Mecanismo de hidroxilación de la dopamina β-monooxigenasa para la formación de norepinefrina
Authors:   ,   Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Química y Farmacia, Forero Girón Angie 
Published: September 2023

La dopamina monooxigenasa (DβM) es una enzima que cataliza la reacción de hidroxilación desde dopamina (DP) a norepinefrina (NP). Esta conversión tiene relevancia biológica debido a que la desregulación de estos neurotransmisores (DP y NP) ha sido asociada a diferentes enfermedades neurológicas o enfermedades relacionadas con la presión arterial, por ejemplo, altas concentraciones de DP han sido asociadas a hipotensión, y un aumento de la concentración de NP ha sido asociada a hipertensión. En este contexto, entender el mecanismo de las etapas que determinan la conversión DP → NP es muy relevante y puede conducir a avances sustantivos en el tratamiento de diversas enfermedades donde el equilibrio DP ⇄ NP se ve alterado. La DβM presenta un centro de cobre como sitio activo que captura oxígeno molecular y activa un enlace C-H de la DP, la activación de este enlace es un paso crucial para que ocurra la hidroxilación de DP hasta NP. En este trabajo se analizan a profundidad los dos primeros pasos elementales de este mecanismo: la oxigenación de la enzima DβM y la activación del enlace C-H necesaria para la transferencia del átomo de hidrógeno (Hydrogen atom transfer, HAT) desde el carbono β de la DP hasta el superoxo previamente formado en el sitio catalítico luego de la captura de una molécula de oxígeno. Entonces, el primer paso consiste en la interacción de oxígeno molecular con el complejo de cobre CuI M en la enzima DβM para formar un superoxo de cobre CuII M(2·−). El segundo paso de la reacción es la HAT desde la DP al complejo superoxo en la enzima catalizadora DβM para formar un intermediario hidroperoxo y el radical dopamina. En esta tesis, se realizó una caracterización teórica detallada de la HAT usando dos conformaciones de la DP que conducen a cuatro posibles reacciones de HAT, dos de las cuales condujeron al enantiómero producido por la enzima. En las dos reacciones que conducen al enantiómero correcto se estudió el efecto del solvente mediante un modelo continuo polarizable. Se encontró que un enlace de hidrógeno entre la DP y el complejo superoxo en la enzima catalizadora DβM, fortalece la interacción enzima sustrato y facilita la HAT, la cual toma lugar selectivamente para dar la forma enantiomérica del producto deseado. Las cuatro reacciones que llevaron al intermediario hidroperoxo fueron analizadas usando herramientas teóricas y computacionales con el fin de identificar el mecanismo más probable. El análisis de la fuerza de reacción demostró que la naturaleza de la energía de activación es principalmente de tipo estructural y es debida al acercamiento de las especies para así facilitar la HAT. Por otra parte, el análisis del flujo electrónico de reacción reveló que la actividad electrónica que conduce la reacción es iniciada por efectos de polarización, seguida de efectos de transferencia y finalizada nuevamente con efectos de polarización. Además, en la reacción más probable, la HAT toma lugar concertadamente y con actividad electrónica que ocurre de manera no-espontánea inducida por fuertes cambios estructurales. También analizamos en este trabajo de tesis, un mecanismo alternativo propuesto recientemente, que plantea la posibilidad de que la HAT al superoxo se lleve a cabo desde el ascorbato, en lugar de la DP. Esta reacción presenta una menor barrera de energía libre de Gibbs, por lo que se espera que estudios experimentales puedan corroborar estos resultados.