Стриктозидинсинтаза
| стриктозидинсинтаза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 4.3.3.2 | ||
| Номер CAS. | 69669-72-3 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| ЭксПАСи | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
| |||
Стриктозидинсинтаза (EC 4.3.3.2) представляет собой фермент биосинтеза алкалоидов , который катализирует конденсацию триптамина с секологанином с образованием стриктозидина в формальной реакции Пикте-Шпенглера :
- 3-α( S )-стриктозидин + H 2 O = триптамин + центоганин
Поскольку конденсация триптамина и секологанина является первой стадией синтеза алкалоидов, стриктозидинсинтаза играет фундаментальную роль в подавляющем большинстве индол-алкалоидных путей. [ 1 ]
Этот фермент принадлежит к семейству лиаз , в частности аминолиаз, которые расщепляют связи углерод-азот. Его можно выделить из нескольких производящих алкалоиды растений семейства Apocynaceae (например, Catharanthus roseus , Voacanga africana ). [ 2 ] Систематическое название этого класса ферментов — 3-α( S )-стриктозидинтриптамин-лиаза (секологанинобразующая) . Другие широко используемые названия включают стриктозидинсинтетазу , STR и 3-α( S )-стриктозидинтриптамин-лиазу . Первоначально выделенный из растения Rauvolfia serpentina , лекарственного растения, широко используемого в индийской народной медицине, этот фермент участвует в биосинтезе терпеноидов , а также индола и биосинтезе алкалоидов ипекакуаны , оба из которых производят множество соединений со значительными физиологическими и лечебными свойствами.
Механизм катализа
[ редактировать ]Согласно структурным исследованиям стриктозидинсинтазы Rauvolfia serpentina , триптамин расположен на дне кармана, где Glu 309 образует водородную связь с первичной аминогруппой субстрата. Остатки Phe 226 и Tyr 151, которые расположены параллельно индольному кольцу триптамина, дополнительно стабилизируют его связывание, фиксируя триптамин в сэндвич-структуре посредством взаимодействий пи-связей. [ 3 ]
При связывании субстрата положение секологанина оказывается у входа в карман, где положительно заряженные остатки His 307 и His 277 связываются с глюкозным фрагментом секологанина. , из которого Glu309 депротонирует углерод 2 триптамина. Это обеспечивает образование стриктозидина при последующем замыкании кольца посредством электрофильного замещения, как показано на соседнем изображении. основание Шиффа Между альдегидной группой секологанина и аминогруппой триптамина образуется [ 3 ]
Стриктозидинсинтаза способствует образованию 3-α( S )-стриктозидина, действуя как каркас для увеличения локальных концентраций триптамина, секологанина и кислотных катализаторов. Его связывающий карман также правильно ориентирует промежуточный иминий во время циклизации для катастрофеоселективного производства алкалоидных продуктов. В отличие от механизмов образования некоторых соединений Пикте-Шпенглера, промежуточный спироиндоленин, содержащий пятичленное кольцо, не образуется во время синтеза стриктозидина. Теоретические расчеты показали, что прямое взаимное превращение иминия в шестичленное кольцо происходит на несколько порядков быстрее, чем спироиндоленина. [ 4 ]
Структура фермента
[ редактировать ]Общая структура стриктозидинсинтазы состоит из 6-лопастной складки β-пропеллера, расположенной по шестикратной оси псевдосимметрии, причем каждая лопасть пропеллера содержит четыре β-нити, которые образуют скрученный антипараллельный β-лист. В структуре фермента также присутствуют три α-спирали, при этом α 3-спираль образует гидрофобный связывающий карман в верхней части пропеллера и образует крышку для активного центра. Основными аминокислотными остатками, образующими активный центр, являются Tyr 105, Trp 149, Val 167, Met 180, Val 208, Phe 226, Ser 269, Met 276, His 277, His 307, Phe 308, Glu 309, Leu 323 и Фе 324. [ 3 ]
По состоянию на конец 2007 года 4 структуры для этого класса ферментов были решены PDB с кодами доступа 2FP8 , 2FP9 , 2FPB и 2FPC .
