Skwalen jest miękkim łańcuchem, który enzym składa w wielopierścieniowy szkielet steroidu niemal jednym ciągiem
Skwalen C₃₀H₅₀ jest długim, elastycznym węglowodorem z sześcioma wiązaniami podwójnymi. Na pierwszy rzut oka niewiele przypomina sztywne cztery skondensowane pierścienie cholesterolu i hormonów steroidowych. Biosynteza najpierw epoksyduje skwalen do 2,3-oksydoskwalenu, a następnie oksydoskwalenowa cyklaza zwija go w precyzyjną konformację. Protonacja epoksydu uruchamia kaskadę karbokationową tworzącą kilka pierścieni, po której następują migracje wodorków i grup metylowych. W jednej enzymatycznej operacji giętki łańcuch zostaje przekształcony w lanosterol z większością złożonego stereochemicznego szkieletu steroidów.
Skwalen powstaje z dwóch fragmentów C15
Dwa farnezylodifosforany są sprzęgane przez syntazę skwalenową. Powstaje symetryczny C₃₀ prekursor należący do triterpenów.
Epoksyd jest chemicznym zapalnikiem
Skwalenepoksydaza utlenia jedno końcowe C=C do 2,3-epoksydu. Trójczłonowy tlenowy pierścień jest naprężony i po protonacji łatwo otwiera się, generując karbokation.
Przed cyklizacją 2,3-oksydoskwalen jest związany w enzymie w charakterystycznej, prawie „krzesełkowej” sekwencji zagięć. Każde przyszłe wiązanie C–C ma partnera ustawionego po właściwej stronie. Gdy epoksyd się otwiera, kolejne pierścienie powstają stereospecyficznie, ponieważ łańcuch nie ma czasu i miejsca na swobodną reorganizację. Enzym konwertuje informację konformacyjną w trwałą konfigurację wielu stereocentrów.
Enzym zwija łańcuch przed reakcją
Oksydoskwalenowa cyklaza nie pozwala substratowi przyjąć dowolnej pozy. Kieszeń organizuje go w konformację zbliżającą właściwe wiązania podwójne do miejsc, w których mają powstać nowe C–C.
Łańcuch migracji po zamknięciu pierścieni jest równie niezwykły. Hydryd może przesunąć się z jednego węgla na sąsiedni wraz z parą elektronową C–H, a grupa metylowa może analogicznie zmienić pozycję. W klasycznym rysunku atomy wyglądają, jakby „wędrowały” po szkielecie, lecz mechanistycznie są to kolejne 1,2-przesunięcia stabilizujące karbokation. W kilku krokach mapa atomów końcowego steroidu przestaje przypominać prostą mapę skwalenu.
Cyklizacja biegnie jak fala
Otwarty epoksyd tworzy pierwszy kation, który atakuje kolejne C=C. Powstają następne pierścienie i kolejne kationy, aż zbudowany zostaje tetracykliczny rdzeń.
Po drodze wędrują wodorki i grupy metylowe
Pierwszy zamknięty szkielet nie ma jeszcze rozmieszczenia atomów lanosterolu. Seria 1,2-przesunięć reorganizuje węgle i wodory bez rozpadania cząsteczki na fragmenty.
Różne organizmy używają podobnego oksydoskwalenu do innych produktów. Zwierzęca syntaza lanosterolu prowadzi do lanosterolu, a wiele roślinnych cyklaz może tworzyć cykloartenol lub liczne triterpenowe szkielety. Ta sama zasada C₃₀ kaskady została ewolucyjnie dostrojona przez zmianę kształtu kieszeni aktywnej. Ogromna różnorodność saponin i innych triterpenów wyrasta z alternatywnych sposobów zakończenia niemal tego samego reaktywnego ciągu.
Lanosterol jest dopiero początkiem
Kolejne enzymy usuwają grupy metylowe, przesuwają wiązania podwójne i redukują fragmenty, prowadząc do cholesterolu. Z cholesterolu organizm tworzy m.in. kwasy żółciowe i hormony steroidowe.
Enzym kontroluje reakcję, która w kolbie byłaby chaotyczna
Karbokationy są niezwykle reaktywne, a skwalen ma wiele podobnych wiązań podwójnych. Sukces biosyntezy wynika z preorganizacji: zanim reakcja wystartuje, enzym praktycznie składa liniowy łańcuch w kształt przyszłego wielopierścieniowego produktu.
Cholesterol jest później przekształcany w hormony steroidowe przez selektywne utlenienia i rozszczepienie łańcucha bocznego. Kortyzol, testosteron, estradiol i aldosteron zachowują wspólny czteropierścieniowy rdzeń, ale kilka grup –OH, karbonylów i wiązań podwójnych zmienia dopasowanie do receptorów. Historia od skwalenu do hormonów jest więc wielopoziomowym przykładem: najpierw gigantyczna cyklizacja tworzy wspólne rusztowanie, a potem drobne modyfikacje nadają mu wyspecjalizowane funkcje.
Inhibitory biosyntezy steroli wykorzystują kilka etapów tego szlaku jako cele. Statyny hamują reduktazę HMG-CoA znacznie wcześniej, ograniczając dopływ jednostek izoprenowych do cholesterolu, a leki przeciwgrzybicze z grupy azoli blokują późniejszą demetylację lanosterolu w ergosterolowym szlaku grzybów. To przypomina, że spektakularna cyklizacja skwalenu jest tylko jednym punktem długiej fabryki. Zrozumienie organicznych przemian pozwala farmakologii wybrać etap, którego zahamowanie jest najskuteczniejsze i najbardziej selektywne dla danego organizmu.
Preorganizacja oksydoskwalenu stanowi jeden z najlepszych przykładów działania enzymu przez redukcję entropijnego kosztu reakcji. W roztworze łańcuch ma ogromną liczbę konformacji, z których tylko bardzo niewiele nadaje się do pożądanej kaskady. Kieszeń wybiera i stabilizuje właśnie te rzadkie ułożenia, przez co dramatycznie zwiększa prawdopodobieństwo poprawnego ciągu cyklizacji.