I polichetidi (PKs) sono un gruppo di metaboliti secondari prodotti da batteri, funghi, piante e da alcuni organismi marini. Essi presentano una notevole varietà nella loro struttura e funzione. Nonostante la loro diversità strutturale, i polichetidi derivano da un precursore costituito da un’alternanza di gruppi chetonici o le loro forme ridotte e gruppi metilenici.
classificazione
Pertanto, la struttura della molecola che costituisce il precursore dei polichetidi può essere rappresentata come [-C(=O)-CH₂]n. Sono suddivisi in acidi grassi, composti aromatici e polipropionati. Questi ultimi sono ulteriormente suddivisi in macrolidi, lineari e polieteri.
Le diverse strutture di questi prodotti naturali si riflettono nei diversi enzimi biosintetici dei polichetidi, vale a dire le polichetidi sintasi. Molti polichetidi hanno attività farmacologica come antibiotici, ad esempio macrolidi e tetracicline, antimicrobici, immunosoppressori o sono biologicamente attivi come pigmenti e allolochimici.
Enzimi nella biosintesi di polichetidi
Gli Streptomyces sono un genere di batteri Gram-positivi aerobi che sono tra i produttori di polichetidi, come la rapamicina. La biosintesi di questi composti coinvolge un gruppo di complessi enzimatici chiamati polichetide sintasi (PKS). Negli Streptomyces, esistono tre tipi di PKS (tipo I, tipo II e tipo III), generalmente classificate in base al numero di subunità.
PKS I
Le PKS di tipo I sono proteine multifunzionali che hanno molti moduli contenenti alcuni siti attivi in cui avviene una particolare reazione enzimatica. I domini essenziali esistenti in ciascun modulo sono l’aciltransferasi, la cheto sintasi e la proteina trasportatrice di acile, che agiscono per produrre l’intermedio β-cheto estere. Nel corso della biosintesi, la catena del polichetide in espansione viene trasferita da un modulo all’altro fino a quando il prodotto della reazione viene liberato dall’ultimo modulo da uno speciale enzima.
Le PKS di tipo II sono responsabili della produzione di polichetidi aromatici. Sulla base del sistema di anelli polifenolici e delle loro vie biosintetiche, i polichetidi aromatici prodotti dai PKS di tipo II sono classificati in gruppi, come il gruppo delle antracicline e quello delle tetracicline.
Differentemente dalle PKS di tipo I, che coinvolgono enormi proteine multifunzionali con molti moduli contenenti domini e che eseguono la reazione enzimatica in modo non iterativo, le PKS di tipo II hanno polipeptidi monofunzionali che lavorano in modo iterativo per produrre un polichetide aromatico. Tuttavia, come le PKS di tipo I, anche le PKS di tipo II comprendono la proteina trasportatrice di acile (ACP) che funziona come ancoraggio per la nascente catena polichetidica.
A differenza delle PKS di tipo I e II, le PKS di tipo III non utilizzano la proteina trasportatrice di acile come ancoraggio per la produzione del metabolita polichetidico, ma gli acil-CoA vengono utilizzati direttamente come substrati per generare composti polichetidici.
Le ricerche sulle strutture, le attività, la produzione di enzimi, le unità che avviano le reazioni, le unità di estensione e i geni strutturali dei polichetidi è molto importante nello sviluppo di nuovi farmaci.
Biosintesi nelle piante
La biosintesi dei polichetidi da parte dei batteri ha ricevuto molta attenzione negli ultimi due decenni a causa dell’elevato potenziale commerciale di questi composti come molecole biologicamente attive per il trattamento di diverse malattie umane.
La sintesi di questi composti, pur nella loro varietà strutturale, condivide un percorso chimico comune incentrato sulla formazione di un intermedio polichetonico. La formazione di un polichetide prevede tre fasi distinte. Nella prima fase avviene il caricamento di una molecola iniziale, generalmente p- cumaroil CoA, su una cisteina nel sito attivo dell’enzima.
biosintesi
Successivamente, nella seconda fase, la prima delle tre molecole di malonil CoA si lega al sito attivo e viene decarbossilata per formare un intermedio reattivo acetil CoA con estensione della catena polichetidica nel sito attivo di un’unità di acetato e infine avviene il rilascio del prodotto, tipicamente attraverso una reazione di ciclizzazione.
Nelle piante, l’enzima principale della sintesi di questi composti è la calcone sintasi (CHS), responsabile della prima fase della via dei flavonoidi. Questo enzima, membro della superfamiglia delle polichetidi sintasi vegetali omologo alla sintasi degli acidi grassi (FAS), catalizza la produzione di un’ampia varietà di metaboliti secondari.
Questo enzima collega il metabolismo dei fenilpropanoidi e dei flavonoidi tramite una serie di reazioni chimiche per assemblare la naringenina calcone a partire da p-coumaroil CoA, ottenuto dal metabolismo della fenilalanina, e tre molecole di malonil CoA fornite dalla biosintesi degli acidi grassi.
La calcone sintasi è un enzima appartenente alla classe delle transferasi, che catalizza la seguente reazione:
3 malonil-CoA + 4-coumaroil-CoA ⇄ 4 CoA + naringenina calcone + 3 CO₂
Attività antibiotica
L’esempio più noto e significativo di scoperta di antibiotici da microbi è stata la scoperta della penicillina da una coltura di Penicillium rubens da parte di Alexander Fleming nel 1928. Dall’inizio degli anni ’40 la storia degli antibiotici è fortemente legata ai microrganismi.
Uno dei gruppi di batteri che producono molti antibiotici importanti è quello degli Actinobacteria. Gli actinobatteri sono Gram-positivi, hanno un alto contenuto di GC e comprendono vari generi noti per la produzione di metaboliti secondari, come Streptomyces, Micromonospora, Kitasatospora, Nocardiopsis, Pseudonocardia, Nocardia, Actinoplanes, Saccharopolyspora e Amycolatopsis.
streptomicina
Dalla scoperta delle proprietà antibiotiche dei polichetidi, come la streptomicina nel 1950, la ricerca di nuovi composti ha portato le aziende farmaceutiche a isolare decine di milioni di ceppi produttori di antibiotici, sebbene i microrganismi del suolo coltivabili rimangano la principale fonte di antibiotici e altri composti attivi.
I macrolidi rappresentano un ampio gruppo di polichetidi attualmente utilizzati come agenti antibatterici, antifungini e immunosoppressori, strutturalmente caratterizzati dall’anello macrolattonico, che rappresenta una catena polichetidica ciclizzata.
L’eritromicina è il capostipite dei macrolidi ed è un antibiotico batteriostatico, ovvero impedisce l’ulteriore crescita dei batteri anziché distruggerli direttamente, inibendo la sintesi proteica.
Le tetracicline sono polichetidi aromatici biosintetizzati da attinomiceti presenti nel suolo a partire dalle polichetidi sintasi batteriche di tipo II. Una delle caratteristiche strutturali distintive delle tetracicline rispetto ad altri polichetidi aromatici è la presenza universale di un’unità ammidica all’estremità dello scheletro del polichetide.
Le tetracicline sono tra gli antibiotici più importanti conosciuti dall’umanità nell’ultimo mezzo secolo. Le loro attività antimicrobiche ad ampio spettro hanno portato al loro diffuso uso clinico nei confronti di batteri infettivi Gram-positivi e Gram-negativi.
La nistatina, contenente una porzione polichetidica rappresentata da un anello di macrolattone a 38 membri, è un antibiotico ad attività antimicotica, inibitore delle funzioni della membrana citoplasmatica e facente parte del gruppo dei polieni.