Мирозиназа
Класс ферментов
Тиоглюкозидаза (мирозиназа)
Мирозиназа из Sinapis alba . ПДБ 1э4м [1]
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.147
Номер CAS9025-38-1
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

Мирозиназа ( EC 3.2.1.147, тиоглюкозид глюкогидролаза , синигриназа и синиграза ) — это семейство ферментов, участвующих в защите растений от травоядных животных , в частности от горчичного масла-бомбы . Трехмерная структура была выяснена и доступна в PDB (см. ссылки в информационном поле).

Член семейства гликозидгидролаз , мирозиназа обладает несколькими сходствами с более распространенными О- гликозидазами . [2] [3] Однако мирозиназа является единственным известным ферментом, обнаруженным в природе, который может расщеплять тиосвязанную глюкозу . Ее известная биологическая функция заключается в катализе гидролиза класса соединений, называемых глюкозинолатами . [4]

Активность мирозиназы

Мирозиназа считается ферментом, связанным с защитой, и способна гидролизовать глюкозинолаты в различные соединения, некоторые из которых токсичны. [5]

Механизм

Мирозиназа катализирует химическую реакцию

тиоглюкозид + H 2 O сахар + тиол ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons}

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются тиоглюкозид и H2O , тогда как двумя его продуктами являются сахар и тиол .

В присутствии воды мирозиназа отщепляет глюкозную группу от глюкозинолята . Оставшаяся молекула затем быстро превращается в тиоцианат , изотиоцианат или нитрил ; это активные вещества, которые служат защитой для растения. Гидролиз глюкозинолятов мирозиназой может давать различные продукты в зависимости от различных физиологических условий, таких как pH и присутствие определенных кофакторов . Было замечено, что все известные реакции имеют одни и те же начальные этапы. (См. Рисунок 2.) Сначала мирозиназа расщепляет β-тиоглюкозидную связь, высвобождая D-глюкозу . Полученный агликон подвергается спонтанной перегруппировке, подобной Лоссену , высвобождая сульфат . Последний этап в механизме подвержен наибольшему разнообразию в зависимости от физиологических условий, в которых происходит реакция. При нейтральном pH первичным продуктом является изотиоцианат . В кислых условиях (pH < 3) и в присутствии ионов железа или белков-эпитиоспецифических белков образование нитрилов происходит чаще. [2] [6]

механизм гидролиза глюкозинолата мирозиназой
Рисунок 2: Механизм гидролиза глюкозинолата мирозиназой. [2]

Кофакторы и ингибиторы

Аскорбат является известным кофактором мирозиназы, выступая в качестве основного катализатора в гидролизе глюкозинолата . [1] [7] Например, мирозиназа, выделенная из дайкона ( Raphanus sativus ), продемонстрировала увеличение V max с 2,06 мкмоль/мин на мг белка до 280 мкмоль/мин на мг белка на субстрате, аллилглюкозинолате (синигрине), в присутствии 500 мкМ аскорбата. [4] Сульфат , побочный продукт гидролиза глюкозинолата , был идентифицирован как конкурентный ингибитор мирозиназы. [4] Кроме того, 2-F-2-дезоксибензилглюкозинолат, который был синтезирован специально для изучения механизма мирозиназы, ингибирует фермент, захватывая один из остатков глутаминовой кислоты в активном центре , Glu 409. [3] [8]

Структура

Мирозиназы существует в виде димера с субъединицами 60-70 кДа каждая. [9] [10] Рентгеновская кристаллография мирозиназы, выделенной из Sinapis alba, показала, что две субъединицы связаны атомом цинка. [7] Считается, что значимость солевых мостиков , дисульфидных мостиков , водородных связей и гликозилирования способствует стабильности фермента , особенно когда растение подвергается атаке и испытывает серьезные повреждения тканей. [2] Особенностью многих β- глюкозидаз являются каталитические остатки глутамата в их активных центрах , но два из них были заменены одним остатком глутамина в мирозиназы. [3] [11] Было показано, что аскорбат заменяет активность остатков глутамата. [1] (См. Рисунок 3 для механизма.)

