Theoretical investigation of the Pictet-Spengler reaction between dopamine and (S)-citronellal catalyzed by the enzyme (S)-norcoclaurine synthase

Abstract

A enzima Norcoclaurina Sintase é conhecida por ser a Pictet-Spenglerase responsável por catalisar a condensação da dopamina e do 4-hidroxifenilacetaldeído, levando à formação da s-norcoclaurina, o primeiro metabólito na biossíntese dos alcalóides benzilisoquinolínicos. Recentemente, estudos mostraram que a Norcoclaurina Sintase possui alta promiscuidade frente a muitos aldeídos e cetonas, despertando grande interesse para seu uso. Neste trabalho, investigamos computacionalmente os aspectos estruturais dessa enzima em relação ao substrato (S)citronelal, um aldeído alifático de cadeia longa que contrasta com o aldeído natural, o 4-hidroxifenilacetaldeído. Além disso, investigamos também o mecanismo de reação de condensação entre a dopamina e o (S)citronelal catalisado pela Norcoclaurina Sintase. Para tanto, empregamos metodologias de ancoramento molecular, simulação de dinâmica molecular clássica e teoria do funcional da densidade. Demonstramos através do ancoramento molecular e de simulações de dinâmica molecular que o modo de ligação preferencial enzima-substrato apresenta a dopamina mais profundamente ancorada no sítio ativo, interagindo com o amino ácido LYS122 em uma conformação considerada ativa, o que significa que irá favorecer a ocorrência da reação, enquanto que o (S)citronelal ocupa a entrada da cavidade, tendo uma parte de sua cadeia exposta ao solvente, o que pode ser um indicativo da promiscuidade da enzima em relação aos compostos carbonilados. Do ponto de vista mecanístico, utilizando a teoria do funcional da densidade e a metodologia de cluster, mostramos que o caminho da reação possui três intermediários a menos em relação ao previamente publicado. Além disso, também descobrimos que as restrições conformacionais experimentadas pelos substratos alteram consideravelmente a barreira de energia de ativação para a etapa de ciclização.