه يحدد طول سلسلة الكربون ^{[ 8 ]} )، واللتان تؤديان وظيفة مشابهة لوظائف نطاقات AT وKS وACP في إنزيمات PKS من النوع الأول، على الرغم من أن إنزيمات PKS من النوع الثاني تفتقر إلى نطاق AT منفصل. علاوة على ذلك، غالبًا ما تعمل إنزيمات PKS من النوع الثاني بشكل تكراري، حيث يقوم الإنزيم نفسه بتنفيذ خطوات إطالة السلسلة المتعددة، على غرار إنزيمات PKS من النوع الثالث. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

النوع الثالث من PKS

تتكون هذه البروتينات من ثنائيات متجانسة صغيرة بوزن 40 كيلو دالتون، تجمع بين جميع وظائف نطاقات PKS الأساسية من النوعين الأول والثاني. مع ذلك، وعلى عكس PKS من النوعين الأول والثاني، لا تتطلب هذه البروتينات ركيزة مرتبطة ببروتين حامل الأسيل (ACP). بدلاً من ذلك، يمكنها استخدام ركيزة أسيل-CoA حرة لإطالة السلسلة. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} علاوة على ذلك، تحتوي PKS من النوع الثالث على ثلاثي حفزي من السيستين-الهيستيدين-الأسباراجين في مركزها النشط، حيث يعمل السيستين ككاشف نيوكليوفيلي مهاجم، بينما تتميز PKS من النوعين الأول والثاني بثلاثي حفزي من السيستين-الهيستيدين-الهيستيدين. ^{[ 14 ]} تشمل المنتجات النموذجية لـ PKS من النوع الثالث الدهون الفينولية مثل ألكيل ريزورسينول.

إضافةً إلى هذه الأنواع الثلاثة من أنظمة تجميع البروتينات، يمكن تصنيفها أيضاً إلى أنظمة تكرارية وأخرى غير تكرارية. تُعيد أنظمة تجميع البروتينات التكرارية من النوع الثاني استخدام النطاقات بطريقة دورية.

وتشمل التصنيفات الأخرى درجة الاختزال التي تتم أثناء عملية تركيب سلسلة البوليكيتيد المتنامية.

• NR-PKSs — بولي كيتيدات غير مختزلة ، منتجاتها هي بولي كيتيدات حقيقية
• PR-PKSs — تقليل PKSs جزئيًا
• FR-PKSs — إنزيمات PKSs المختزلة بالكامل، والتي تكون منتجاتها مشتقات من الأحماض الدهنية

تتكون كل وحدة من وحدات بولي كيتيد سينثاز من النوع الأول من عدة نطاقات ذات وظائف محددة، تفصل بينها مناطق فاصلة قصيرة. ويكون ترتيب الوحدات والنطاقات في بولي كيتيد سينثاز كامل كما يلي (من الطرف الأميني إلى الطرف الكربوكسيلي ):

• بدء تشغيل أو تحميل الوحدة النمطية: AT-ACP-
• وحدات التمديد أو التوسيع : -KS-AT-[DH-ER-KR]-ACP-
• إنهاء أو تحرير النطاق: -TE

النطاقات:

• AT: أسيل ترانسفيراز
• بروتين حامل الأسيل (ACP): بروتين حامل الأسيل مع مجموعة SH على العامل المساعد ، وهو فوسفوبانتثين 4' مرتبط بالسيرين
• KS: كيتو-سينثاز مع مجموعة SH على سلسلة جانبية من السيستين
• KR: كيتوريدوكتاز
• DH: ديهيدراتاز
• ER: إينويل ريدوكتاز
• MT: ميثيل ترانسفيراز O- أو C- (α أو β)
• SH: سيستين لياز المعتمد على PLP
• TE: ثيوإستراز

ترتبط سلسلة البوليكيتيد ومجموعات البداية بمجموعتها الوظيفية الكربوكسيلية بمجموعات SH الخاصة بـ ACP ومجال KS من خلال رابطة ثيوإستر : R- C (= O ) O H + H S -بروتين <=> R- C (= O ) S -بروتين + H ₂ O .

تتشابه نطاقات حامل ACP مع نطاقات حامل PCP الخاصة بمركبات الببتيد غير الريبوزومية ، وتجمع بعض البروتينات بين كلا النوعين من الوحدات.

يتم نقل السلسلة المتنامية من مجموعة ثيول إلى المجموعة التالية عن طريق عمليات النقل الأسيلي ويتم إطلاقها في النهاية عن طريق التحلل المائي أو عن طريق التكوير ( التحلل الكحولي أو التحلل الأميني ).

المرحلة الابتدائية:

• يتم تحميل مجموعة البداية، وعادة ما تكون أسيتيل-CoA أو نظائرها، على نطاق ACP الخاص بوحدة البداية التي يتم تحفيزها بواسطة نطاق AT الخاص بوحدة البداية.