Первый этап гидролиза глюкозинолата мирозиназой, показывающий активный центр и аскорбатный кофактор
Рисунок 3: Активный участок мирозиназы во время первого этапа гидролиза глюкозинолата . Здесь аскорбат используется в качестве кофактора для замены отсутствующего второго каталитического глутамата с целью расщепления тиосвязанной глюкозы . [3]

Биологическая функция

Мирозиназа и ее естественный субстрат , глюкозинолат , известны как часть защитной реакции растения . Когда растение подвергается нападению патогенов , насекомых или других травоядных , растение использует мирозиназу для преобразования глюкозинолатов , которые в противном случае являются безвредными, в токсичные продукты, такие как изотиоцианаты , тиоцианаты и нитрилы . [2]

Компартментализация у растений

Защитная система глюкозинолат -мирозиназа упакована в растении уникальным образом. Растения хранят глюкозинолаты мирозиназы путем компартментализации, так что последняя высвобождается и активируется только тогда, когда растение подвергается атаке. Мирозиназа хранится в основном в виде зерен мирозина в вакуолях определенных идиобластов, называемых мирозиновыми клетками, но также была зарегистрирована в белковых телах или вакуолях , и в виде цитозольных ферментов, которые имеют тенденцию связываться с мембранами. [12] [13] Глюкозинолаты хранятся в соседних, но отдельных «S-клетках». [14] Когда растение испытывает повреждение тканей, мирозиназа вступает в контакт с глюкозинолатами , быстро активируя их в их мощную антибактериальную форму. [2] Наиболее мощными из таких продуктов являются изотиоцианаты , за которыми следуют тиоцианаты и нитрилы . [15]

Эволюция

Растения, которые, как известно, развили защитную систему мирозиназы-глюкозинолата, включают: белую горчицу ( Sinapis alba ), [9] кресс-салат ( Lepidium sativum ), [16] васаби ( Wasabia japonica ), [17] и дайкон ( Raphanus sativus ), [18] [19], а также несколько членов семейства капустных , включая желтую горчицу ( Brassica juncea ), [20] рапсовое семя ( Brassica napus ), [21] и распространенные диетические капустные, такие как брокколи , цветная капуста , белокочанная капуста , бок-чой и кудрявая капуста . [2] Горький привкус многих из этих овощей часто можно объяснить гидролизом глюкозинолатов при повреждении тканей во время приготовления пищи или при употреблении этих овощей в сыром виде. [2] Этот метод защиты используют семена папайи, но не сама мякоть плода. [22]

Мирозиназа также была выделена из капустной тли . [23] Это предполагает коэволюцию капустной тли с ее основным источником пищи. Тля использует схожую с растениями стратегию защиты. Как и ее основной источник пищи, капустная тля разделяет свою нативную мирозиназу и глюкозинолаты, которые она поглощает. Когда капустная тля подвергается нападению и ее ткани повреждаются, ее сохраненные глюкозинолаты активируются, производя изотиоцианаты и удерживая хищников от нападения на других тлей. [24]

Историческая значимость и современное применение

Сельское хозяйство

Исторически сложилось так, что такие культуры, как рапс , содержащие систему глюкозинолат-мирозиназы, были намеренно выведены для минимизации содержания глюкозинолатов, поскольку рапс в кормах для животных оказался токсичным для скота . [25] Система глюкозинолат-мирозиназы была исследована как возможный биофумигант для защиты культур от вредителей. Мощные продукты гидролиза глюкозинолатов (GHP) можно было бы распылять на культуры для сдерживания травоядных. Другим вариантом было бы использование методов генной инженерии для внедрения системы глюкозинолат-мирозиназы в культуры в качестве средства усиления их устойчивости к вредителям. [15]

Влияние на здоровье

Изотиоцианаты , первичный продукт гидролиза глюкозинолата, как известно, предотвращают поглощение йода в щитовидной железе , вызывая зоб . [26] Изотиоцианаты в высоких концентрациях могут вызывать гепатотоксичность . [4] Недостаточно научных доказательств того, что употребление крестоцветных овощей с повышенным потреблением изотиоцианатов влияет на риск заболеваний человека. [27]

Ссылки

  1. ^ abc Burmeister WP, Cottaz S, Rollin P, Vasella A, Henrissat B (декабрь 2000 г.). «Высокоразрешающая рентгеновская кристаллография показывает, что аскорбат является кофактором мирозиназы и заменяет функцию каталитического основания». Журнал биологической химии . 275 (50): 39385–39393. doi : 10.1074/jbc.M006796200 . PMID  10978344.
  2. ^ abcdefgh Halkier BA, Gershenzon J (2006). «Биология и биохимия глюкозинолатов». Annual Review of Plant Biology . 57 : 303–333. doi :10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228. PMID  16669764.
  3. ^ abcd Bones AM, Rossiter JT (июнь 2006 г.). «Ферментативное и химически индуцированное разложение глюкозинолатов». Фитохимия . 67 (11): 1053–1067. doi :10.1016/j.phytochem.2006.02.024. PMID  16624350.
  4. ^ abcd Shikita M, Fahey JW, Golden TR, Holtzclaw WD, Talalay P (август 1999). "Необычный случай 'неконкурентной активации' аскорбиновой кислотой: очистка и кинетические свойства мирозиназы из саженцев Raphanus sativus". The Biochemical Journal . 341 ( Pt 3) (3): 725–732. doi :10.1042/0264-6021:3410725. PMC 1220411 . PMID  10417337. 
  5. ^ Транскрипт, индуцируемый раной и метилжасмонатом, кодирующий белок, ассоциированный с мирозиназой, имеющий сходство с ранним нодулином
  6. ^ Lambrix V, Reichelt M, Mitchell-Olds T, Kliebenstein DJ, Gershenzon J (декабрь 2001 г.). «Белок Arabidopsis epithiospecifier способствует гидролизу глюкозинолатов в нитрилы и влияет на травоядность Trichoplusia ni». The Plant Cell . 13 (12): 2793–2807. doi :10.1105/tpc.010261. PMC 139489 . PMID  11752388. 
  7. ^ ab Burmeister WP, Cottaz S, Driguez H, Iori R, Palmieri S, Henrissat B (май 1997 г.). «Кристаллические структуры мирозиназы Sinapis alba и ковалентного гликозил-ферментного промежуточного соединения дают представление о распознавании субстрата и механизме активного центра S-гликозидазы». Structure . 5 (5): 663–675. doi : 10.1016/s0969-2126(97)00221-9 . PMID  9195886.
  8. ^ Cottaz S, Rollin P, Driguez H (1997). «Синтез 2-дезокси-2-фторглюкотропеолина, ингибитора тиоглюкозидазы». Carbohydrate Research . 298 (1–2): 127–130. doi :10.1016/s0008-6215(96)00294-7.
  9. ^ аб Бьоркман Р., Янсон Дж.К. (август 1972 г.). «Исследование мирозиназ. I. Очистка и характеристика мирозиназы из семян горчицы белой (Sinapis alba, L.)». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 276 (2): 508–518. дои : 10.1016/0005-2744(72)91011-X. ПМИД  5068825.
  10. ^ Pessina A, Thomas RM, Palmieri S, Luisi PL (август 1990). «Улучшенный метод очистки мирозиназы и ее физико-химическая характеристика». Архивы биохимии и биофизики . 280 (2): 383–389. doi :10.1016/0003-9861(90)90346-Z. PMID  2369130.
