Борнилдифосфатсинтаза
| Борнилдифосфатсинтаза (BPPS) | |||
|---|---|---|---|
 Мультяшное изображение кристаллической структуры 1N1B, окрашенное мономером. | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.5.1.8 | ||
| Номер CAS. | 72668-91-8 | ||
| 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 | ||
| |||
В энзимологии , борнилдифосфатсинтаза (BPPS) ( EC 5.5.1.8 ) представляет собой фермент катализирующий реакцию химическую .
- геранилдифосфат (+)-борнилдифосфат
Борнилдифосфатсинтаза участвует в биосинтезе циклического монотерпеноида борнилдифосфата. Как видно из приведенной выше реакции, BPPS использует геранилдифосфат в качестве единственного субстрата и изомеризуется в продукт, (+)-борнилдифосфат . [ 1 ] Эта реакция происходит за счет общего класса ферментов, называемых терпенсинтазами, которые циклизуют универсальный предшественник, геранилдифосфат, с образованием различных моноциклических и бициклических монотерпенов. [ 2 ] Биохимическое преобразование геранилдифосфата в циклические продукты происходит во многих ароматических растениях, включая покрытосеменные и голосеменные , и используется для различных целей, описанных в разделах ниже. [ 3 ] Терпенсинтазы, такие как BPPS, являются основными ферментами в образовании низкомолекулярных терпеновых метаболитов. Организация терпенсинтаз, их характерная способность образовывать множество продуктов и регуляция в ответ на биотические и абиотические факторы способствуют образованию разнообразной группы терпеновых метаболитов. Структурное разнообразие и сложность терпенов создают огромный потенциал для взаимодействия растений и окружающей среды. [ 4 ]
этого Систематическое название класса ферментов — (+)-борнилдифосфатлиаза (дециклизирующая) . Другие широко используемые названия включают борнилпирофосфатсинтазу , борнилпирофосфатсинтазу , (+)-борнилпирофосфатциклазу и геранилдифосфатциклазу (неоднозначно) . Этот фермент участвует в биосинтезе монотерпеноидов и принадлежит к семейству изомераз , а именно к классу внутримолекулярных лиаз.
Механизм
[ редактировать ]
Как видно из механизма, описанного выше, борнилдифосфатсинтаза катализирует каскад циклизации GPP в (+)-борнилдифосфат. [ 1 ] После первоначального отделения дифосфата, активированного металлом, от GPP, молекула изомеризуется в линалилдифосфат (LPP), что затем обеспечивает вращение вокруг связи углерод-углерод и, как следствие, повторное присоединение группы PPi . [ 5 ] Затем пирофосфат стабилизирует циклизацию с образованием терпинильного катиона, а еще одна конечная циклизация дает 2-борнильный катион. Затем этот катион нейтрализуется за счет образования стереоспецифической связи C–O с окончательным повторным присоединением пирофосфата с образованием конечного продукта, BPP. [ 1 ] Тщательное рассмотрение структуры BPPS показывает, что активный центр, более подробно обсуждаемый ниже, определяет положения и конформации изопреноидной функциональности субстрата, в то время как положение дифосфата остается по существу закрепленным в одном месте и конформации. [ 1 ] В целом пирофосфат играет важную роль в стабилизации карбокатионов, образующихся в ходе циклизации в активном центре фермента. Считается, что именно эти взаимодействия и стратегическое расположение пирофосфата приводят к его эндоспецифичному повторному захвату на заключительном этапе борнильным катионом. [ 6 ]
Структура фермента
[ редактировать ]
Борнилдифосфатсинтаза представляет собой гомодимерную изомеразу, каждый из двух мономеров которой содержит два α-спиральных домена. В случае BPPS С-концевой домен непосредственно катализирует циклизацию геранилдифосфата, как видно из приведенного выше механизма реакции, в то время как N-концевой домен действует как каркас для активного сайта С-конца во время реакции. [ 1 ] N-концевой домен образует α-цилиндры, аналогичные таковым у других терпенциклаз, таких как эпиаристолохенсинтаза и фарнезилтрансфераза . В лигандных комплексах, таких как GPP, борнилдифосфатсинтаза стабилизирует комплекс посредством множественных взаимодействий водородных связей, особенно с мотивами, богатыми аспартатом. [ 1 ] Кроме того, аргинины на N-конце могут играть стабилизирующую роль на начальной стадии изомеризации каскада реакций, обсуждаемого в разделе выше. С другой стороны, С-концевой домен содержит 12 α-спиралей, которые определяют гидрофобный активный центр, где происходит циклизация. Критические аминокислотные сегменты, обнаруженные в С-концевом домене, также позволяют связываться необходимым ионам металлического магния и обеспечивать первое высвобождение пирофосфата. В частности, это достигается за счет богатого аспартатом домена D DIY D, начинающегося с D351, где жирным шрифтом обозначены остатки, непосредственно взаимодействующие с ионом магния, что показано на соседнем изображении. [ 1 ] [ 7 ]
По состоянию на конец 2007 года 7 структур для этого класса ферментов было решено PDB с кодами доступа 1N1B , 1N1Z , 1N20 , 1N21 , 1N22 , 1N23 и 1N24 .
Биологическая функция
[ редактировать ]Многие свойства растений происходят почти исключительно из натуральных продуктов монотерпенов : растения генерируют эти соединения для молекулярных функций регуляции, коммуникации и защиты. [ 8 ] Например, терпены часто имеют сильный запах и могут защищать растения, которые их производят, от травоядных, отпугивая их и привлекая хищников из числа этих травоядных. [ 9 ] Монотерпены, охарактеризованные на сегодняшний день, обнаруживают широкий спектр структурных и функциональных вариаций, происходящих из различных моноциклических или бициклических скелетов. Несмотря на такое структурное и стереохимическое разнообразие, все монотерпены происходят из одного и того же субстрата — геранилдифосфата (GPP). [ 10 ] [ 11 ] Циклизация этого предшественника C10-изопреноида через последовательные промежуточные карбокатионы, как видно из приведенных выше разделов, катализируется металлозависимыми ферментами: в этом случае BPPS циклизирует GPP в борнилдифосфат. [ 8 ] Однако множество продуктов, происходящих только из одного субстрата, позволяет сделать вывод, что это разнообразие является следствием эволюции вариаций фермента. Каждый отдельный фермент содержит активный центр, который сопровождает промежуточные соединения по различным путям циклизации и, таким образом, образует множество монотерпеноидов. [ 12 ] [ 13 ]
Промышленная значимость
[ редактировать ]Исторически ароматические растения использовались из-за их приятного аромата, кулинарного применения и терапевтического потенциала. [ 14 ] [ 15 ] Поскольку борнилдифосфатсинтаза играет решающую роль в образовании ароматических монотерпеноидов в растениях, этот фермент имеет ключевое промышленное значение. В частности, хотя большинство исследований сосредоточено на BPPS из Salvia officinalis , в последнее время наблюдается интерес к изучению LaBPPS, борнилдифосфатсинтазы из лаванды . Этот интерес возникает из-за того, что эфирные масла лаванды (ЭМ) более высокого качества, производимые несколькими вариациями Lavandula angustifolia, пользуются большим спросом в парфюмерной промышленности . [ 14 ] По сравнению с BPPS Salvia officinalis , LaBPPS показал несколько различий в аминокислотной последовательности и продуктах, которые он катализирует: в частности, промежуточные карбокатионы более стабильны в LaBPPS, чем в обычном BPPS, что приводит к различной эффективности преобразования GPP в BPP. [ 14 ] Учитывая новизну открытия LaBPP, дальнейшие исследования по этому вопросу, скорее всего, принесут значительную пользу парфюмерной и парфюмерной промышленности.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Уиттингтон Д.А., Уайз М.Л., Урбанский М., Коутс Р.М., Крото Р.Б., Кристиансон Д.В. (2002). «Борнилдифосфатсинтаза: структура и стратегия манипулирования карбокатионами с помощью терпеноидциклазы» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (24): 15375–80. Бибкод : 2002PNAS...9915375W . дои : 10.1073/pnas.232591099 . ПМЦ 137724 . ПМИД 12432096 .
- ^ Кампранис С.К., Иоаннидис Д., Первис А., Марез В., Нинга Э., Катерелос Н.А., Анссур С., Данвелл Дж.М., Дегенхардт Дж., Макрис А.М., Гуденаф П.В., Джонсон С.Б. (июнь 2007 г.). «Рациональное преобразование специфичности субстрата и продукта в монотерпенсинтазе Salvia: структурное понимание эволюции функции терпенсинтазы» . Растительная клетка . 19 (6): 1994–2005. дои : 10.1105/tpc.106.047779 . ЧВК 1955729 . ПМИД 17557809 .
- ^ Уайз М.Л., Сэвидж Т.Дж., Катахира Э., Крото Р. (июнь 1998 г.). «Монотерпенсинтазы из шалфея обыкновенного (Salvia officinalis). Выделение кДНК, характеристика и функциональная экспрессия (+)-сабиненсинтазы, 1,8-цинеолсинтазы и (+)-борнилдифосфатсинтазы» . Ж. Биол. Хим . 273 (24): 14891–9. дои : 10.1074/jbc.273.24.14891 . ПМИД 9614092 .
- ^ Толл Д. (июнь 2006 г.). «Терпенсинтазы и регуляция, разнообразие и биологическая роль терпенового метаболизма». Курс. Мнение. Растительная биол . 9 (3): 297–304. дои : 10.1016/j.pbi.2006.03.014 . ISSN 1369-5266 . ПМИД 16600670 .