مراحل الاستطالة:

• يتم نقل سلسلة البوليكيتيد من نطاق ACP الخاص بالوحدة السابقة إلى نطاق KS الخاص بالوحدة الحالية، ويتم تحفيز ذلك بواسطة نطاق KS.
• يتم تحميل مجموعة الإطالة، وعادة ما تكون مالونيل-CoA أو ميثيل مالونيل-CoA ، على نطاق ACP الحالي الذي يحفزه نطاق AT الحالي.
• تتفاعل مجموعة الإطالة المرتبطة بـ ACP في تفاعل تكثيف كلايسن مع سلسلة البوليكيتيد المرتبطة بـ KS مع انطلاق غاز _ثاني أكسيد الكربون ، تاركةً نطاق KS حرًا وسلسلة بوليكيتيد مُطالة مرتبطة بـ ACP. يحدث التفاعل عند الطرف المرتبط بـ KS _من السلسلة، بحيث تتحرك السلسلة موضعًا واحدًا للخارج وتصبح مجموعة الإطالة هي المجموعة المرتبطة الجديدة.
• يمكن تعديل جزء من سلسلة البوليكيتيد تدريجيًا، عند الحاجة، بواسطة نطاقات إضافية. يقوم نطاق KR (كيتو-ريدوكتاز) باختزال مجموعة β-كيتو إلى مجموعة β-هيدروكسي، بينما يقوم نطاق DH (ديهايدراتاز) بفصل جزيء ماء ₍ H₂O ) ، مما ينتج عنه ألكين غير مشبع α-β ، ويقوم نطاق ER (إينويل-ريدوكتاز) باختزال الرابطة المزدوجة α-β إلى رابطة أحادية. تؤثر نطاقات التعديل هذه في الواقع على الإضافة السابقة إلى السلسلة (أي المجموعة المضافة في الوحدة السابقة)، وليس على المكون المُستقطب إلى نطاق ACP الخاص بالوحدة التي تحتوي على نطاق التعديل.
• تتكرر هذه الدورة لكل وحدة استطالة.

مرحلة الإنهاء:

• يقوم نطاق TE بتحليل سلسلة البوليكيتيد المكتملة من نطاق ACP الخاص بالوحدة السابقة.

تُعدّ إنزيمات بولي كيتيد سينثاز مصدرًا هامًا للجزيئات الصغيرة الطبيعية المستخدمة في العلاج الكيميائي. ^{[ 15 ]} فعلى سبيل المثال، يتم إنتاج العديد من المضادات الحيوية الشائعة الاستخدام، مثل التتراسيكلين والماكروليدات ، بواسطة هذه الإنزيمات . ومن بين البولي كيتيدات الأخرى ذات الأهمية الصناعية: سيروليموس (مثبط للمناعة)، وإريثروميسين (مضاد حيوي)، ولوفاستاتين (دواء خافض للكوليسترول)، وإيبوثيلون ب (دواء مضاد للسرطان). ^{[ 16 ]}

البوليكيتيدات هي عائلة كبيرة من المنتجات الطبيعية التي تستخدم على نطاق واسع كأدوية ومبيدات حشرية ومبيدات أعشاب ومجسات بيولوجية. ^{[ 17 ]}

توجد مركبات بوليكيتيد مضادة للفطريات والبكتيريا، وهي الأوفيوكوردين والأوفيوسيتين.

وتُجرى الأبحاث عليها من أجل تصنيع الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الصناعية. ^{[ 18 ]}

لا تشكل المنتجات الطبيعية سوى 1% تقريبًا من جميع الجزيئات المعروفة، ومع ذلك، من المعروف أن ما يقرب من ثلثي الأدوية المستخدمة حاليًا مشتقة جزئيًا على الأقل من مصادر طبيعية. ^{[ 19 ]} يُفسر هذا التحيز عادةً بأن المنتجات الطبيعية تطورت بالتزامن مع البيئة لفترات طويلة، وبالتالي تم اختيارها مسبقًا لامتلاكها بنى فعالة. تشمل منتجات إنزيمات بولي كيتيد سينثاز دهونًا ذات خصائص مضادة للبكتيريا والفطريات والأورام، بالإضافة إلى خصائص دفاعية ضد المفترسات؛ ومع ذلك، لم يتم بعد تحديد خصائص العديد من مسارات إنزيمات بولي كيتيد سينثاز التي تستخدمها البكتيريا والفطريات والنباتات بشكل شائع. ^{[ 20 ] [ 21 ]} لذلك، تم تطوير طرق للكشف عن مسارات جديدة لإنزيمات بولي كيتيد سينثاز في البيئة. تدعم الأدلة الجزيئية فكرة أن العديد من البولي كيتيدات الجديدة لا تزال بحاجة إلى اكتشاف من مصادر بكتيرية. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

• كوليباكتين
• دوكسوروبيسين

• بوليكيتيد + سينثاز في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب