Борнилдифосфатсинтаза
Борнилдифосфатсинтаза (BPPS)
Карикатурное изображение кристаллической структуры 1N1B, раскрашенной по мономеру.
Идентификаторы
Номер ЕС5.5.1.8
Номер CAS72668-91-8
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

В энзимологии борнилдифосфатсинтаза (БФПС) ( КФ 5.5.1.8) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

геранилдифосфат (+)-борнилдифосфат ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons}

Борнилдифосфатсинтаза участвует в биосинтезе циклического монотерпеноида борнилдифосфата. Как видно из вышеприведенной реакции, BPPS берет геранилдифосфат в качестве единственного субстрата и изомеризуется в продукт, (+)-борнилдифосфат. [1] Эта реакция происходит из общего класса ферментов, называемых терпенсинтазами, которые циклизуют универсального предшественника, геранилдифосфат, с образованием различных моноциклических и бициклических монотерпенов. [2] Биохимическое превращение геранилдифосфата в циклические продукты происходит во множестве ароматических растений, включая как покрытосеменные , так 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 терпеновых синтазы, их характерная способность образовывать множественные продукты и регуляция в ответ на биотические и абиотические факторы способствуют формированию разнообразной группы терпеновых метаболитов. Структурное разнообразие и сложность терпенов создают огромный потенциал для посредничества во взаимодействиях растений и окружающей среды. [4]

Систематическое название этого класса ферментов — (+)-борнилдифосфатлиаза (дециклизирующая) . Другие общеупотребительные названия включают борнилпирофосфатсинтазу , борнилпирофосфатсинтетазу , (+)-борнилпирофосфатциклазу и геранилдифосфатциклазу (неоднозначно) . Этот фермент участвует в биосинтезе монотерпеноидов и принадлежит к семейству изомераз , а именно к классу внутримолекулярных лиаз.

Хиральность борнеола в растении зависит от предпочтительной хиральности борнилдифосфатсинтазы. Синтазы для каждой хиральности были секвенированы: в этой статье рассматривается лучше охарактеризованная (+)-борнилдифосфатсинтаза. В 2021 году ученые открыли первую известную (-)-борнилдифосфатсинтазу. [5] [6]

Механизм

Циклизация геранилдифосфата в (+)-борнилдифосфатсинтазу, катализируемая борнилдифосфатсинтазой
Циклизация геранилдифосфата в (+)-борнилдифосфатсинтазу, катализируемая борнилдифосфатсинтазой

Как видно из вышеприведенного механизма, борнилдифосфатсинтаза катализирует каскад циклизации GPP в (+)-борнилдифосфат. [1] После первоначального отхода металл-активированного дифосфата от GPP молекула изомеризуется в линалилдифосфат (LPP), который затем допускает вращение вокруг углерод-углеродной связи и последующее повторное присоединение группы PPi . [7] Затем пирофосфат стабилизирует циклизацию в терпинильный катион, а еще одна конечная циклизация дает 2-борнильный катион. Затем этот катион нейтрализуется стереоспецифическим образованием связи C–O с окончательным повторным присоединением пирофосфата для создания конечного продукта, BPP. [1] Тщательное рассмотрение структуры BPPS показывает, что активный сайт, обсуждаемый более подробно ниже, направляет позиции 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. Эти взаимодействия и стратегическое позиционирование пирофосфата, как полагают, приводят к его эндоспецифическому повторному захвату на последнем этапе катионом борнила. [8]

Структура фермента

Богатый аспартатом сегмент помогает стабилизировать ион магния, который активирует отход пирофосфата. Только D351 и D355 напрямую взаимодействуют с магнием, но для удобства показан весь богатый аспартатом домен. Числа представляют координационное расстояние в ангстремах.

Борнилдифосфатсинтаза является гомодимерной изомеразой, в которой каждый из двух мономеров содержит два α-спиральных домена. В случае BPPS C-концевой домен напрямую катализирует циклизацию геранилдифосфата, как показано в приведенном выше механизме реакции, в то время как N-концевой домен действует как каркас для активного сайта C-конца во время реакции. [1] N-концевой домен образует α-бочки, похожие на те, что есть у других терпенциклаз, таких как эпиаристолохенсинтаза и фарнезилтрансфераза . В лигандных комплексах, таких как с GPP, борнилдифосфатсинтаза стабилизирует комплекс посредством множественных взаимодействий водородных связей, в частности с мотивами, богатыми аспартатом. [1] Кроме того, аргинины в N-конце могут играть стабилизирующую роль на начальном этапе изомеризации каскада реакций, обсуждаемого в разделе выше. С другой стороны, C-концевой домен содержит 12 α-спиралей, которые определяют гидрофобный активный сайт, где происходит циклизация. Критические сегменты аминокислот, обнаруженные в C-концевом домене, также позволяют связываться требуемым ионам металла магния и позволяют высвобождать первый пирофосфат. В частности, это достигается богатым аспартатом доменом D DIY D, начинающимся с D351, жирным шрифтом обозначены остатки, напрямую взаимодействующие с ионом магния, что показано на соседнем изображении. [1] [9]

По состоянию на конец 2007 года для этого класса ферментов были определены 7 структур с кодами доступа PDB 1N1B, 1N1Z, 1N20, 1N21, 1N22, 1N23 и 1N24.

Биологическая функция

Многие свойства растений происходят почти исключительно из монотерпеновых природных продуктов: растения генерируют эти соединения для молекулярных функций в регуляции, коммуникации и защите. [10] Например, терпены часто имеют сильный запах и могут защищать растения, которые их производят, от травоядных животных, отпугивая их и привлекая хищников указанных травоядных животных. [11] Охарактеризованные на сегодняшний день монотерпены обнаруживают широкий спектр структурных и функциональных вариаций, происходящих от различных моноциклических или бициклических скелетов. Несмотря на это структурное и стереохимическое разнообразие, все монотерпены происходят из одного и того же субстрата, геранилдифосфата (ГПФ). [12] [13] Циклизация этого предшественника изопреноида С10 через последовательные промежуточные карбокатионы, как показано в разделах выше, катализируется металлозависимыми ферментами: в этом случае BPPS циклизует ГПФ в борнилдифосфат. [10] Однако множество продуктов, происходящих только из одного субстрата, помогает сделать вывод, что это разнообразие является следствием эволюции вариаций фермента. Каждый отдельный фермент имеет активный сайт, который шаперонирует промежуточные продукты через различные пути циклизации и, таким образом, образует мириады монотерпеноидов. [14] [15]

Промышленная значимость

Исторически ароматические растения использовались из-за их приятных ароматов, кулинарных применений и терапевтического потенциала. [16] [17] Поскольку борнилдифосфатсинтаза имеет решающее значение для образования ароматических монотерпеноидов в растениях, этот фермент имеет ключевое промышленное значение. В частности, в то время как 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 . [16] По сравнению с BPPS из 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. [16] Учитывая новизну открытия LaBPP, дальнейшие исследования в этой области, скорее всего, будут иметь значительную пользу для парфюмерной и парфюмерной промышленности.