Биологическая функция
[ редактировать ]Как указано во введении, стриктозидсинтаза катализирует биологическую реакцию Пикте-Шпенглера триптамина и секологанина с стереоселективным образованием 3-альфа(S)-стриктозидина, универсального предшественника монотерпеноидных индольных алкалоидных соединений. [ 3 ] Он также катализирует образование 12-аза-стриптозидина, важного промежуточного продукта для цитотоксических алкалоидов, в результате связывания секологанина с 7-аза-триптамином. [ 5 ] Фермент кодируется однокопийным геном, который подлежит координации со стороны растительных гормонов, участвующих в контроле первичного и вторичного метаболизма растений. Кодирующий ген быстро подавляется ауксином , важным промотором деления клеток, что приводит к более низким уровням накопления алкалоидов. [ 6 ] [ 7 ] И наоборот, этот ген активируется жасмонатом , гормоном стресса растений, посредством активации области из 42 пар оснований в промоторе str. [ 8 ] Несколько исследований стриктозидсинтазы Catharanthus roseus показывают, что этот фермент играет регуляторную роль в поддержании высоких темпов биосинтеза алкалоидов. Однако высокой активности фермента недостаточно для увеличения производства алкалоидов. [ 9 ] Для достижения оптимальной активности стриктозидсинтазы не требуется никаких дополнительных кофакторов, хотя ранние исследования фермента, полученного из растений Apocynaceae , выявили «p»-хлормеркурибензоат как мощный ингибитор. [ 2 ]
Актуальность заболевания
[ редактировать ]Многие индольные алкалоиды, образующиеся в результате конденсации, катализируемой стриктозидинсинтазой, являются важными предшественниками важных с медицинской точки зрения соединений, таких как хинин , противоопухолевый препарат камптотецин и противораковые препараты винкристин и винбластин . [ 10 ] По этой причине стриктозидсинтаза широко известна как фермент выбора для исследований в области химиоферментативного синтеза алкалоидов. Одно из таких исследований показало, что (21S)-12-аза-нациклин, производное 12-аза-стриктозидина, проявляет сильную цитотоксичность в отношении линии раковых клеток A549. [ 5 ] Однако фермент обладает высокой степенью субстратной специфичности: индольный фрагмент триптамина необходим для распознавания субстрата. [ 1 ] Однако недавние исследования мутантов показали, что стриктозидинсинтазой можно легко манипулировать, чтобы она имела более широкий диапазон субстратной специфичности. Например, мутация валина-208 в аланин позволяет стриктозидсинтазе генерировать 5-метил и 5-метоксистриктозидины из своих аналогов триптамина, сохраняя при этом хиральность. [ 11 ] Кроме того, связывание с различными аналогами секологанина с той же стереоселективностью, что и у 3-альфа(S)-стриктозидина, может быть достигнуто за счет мутации аспартата-177 в аланин, что позволяет синтезировать более широкий спектр возможных алкалоидных соединений для дальнейшего открытия лекарств. расследования. [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Штёкигт Дж., Антончик А.П., Ву Ф., Вальдманн Х. (сентябрь 2011 г.). «Реакция Пикте-Шпенглера в природе и органической химии». Прикладная химия . 50 (37): 8538–8564. дои : 10.1002/anie.201008071 . ПМИД 21830283 .
- ^ Перейти обратно: а б Треймер Дж. Ф., Зенк М. Х. (ноябрь 1979 г.). «Очистка и свойства стриктозидинсинтазы, ключевого фермента в образовании индольных алкалоидов» . Европейский журнал биохимии . 101 (1): 225–233. дои : 10.1111/j.1432-1033.1979.tb04235.x . ПМИД 510306 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Штёкигт Дж., Барлебен Л., Панджикар С., Лорис Э.А. (март 2008 г.). «3D-структура и функция стриктозидинсинтазы - ключевого фермента биосинтеза монотерпеноидных индольных алкалоидов». Физиология и биохимия растений . 46 (3): 340–355. Бибкод : 2008PlPB...46..340S . дои : 10.1016/j.plaphy.2007.12.011 . ПМИД 18280746 .
- ^ Мареш Дж.Дж., Гиддингс Л.А., Фридрих А., Лорис Э.А., Панджикар С., Траут Б.Л. и др. (январь 2008 г.). «Стриктозидинсинтаза: механизм катализирующего фермента Пикте-Шпенглера» . Журнал Американского химического общества . 130 (2): 710–723. дои : 10.1021/ja077190z . ПМК 3079323 . ПМИД 18081287 .
- ^ Перейти обратно: а б Цзоу Х.Б., Чжу Х.Дж., Чжан Л., Ян Л.К., Ю Ю.П., Штёкигт Дж. (ноябрь 2010 г.). «Простой химиоферментативный подход: одноэтапный синтез монотерпеноидных индольных алкалоидов». Химия: Азиатский журнал . 5 (11): 2400–2404. дои : 10.1002/asia.201000520 . ПМИД 20872397 .
