Cinmanmoyl-Coa Reductase
| Cinmanmoyl-Coa Reductase | |||
|---|---|---|---|
 Третичная структура CCR1 из Petunia x Hybrida, окрашенная вторичным структурным элементом, созданной из 4R1S | |||
| Идентификаторы | |||
| ЕС №. | 1.2.1.44 | ||
| CAS №. | 59929-39-4 | ||
| Базы данных | |||
| Intenz | Intenz View | ||
| Бренда | Бренда вход | ||
| Расширение | Вид Nicezyme | ||
| Кегг | Кегг вход | ||
| Метатический | Метаболический путь | ||
| Напрямую | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBE PDBSUM | ||
| Джин Онтология | Друг / Quickgo | ||
| |||
Cinmanmoyl-CoA Reductase ( EC 1.2.1.44 ), систематически названный Cinnamaldehyde: NADP+ оксидоредуктаза (CoA-Cinmoylating), но обычно упоминается CCR, который катализирует восстановление соответствии в Cinnamoyl -CoA с его Cinmaldede соответствующим NADPH и H. + и выпуск бесплатного COA и NADP + в процессе. [ 1 ] Cinmomoyl-CoA Общие биологически значимые субстраты для CCR включают P -Coumaroyl-CoA и Feruloyl-CoA, которые превращаются в P -кумаральдегид и coniferaldehyde , соответственно, соответственно, в соответствии с [ 2 ] Хотя большинство CCR демонстрируют активность в отношении множества других замещенных Cinmoyl-CoA. [ 1 ] Катализируя первый преданный шаг в монолиньяна биосинтезе , [ 3 ] Этот фермент играет критическую роль в формировании лигнина, процесс, который важен в растениях как для структурного развития, так и для защиты. [ 2 ]
Структура
[ редактировать ]Первый подтвержденный CCR был выделен из сои ( Glycine Max ) в 1976 году. [ 4 ] Однако : до сих пор сообщалось только о трех гомологах CCR Petunia X Hybrida CCR1, Medicago Truncatula CCR2, [ 1 ] и сорго биколор CCR1. [ 5 ] В то время как фермент кристаллизуется как асимметричный димер, считается, что он существует как мономер в цитоплазме, [ 2 ] [ 5 ] с каждым отдельным белком, имеющим билобальную структуру, состоящую из двух доменов, окружающих большую пустую внутреннюю расщелину для связывания субстрата. [ 1 ] Типичные CCR имеют молекулярную массу около 36-38 кДа. [ 1 ] [ 4 ]
фермента, Домен, содержащий N-конец состоит из нескольких альфа-спиралей и шести бета-нитей, которые, в дополнение к седьмой цепей, соединенной с С-концевой стороной фермента, образуют параллельную структуру бета-листа, известную как складка Россмана . В CCR эта складная структура, общий мотив среди белков, служит связывающим доменом для NADPH. [ 1 ] Второй домен, который состоит из нескольких альфа-спиралей, бета-нитей и расширенных петлей , отвечает за связывание подложки Cinmanmoyl-CoA. Эти два домена расположены таким образом, что сайты связывания для NADPH и Cinmomoyl-CoA расположены близко друг к другу на интерфейсе логи. [ 1 ] [ 5 ]
Несмотря на то, что попытки кокристаллизации фермента с помощью связанного киннамоил-CoA до сих пор были неудачными, молекулярные стыковочные исследования показывают, что сегмент COA этих молекул складывается, чтобы связываться вдоль внешней части междоменной расщелины,, [ 1 ] в то время как фенил -содержащая часть этих субстратов, вероятно, связывается в самой глубокой части расщелины. Эта внутренняя часть кармана содержит несколько аминокислот с неполярными боковыми цепями, необходимыми для стабилизации гидрофобного фенильного кольца [ 1 ] [ 5 ] В дополнение к остаткам тирозина , важным для образования водородных связей группой кольца с 4- гидроксильной . Считается, что конкретные идентичности неполярных остатков играют важную роль в определении специфичности субстрата. [ 1 ]
Механизм
[ редактировать ]
Механизм углерод из NADPH, образуя тетраэдрическое промежуточное восстановления тиоэфира COA до альдегида включает перенос гидрида в карбонильный соединение с формальным негативным зарядом на атом кислорода. Считается, что этот отрицательный заряд стабилизируется частично посредством водородных связей с атомами водорода близлежащих тирозиновых и сериновых боковых цепей. [ 1 ] [ 5 ] Остатки серина и тирозина сохраняются во всех CCR в рамках каталитической триады вместе с лизином , который, как полагают, контролирует PK A тирозина посредством электростатических взаимодействий с группой рибозы NADPH. [ 1 ]
Тетраэдрический промежуток затем рухнет, выбивая COA и образуя альдегид в качестве конечного продукта. [ 1 ] Тиолат либо по мере того, как он уходит по близлежащему остатке, либо после того , COA протонируется как он свободен от связывающего кармана и из всеобъемлющего фермента; Точный механизм в настоящее время неясен, но данные свидетельствуют о том, что остаток цистеина может играть роль донора тиолатного протона. [ 1 ]
Биологическая функция
[ редактировать ]Филогеномный анализ указывает на то, что ферменты с истинной активностью CCR сначала развивались у предка (S) наземных растений . Считается, что большинство, если не все современные наземные растения и все сосудистые растения, имеют по крайней мере один функциональный CCR, что является абсолютным требованием для любых видов растений с лигнированными тканями. [ 6 ] Большинство гомологов CCR высоко экспрессируются во время развития, особенно в клетках STEM , корневых и ксилемах , которые требуют усиленной структурной поддержки, обеспечиваемой лигнином. [ 2 ] [ 7 ] Тем не менее, некоторые CCR не являются конститутивно экспрессируемыми на протяжении всей разработки и лишь активируются только во время усиления лигнификации в ответ на стрессоры, такие как патогенный атака. [ 3 ]
CCR особенно важен, потому что он действует как окончательная контрольная точка для регуляции метаболического потока в направлении монолиголов и, следовательно, к лигнину; [ 7 ] До этого шага сокращения Cinmamoyl-CoA все еще может войти в другие обширные специализированные метаболические пути. Например, Feruloyl-CoA является предшественником Coumarin Scopoletin , [ 8 ] Соединение, как полагают, играет важную роль в реакции патогена растений. [ 9 ] CCR также играет роль в определении композиции лигнина путем регулирования уровней различных мономеров в соответствии с его удельной активностью в отношении конкретной корицы-коа. Например, монокоты и дикоты , как правило, имеют очень разные паттерны лигнина: лигнин, обнаруженный в монокотах, обычно имеет более высокий процент -алкогольных субъединиц , в то время как лигнин, обнаруженный в дикотах п -кумароил Полем [ 7 ] Как видно на диаграмме, показанной справа, эти монолинголы получены непосредственно из их соответствующих альдегидов, за исключением случаев синапилового спирта - в то время как было показано, что несколько гомологов CCR действуют на синапоил -Коа in vitro , неясно, чтобы быть Эта деятельность является биологически актуальной, и большинство современных моделей пути лигнина не включают эту реакцию как действительный этап. [ 2 ] [ 10 ]
Недавние исследования показывают, что многие виды растений имеют два различных гомолога CCR с дифференциальной активностью в Planta . У некоторых растений два гомологов варьируются в основном в зависимости от специфичности субстрата. Например, CCR1 модели бобового Medicago Truncatula демонстрирует сильные предпочтения в отношении ферулойл-CoA (типичный для большинства CCR), в то время как CCR2 завода демонстрирует четкое предпочтение как P -кумароил-, так и кафеоил-COA. Этот второй CCR, который аллостерически активируется его предпочтительными субстратами, но ингибируется ферулойл-CoA, считается, что действует как часть шунтированного пути к коницеральдегиду, который усиливает общую гибкость и надежность пути в различных условиях. [ 11 ] В других случаях два гомологов различаются в основном путем образца экспрессии. в модельном заводе Arabidopsis thaliana Например, гомологи CCR1 и CCR2 демонстрируют более высокую активность в отношении фермыла-КоА, чем другие субстраты, но CCR2 экспрессируется лишь временно во время бактериальной инфекции . [ 3 ] Пара гомологов в Switchgrass ( Panicum virgatum ) отличается обоими способами: CCR2 предпочитает P -кумароил- и кофеил-CoA и экспрессируется только в конкретно индуцированных условиях, в то время как CCR1 предпочитает ферулойл-COA и экспрессируется конститутивно в лигнизирующей ткани. [ 12 ]
Считается, что регуляция экспрессии CCR происходит главным образом на уровне транскрипции . [ 11 ] У Arabidopsis thaliana некоторые из необходимых транскрипционных факторов были идентифицированы для экспрессии CCR, включая MyB58 и MyB63, оба из которых вовлечены вообще во вторичном образовании клеточной стенки. Было показано, что чрезмерная экспрессия этих двух транскрипционных факторов приводит к увеличению транскриптов мРНК в 2 до 3 раз , хотя интригующе, повышение регуляции генов, дополнительно выше по течению в пути монолиньола, еще больше. [ 13 ] Однако не транскрипционная регуляция CCR также может быть важной. в рисе ( Oryza sativa Например, ) данные свидетельствуют о том, что гомолог CCR1 является эффектором RAC1, небольшой GTPase, важной для защиты растений. В этом случае предлагается активировать CCR белок RAC1, что приводит к усилению биосинтеза монолигола. Поскольку Rac1 также активирует NADPH -оксидазу , которая вызывает пероксиды, критические для монолигнольной полимеризации , общий биосинтез лигнина также усиливается. [ 14 ]
Биотехнологическое значение
[ редактировать ]Усилия по разработке образования клеточной стенки растений для улучшения производства биотоплива обычно нацелены на биосинтез лигнина, чтобы уменьшить содержание лигнина и тем самым улучшить урожайность этанола из целлюлозы , сложного полисахарида , важного для структуры клеточной стенки. [ 15 ] Лигнин неприятен для производства биотоплива, потому что он является основным фактором, способствующим поступлению биомассы из -за его выносливости и неоднородности . Сокращая содержание лигнина, целлюлоза более легко доступна для химических и биологических реагентов, используемых для его разрушения. [ 16 ] Снижение уровня экспрессии CCR, в частности, стало общей стратегией для достижения этой цели, и эта стратегия привела к успешному снижению содержания лигнина и увеличению производства этанола от нескольких видов растений, включая табак ( Nicotiana tabacum ) [ 3 ] и тополь ( популярные люди белых 10 ). [ 16 ] Проблемы с этой стратегией включают в себя широкие различия в уровнях экспрессии, связанных с современными технологиями генетической трансформации растений , в дополнение к резкому снижению общего роста и биомассы, которые обычно сопровождают низкую выработку лигнина. [ 16 ] Тем не менее, было показано, что путем нацеливания на регуляцию CCR на конкретные типы тканей [ 17 ] или связать это с пониженной регуляцией корично-алкогольной дегидрогеназы (CAD), [ 18 ] Последняя проблема, по крайней мере, может быть несколько смягчена.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в дюймовый и фон глин час я Дж k л м не Pan H, Zhou R, Louie GV, Mühlemann JK, Bomati EK, Bowman ME, Dudareva N, Dixon RA, Noel JP, Wang X (сентябрь 2014 г.). «Структурные исследования коричневой коричневой редуктазы и корица-алкогонадегидрогеназы, ключевые ферменты биосинтеза монолиньола» . Растительная ячейка . 26 (9): 3709–27. doi : 10.1105/tpc.114.127399 . PMC 4213152 . PMID 25217505 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в дюймовый и Barros J, Serk H, Granlund I, Pesquet E (июнь 2015 г.). «Клеточная биология лигнификации у высших растений» . Анналы ботаники . 115 (7): 1053–74. doi : 10.1093/aob/mcv046 . PMC 4648457 . PMID 25878140 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в дюймовый Lauvergeat V, Lacomme C, Lacombe E, Lasserre E, Roby D, Grima-Pettenati J (август 2001 г.). «Два гена Cinmanmoyl-CoA Reductase (CCR) из Arabidopsis thaliana дифференциально экспрессируются во время развития и в ответ на инфекцию патогенными бактериями». Фитохимия . 57 (7): 1187–95. doi : 10.1016/s0031-9422 (01) 00053-x . PMID 11430991 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный Wengenmayer H, Ebel J, Grisebach H (июнь 1976 г.). «Энзимный синтез предшественников лигнина. Очистка и свойства Cinnamoyl-CoA: NADPH Рредуктаза из клеточной суспензии культур сои (Glycinemax)» . Европейский журнал биохимии . 65 (2): 529–36. doi : 10.1111/j.1432-1033.1976.tb10370.x . PMID 7454 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в дюймовый и Sattler SA, Walker AM, Vermerris W, Sattler SE, Kang C (февраль 2017 г.). «Структурная и биохимическая характеристика Cinnamoyl-CoA редуктазы» . Физиология растений . 173 (2): 1031–1044. doi : 10.1104/pp.16.01671 . PMC 5291045 . PMID 27956488 .
- ^ Баракат А., Яссин Н.Б., Парк Дж.С., Чой А., Херр Дж., Карлсон Дж. (Сентябрь 2011 г.). «Сравнительный и филогеномный анализ конустоил-коа-редуктазы и Cinnamoyl-Co-Reductase, подобного семейству генов на наземных растениях». Наука растений . 181 (3): 249–57. doi : 10.1016/j.plantsci.2011.05.012 . PMID 21763535 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в MA QH, Tian B (июнь 2005 г.). «Биохимическая характеристика циннамоил-коа-редуктазы из пшеницы». Биологическая химия . 386 (6): 553–60. doi : 10.1515/bc.2005.065 . PMID 16006242 . S2CID 12173262 .
- ^ Кай К, Мизутани М., Кавамура Н., Ямамото Р., Тамай М., Ямагучи Х., Саката К., Шимидзу Б. (сентябрь 2008 г.). «Скополетин биосинтезируется с помощью ортогидроксилирования ферулойла CoA с помощью 2-оксоглутарат-зависимой диоксигеназы у арабидопсиса thaliana» . Заводский журнал . 55 (6): 989–99. doi : 10.1111/j.1365-313X.2008.03568.x . PMID 18547395 .
- ^ Sun H, Wang L, Zhang B, Ma J, Hettenhausen C, Cao G, Sun G, Wu J, Wu J (август 2014 г.). «Scopoletin - это фитоалексин против Alternaria alternata в диком табаке, зависящем от передачи сигналов джасмоната» . Журнал экспериментальной ботаники . 65 (15): 4305–15. doi : 10.1093/jxb/eru203 . PMC 4112635 . PMID 24821958 .
- ^ Ванхольм Р., Демедтс Б., Моррил К., Ральф Дж., Бурджан В. (июль 2010 г.). «Биосинтез и структуру лигнина» . Физиология растений . 153 (3): 895–905. doi : 10.1104/pp.110.155119 . PMC 2899938 . PMID 20472751 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный Zhou R, Jackson L, Shadle G, Nakashima J, Temple S, Chen F, Dixon RA (октябрь 2010 г.). «Cinmoyl CoA редуктазы, участвующие в параллельных маршрутах с лигнином в Medicago Truncatula» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (41): 17803–8. Bibcode : 2010pnas..10717803Z . doi : 10.1073/pnas.1012900107 . PMC 2955080 . PMID 20876124 .
- ^ Escamilla-Treviño LL, Shen H, Uppalapati SR, Ray T, Tang Y, Hernandez T, Yin Y, Xu Y, Dixon RA (январь 2010 г.). «SwitchGrass (Panicum virgatum) обладает дивергентным семейством Cinnamoyl CoA редуктазы с различными биохимическими свойствами» . Новый фитолог . 185 (1): 143–55. doi : 10.1111/j.1469-8137.2009.03018.x . PMID 19761442 .
- ^ Zhou J, Lee C, Zhong R, Ye ZH (январь 2009 г.). «MyB58 и MyB63 являются транскрипционными активаторами биосинтетического пути лигнина во время образования вторичной клеточной стенки у Arabidopsis» . Растительная ячейка . 21 (1): 248–66. doi : 10.1105/tpc.108.063321 . PMC 2648072 . PMID 19122102 .
- ^ Kawasaki T, Koita H, Nakatsubo T, Hasegawa K, Wakabayashi K, Takahashi H, Umemura K, Umezawa T, Shimamoto K (январь 2006 г.). «Cinmanmoyl-C-COA-редуктаза, ключевой фермент в биосинтезе лигнина, является эффектором Small GTPase RAC в обороне передачи сигналов в рисе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (1): 230–5. Bibcode : 2006pnas..103..230K . doi : 10.1073/pnas.0509875103 . PMC 1325009 . PMID 16380417 .
- ^ Loqué D, Scheller HV, Pauly M (июнь 2015 г.). «Инженерная инженерия растительных клеточных стен для улучшения производства биотоплива» . Современное мнение о биологии растений . 25 : 151–61. doi : 10.1016/j.pbi.2015.05.018 . PMID 26051036 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в Van Acker R, Leplé JC, Aerts D, Storme V, Goeminne G, Ivens B, Légée F, Lapierre C, Piens K, Van Montagu MC, Santoro N, Foster CE, Ralph J, Soetaert W, Pilate G, Boerjan W ( Январь 2014). «Улучшенная сахарификация и урожайность этанола от выращенного на поле трансгенных топора с дефицитом в коричневой коричневой коа-редуктазе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (2): 845–50. Bibcode : 2014pnas..111..845V . doi : 10.1073/pnas.1321673111 . PMC 3896177 . PMID 24379366 .
- ^ Смит Р.А., Шуц М., Роуч М., Мэнсфилд С.Д., Эллис Б., Самуэлс Л. (октябрь 2013 г.). «Соседние клетки паренхимы способствуют лигнификации арабидопсиса ксилемы, в то время как лигнирование межфаско -волокна является клеточным автономным» . Растительная ячейка . 25 (10): 3988–99. doi : 10.1105/tpc.113.117176 . PMC 3877792 . PMID 24096341 .
- ^ Chabannes M, Barakate A, Lapierre C, Marita JM, Ralph J, Pean M, Danoun S, Halpin C, Grima-Pettenati J, Boudet Am (ноябрь 2001 г.). «Сильное снижение содержания лигнина без значительного изменения развития растений вызвано одновременной подавляющей регуляцией коричневой коа-редуктазы (CCR) и корица-спиртодегидрогеназы (CAD) в растениях табака» (PDF) . Заводский журнал . 28 (3): 257–70. doi : 10.1046/j.1365-313x.2001.01140.x . PMID 11722769 .