Ссылки

  1. ^ abcdefg Whittington DA, Wise ML, Urbansky M, Coates RM, Croteau RB, Christianson DW (2002). «Борнилдифосфатсинтаза: структура и стратегия манипулирования карбокатионами терпеноидциклазой». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (24): 15375– 80. Bibcode : 2002PNAS...9915375W. doi : 10.1073/pnas.232591099 . PMC  137724. PMID  12432096 .
  2. ^ Kampranis SC, Ioannidis D, Purvis A, Mahrez W, Ninga E, Katerelos NA, Anssour S, Dunwell JM, Degenhardt J, Makris AM, Goodenough PW, Johnson CB (июнь 2007 г.). «Рациональное преобразование субстратной и продуктовой специфичности в монотерпенсинтазе Salvia: структурные идеи эволюции функции терпенсинтазы». Plant Cell . 19 (6): 1994– 2005. doi :10.1105/tpc.106.047779. PMC 1955729 . PMID  17557809. 
  3. ^ Wise ML, Savage TJ, Katahira E, Croteau R (июнь 1998 г.). «Монотерпеновые синтазы из шалфея лекарственного (Salvia officinalis). Выделение кДНК, характеристика и функциональная экспрессия (+)-сабинен-синтазы, 1,8-цинеол-синтазы и (+)-борнилдифосфатсинтазы». J. Biol. Chem . 273 (24): 14891– 9. doi : 10.1074/jbc.273.24.14891 . PMID  9614092.
  4. ^ Tholl D (июнь 2006 г.). «Терпеновые синтазы и регуляция, разнообразие и биологическая роль терпенового метаболизма». Curr. Opin. Plant Biol . 9 (3): 297– 304. Bibcode :2006COPB....9..297T. ​​doi :10.1016/j.pbi.2006.03.014. ISSN  1369-5266. PMID  16600670.
  5. ^ Ma, Rui; Su, Ping; Ma, Qing; Guo, Juan; Chen, Suiqing; Jin, Baolong; Zhang, Haiyan; Tang, Jinfu; Zhou, Tao; Xiao, Chenghong; Cui, Guanghong; Huang, Luqi (март 2022 г.). «Идентификация (-)-борнилдифосфатсинтазы из Blumea balsamifera и ее применение для биосинтеза (-)-борнеола в Saccharomyces cerevisiae». Synthetic and Systems Biotechnology . 7 (1): 490– 497. doi :10.1016/j.synbio.2021.12.004. PMC 8671873. PMID  34977393 . 
  6. ^ Ян, Цзэруй; Ан, Вэньли; Лю, Шаньшань; Хуан, Юйин; Се, Чуньчжу; Хуан, Сун; Чжэн, Сяшэн (10 июня 2020 г.). «Изучение генов-кандидатов, участвующих в биосинтезе правовращающего борнеола в Cinnamomum burmannii, с помощью транскриптомного анализа трех хемотипов». PeerJ . 8 : e9311. doi : 10.7717/peerj.9311 . PMC 7293187 . PMID  32566406. 
  7. ^ Weitman M, Major DT (2010-05-12). «Проблемы, возникающие перед борнилдифосфатсинтазой: расходящиеся механизмы реакции в монотерпенах». Журнал Американского химического общества . 132 (18): 6349– 6360. doi :10.1021/ja910134x. ISSN  0002-7863. PMID  20394387.
  8. ^ Wise, Mitchell L; Pyun, Hyung-Jung; Helms, Greg; Assink, Bryce; Coates, Robert M; Croteau, Rodney B (2001-06-18). "Стереохимическое расположение геминальных диметильных групп при ферментативной циклизации геранилдифосфата в (+)-борнилдифосфат рекомбинантной (+)-борнилдифосфатсинтазой из Salvia officinalis". Tetrahedron . 57 (25): 5327– 5334. doi :10.1016/S0040-4020(01)00451-3.
  9. ^ Ueberbacher BT, Hall M, Faber K (март 2012). «Электрофильные и нуклеофильные ферментативные каскадные реакции в биосинтезе». Nat Prod Rep . 29 (3): 337–50 . doi :10.1039/c2np00078d. PMID  22307731.
  10. ^ ab Jiang M, Stephanopoulos G, Pfeifer BA (апрель 2012 г.). «К биосинтетическому проектированию и внедрению паклитаксела, полученного из Escherichia coli, и других гетерологичных полиизопреновых соединений». Appl. Environ. Microbiol . 78 (8): 2497– 504. Bibcode : 2012ApEnM..78.2497J. doi : 10.1128/AEM.07391-11. PMC 3318847. PMID  22287010. 
  11. ^ Martin DM, Gershenzon J, Bohlmann J (июль 2003 г.). «Индукция биосинтеза летучих терпенов и дневной эмиссии метилжасмонатом в листве норвежской ели». Plant Physiol . 132 (3): 1586–99 . doi :10.1104/pp.103.021196. PMC 167096. PMID  12857838 . 
  12. ^ Peters RJ, Croteau RB (2003). «Альтернативные методы терминации, используемые монотерпеновыми циклазами: химерный анализ борнилдифосфатсинтаз, 1,8-цинеола и сабиненсинтаз». Arch Biochem Biophys . 417 (2): 203– 11. doi :10.1016/s0003-9861(03)00347-3. PMID  12941302.
  13. ^ Schwab W, Williams DC, Davis EM, Croteau R (август 2001 г.). «Механизм циклизации монотерпена: стереохимические аспекты трансформации нециклизуемых аналогов субстрата рекомбинантной (-)-лимоненсинтазой, (+)-борнилдифосфатсинтазой и (-)-пиненсинтазой». Arch. Biochem. Biophys . 392 (1): 123– 36. doi :10.1006/abbi.2001.2442. PMID  11469803.
  14. ^ Christianson DW (2008). «Раскрытие корней терпенома». Curr Opin Chem Biol . 12 (2): 141– 50. doi :10.1016/j.cbpa.2007.12.008. PMC 2430190. PMID  18249199 . 
  15. ^ Больманн, Йорг; Мейер-Гауэн, Гилберт; Крото, Родни (1998-04-14). "Синтазы терпеноидных соединений растений: молекулярная биология и филогенетический анализ". Труды Национальной академии наук . 95 (8): 4126– 4133. Bibcode : 1998PNAS...95.4126B. doi : 10.1073/pnas.95.8.4126 . ISSN  0027-8424. PMC 22453. PMID 9539701  . 
  16. ^ abc Despinasse Y, Fiorucci S, Antonczak S, Moja S, Bony A, Nicolè F, Baudino S, Magnard JL, Jullien F (май 2017 г.). «Борнилдифосфатсинтаза из Lavandula angustifolia: основная монотерпеновая синтаза, влияющая на качество эфирного масла». Фитохимия . 137 : 24–33 . Bibcode : 2017PChem.137...24D. doi : 10.1016/j.phytochem.2017.01.015. PMID  28190677.
  17. ^ Grausgruber-Gröger S, Schmiderer C, Steinborn R, Novak J (март 2012). "Сезонный эффект на экспрессию генов монотерпеновых синтазы в Salvia officinalis (Lamiaceae)". J. Plant Physiol . 169 (4): 353– 9. Bibcode : 2012JPPhy.169..353G. doi : 10.1016/j.jplph.2011.11.004. PMID  22196947.
  • Croteau R, Karp F (1979). «Биосинтез монотерпенов: предварительная характеристика борнилпирофосфатсинтетазы из шалфея (Salvia officinalis) и демонстрация того, что геранилпирофосфат является предпочтительным субстратом для циклизации». Arch. Biochem. Biophys . 198 (2): 512– 22. doi :10.1016/0003-9861(79)90526-5. PMID  42356.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Борнилдифосфат_синтаза&oldid=1262933816"