- ^ Паскуали Г., Годдин О.Дж., де Ваал А., Верпорте Р., Шильпероорт Р.А., Хоге Дж.Х. и др. (апрель 1992 г.). «Координированная регуляция двух генов биосинтеза индольных алкалоидов Catharanthus roseus с помощью ауксина и элиситоров». Молекулярная биология растений . 18 (6): 1121–1131. дои : 10.1007/BF00047715 . ПМИД 1600148 . S2CID 6653746 .
- ^ Уитмер С., Верпорт Р., Канел С. (1998). «Влияние ауксинов на накопление алкалоидов трансгенной клеточной линией Catharanthus roseus ». Культура растительных клеток, тканей и органов . 53 (2): 135–141. дои : 10.1023/А:1006019620897 . S2CID 46432810 .
- ^ Менке ФЛ, Чемпион А, Кийне JW, Memelink J (август 1999 г.). «Новый элемент, чувствительный к жасмонату и элиситору, в гене биосинтеза вторичного метаболита барвинка Str взаимодействует с транскрипционным фактором AP2-домена, индуцируемым жасмонатом и элиситором, ORCA2» . Журнал ЭМБО . 18 (16): 4455–4463. дои : 10.1093/emboj/18.16.4455 . ПМК 1171520 . ПМИД 10449411 .
- ^ Канель С., Лопес-Кардосо М.И., Уитмер С., ван дер Фитс Л., Паскуали Г., ван дер Хейден Р. и др. (июль 1998 г.). «Влияние сверхэкспрессии стриктозидинсинтазы и триптофанадекарбоксилазы на выработку алкалоидов клеточными культурами Catharanthus roseus». Планта . 205 (3): 414–419. Бибкод : 1998Plant.205..414C . дои : 10.1007/s004250050338 . HDL : 10284/8620 . ПМИД 9640666 . S2CID 3097432 .
- ^ Кучан Т.М. (июль 1995 г.). «Биосинтез алкалоидов [mdash] Основа метаболической инженерии лекарственных растений» . Растительная клетка . 7 (7): 1059–1070. дои : 10.1105/tpc.7.7.1059 . ПМК 160910 . ПМИД 12242397 .
- ^ Лорис Э.А., Панджикар С., Рупперт М., Барлебен Л., Унгер М., Шубель Х. и др. (сентябрь 2007 г.). «Структурная инженерия стриктозидинсинтазы: вспомогательное средство для библиотек алкалоидов» . Химия и биология . 14 (9): 979–985. doi : 10.1016/j.chembiol.2007.08.009 . ПМИД 17884630 .
- ^ Чен С., Галан MC, Колтарп С., О'Коннор С.Э. (ноябрь 2006 г.). «Редизайн центрального фермента биосинтеза алкалоидов» . Химия и биология . 13 (11): 1137–1141. doi : 10.1016/j.chembiol.2006.10.009 . ПМИД 17113995 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Кучан Т.М. (февраль 1993 г.). «Стриктозидин: от алкалоида к ферменту и гену». Фитохимия . 32 (3): 493–506. Бибкод : 1993PChem..32..493K . дои : 10.1016/S0031-9422(00)95128-8 . ПМИД 7763429 .
- де Ваал А., Мейер А.Х., Верпорте Р. (март 1995 г.). «Стриктозидинсинтаза из Catharanthus roseus: очистка и характеристика нескольких форм» . Биохимический журнал . 306 (Часть 2): 571–580. дои : 10.1042/bj3060571 . ПМК 1136556 . ПМИД 7887913 .
- Руперт М., Уолл Дж., Гирич А., Генадий Э., Ма Х., Штёкигт Дж. (ноябрь 2005 г.). «Функциональная экспрессия эстеразы, специфичной для пути аймалина, из раувольфии в новой системе экспрессии растительного вируса». Планта . 222 (5): 888–898. Бибкод : 2005Завод.222..888Р . дои : 10.1007/s00425-005-0031-0 . ПМИД 16133216 . S2CID 23936398 .
- Маккой Э., Галан MC, О'Коннор С.Э. (май 2006 г.). «Субстратная специфичность стриктозидинсинтазы». Письма по биоорганической и медицинской химии . 16 (9): 2475–2478. дои : 10.1016/j.bmcl.2006.01.098 . ПМИД 16481164 .
- Ма Х, Панджикар С, Кёпке Дж, Лорис Э, Штёкигт Дж (апрель 2006 г.). «Структура стриктозидсинтазы Rauvolfia serpentina представляет собой новую шестилопастную бета-пропеллерную складку в растительных белках» . Растительная клетка . 18 (4): 907–920. дои : 10.1105/tpc.105.038018 . ПМЦ 1425862 . ПМИД 16531499 .