- ^ Вейтман М., майор Д.Т. (12 мая 2010 г.). «Проблемы, возникающие перед борнилдифосфатсинтазой: различные механизмы реакции в монотерпенах». Журнал Американского химического общества . 132 (18): 6349–6360. дои : 10.1021/ja910134x . ISSN 0002-7863 . ПМИД 20394387 .
- ^ Уайз, Митчелл Л.; Пюн, Хён Чжун; Хелмс, Грег; Ассинк, Брайс; Коутс, Роберт М; Крото, Родни Б. (18 июня 2001 г.). «Стереохимическое расположение геминальных диметильных групп при ферментативной циклизации геранилдифосфата в (+)-борнилдифосфат рекомбинантной (+)-борнилдифосфатсинтазой из Salvia officinalis». Тетраэдр . 57 (25): 5327–5334. дои : 10.1016/S0040-4020(01)00451-3 .
- ^ Юбербахер Б.Т., Холл М., Фабер К. (март 2012 г.). «Электрофильные и нуклеофильные ферментативные каскадные реакции в биосинтезе». Представитель Nat Prod . 29 (3): 337–50. дои : 10.1039/c2np00078d . ПМИД 22307731 .
- ^ Перейти обратно: а б Цзян М., Стефанопулос Г., Пфайфер Б.А. (апрель 2012 г.). «На пути к биосинтетической разработке и внедрению паклитаксела, полученного из Escherichia coli, и других гетерологичных полиизопреновых соединений» . Прил. Окружающая среда. Микробиол . 78 (8): 2497–504. Бибкод : 2012ApEnM..78.2497J . дои : 10.1128/АЕМ.07391-11 . ПМЦ 3318847 . ПМИД 22287010 .
- ^ Мартин Д.М., Гершензон Дж., Болман Дж. (июль 2003 г.). «Индукция биосинтеза летучих терпенов и суточная эмиссия метилжасмоната в листве ели европейской» . Физиол растений . 132 (3): 1586–99. дои : 10.1104/стр.103.021196 . ПМК 167096 . ПМИД 12857838 .
- ^ Петерс Р.Дж., Крото Р.Б. (2003). «Альтернативная химия терминации, используемая монотерпенциклазами: химерный анализ борнилдифосфата, 1,8-цинеола и сабиненсинтаз». Арх Биохим Биофиз . 417 (2): 203–11. дои : 10.1016/s0003-9861(03)00347-3 . ПМИД 12941302 .
- ^ Шваб В., Уильямс, округ Колумбия, Дэвис Э.М., Крото Р. (август 2001 г.). «Механизм циклизации монотерпена: стереохимические аспекты трансформации нециклизуемых аналогов субстрата рекомбинантной (-)-лимоненсинтазой, (+)-борнилдифосфатсинтазой и (-)-пиненсинтазой». Арх. Биохим. Биофиз . 392 (1): 123–36. дои : 10.1006/abbi.2001.2442 . ПМИД 11469803 .
- ^ Кристиансон Д.В. (2008). «Раскопки корней терпенома» . Curr Opin Chem Biol . 12 (2): 141–50. дои : 10.1016/j.cbpa.2007.12.008 . ПМК 2430190 . ПМИД 18249199 .
- ^ Больманн, Йорг; Мейер-Гауэн, Гилберт; Крото, Родни (14 апреля 1998 г.). «Терпеноидсинтазы растений: молекулярная биология и филогенетический анализ» . Труды Национальной академии наук . 95 (8): 4126–4133. Бибкод : 1998PNAS...95.4126B . дои : 10.1073/pnas.95.8.4126 . ISSN 0027-8424 . ПМК 22453 . ПМИД 9539701 .
- ^ Перейти обратно: а б с Деспинасс Ю, Фиоруччи С, Антончак С, Моя С, Бони А, Николе Ф, Баудино С, Маньяр Дж. Л., Жюльен Ф (май 2017 г.). «Борнилдифосфатсинтаза из Lavandula angustifolia: основная монотерпенсинтаза, участвующая в качестве эфирного масла». Фитохимия . 137 : 24–33. doi : 10.1016/j.phytochem.2017.01.015 . ПМИД 28190677 .
- ^ Граусгрубер-Грегер С., Шмидерер С., Штайнборн Р., Новак Дж. (март 2012 г.). «Сезонное влияние на экспрессию генов монотерпенсинтаз у Salvia officinalis (Lamiaceae)». Дж. Физиол растений . 169 (4): 353–9. дои : 10.1016/j.jplph.2011.11.004 . ПМИД 22196947 .
- Крото Р., Карп Ф. (1979). «Биосинтез монотерпенов: предварительная характеристика борнилпирофосфатсинтетазы шалфея (Salvia officinalis) и демонстрация того, что геранилпирофосфат является предпочтительным субстратом для циклизации». Арх. Биохим. Биофиз . 198 (2): 512–22. дои : 10.1016/0003-9861(79)90526-5 . ПМИД 42356 .