  11. ^ Henrissat B, Davies GJ (декабрь 2000 г.). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы. Семейства, модули и их значение для геномики». Plant Physiology . 124 (4): 1515–1519. doi :10.1104/pp.124.4.1515. PMC 1539306 . PMID  11115868. 
  12. ^ Люти Б., Матиле П. (1984). «Бомба горчичного масла: уточненный анализ субклеточной организации системы мирозиназы». Biochemie und Physiologie der Pflanzen . 179 (1–2): 5–12. doi :10.1016/s0015-3796(84)80059-1.
  13. ^ Andréasson E, Bolt Jørgensen L, Höglund AS, Rask L, Meijer J (декабрь 2001 г.). «Различное распределение мирозиназы и идиобластов у Arabidopsis и Brassica napus». Plant Physiology . 127 (4): 1750–1763. doi :10.1104/pp.010334. PMC 133578 . PMID  11743118. 
  14. ^ Королева ОА, Дэвис А, Дикен Р, Торп М.Р., Томос АД, Хедрич Р (октябрь 2000 г.). «Идентификация нового типа клеток, богатых глюкозинолатами, в цветоносе арабидопсиса». Физиология растений . 124 (2): 599–608. doi : 10.1104/pp.124.2.599. PMC 59166. PMID  11027710. 
  15. ^ ab Gimsing AL, Kirkegaard JA (2009). «Глюкозинолаты и биофумигация: судьба глюкозинолатов и продуктов их гидролиза в почве». Обзоры фитохимии . 8 : 299–310. doi :10.1007/s11101-008-9105-5. S2CID  30626061.
  16. ^ Дарем ПЛ, Поултон ДЖЕ (май 1989). «Влияние кастаноспермина и родственных полигидроксиалкалоидов на очищенную мирозиназу из проростков Lepidium sativum». Физиология растений . 90 (1): 48–52. doi :10.1104/pp.90.1.48. PMC 1061675. PMID  16666767 . 
  17. ^ Ohtsuru M, Kawatani H (1979). «Исследования мирозиназы из Wasabia japonica: очистка и некоторые свойства мирозиназы васаби». Agricultural and Biological Chemistry . 43 (11): 2249–2255. doi : 10.1271/bbb1961.43.2249 .
  18. ^ Иверсен Т.Х., Баггеруд С. (1980). «Активность мирозиназы в дифференцированных и недифференцированных растениях Brassiaceae Z.». Zeitschrift für Pflanzenpsyologie . 97 (5): 399–407. дои : 10.1016/s0044-328x(80)80014-6.
  19. ^ Эль-Сайед СТ, Джванни ЭВ, Рашад ММ, Махмуд АЕ, Абдалла НМ (1995). «Гликозидазы в растительных тканях некоторых крестоцветных растений. Скрининг различных крестоцветных растений на продукцию гликозидаз». Прикладная биохимия и биотехнология . 55 (3): 219–230. doi :10.1007/BF02786861. ISSN  0273-2289. S2CID  84375704.
  20. ^ Масару О, Тадао Х (1972). «Молекулярные свойства множественных форм растительной мирозиназы». Сельскохозяйственная и биологическая химия . 36 (13): 2495–2503. doi : 10.1271/bbb1961.36.2495 .
  21. ^ Lönnerdal B, Janson JC (1973). «Исследования мирозиназ. II. Очистка и характеристика мирозиназы из рапса (Brassica napus L.)». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 315 (2): 421–429. doi :10.1016/0005-2744(73)90272-6.
  22. ^ Nakamura Y, Yoshimoto M, Murata Y, Shimoishi Y, Asai Y, Park EY и др. (май 2007 г.). «Семена папайи представляют собой богатый источник биологически активного изотиоцианата». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 55 (11): 4407–4413. doi :10.1021/jf070159w. PMID  17469845.
  23. ^ Husebye H, Arzt S, Burmeister WP, Härtel FV, Brandt A, Rossiter JT, Bones AM (декабрь 2005 г.). «Кристаллическая структура при разрешении 1,1 ангстрема мирозиназы насекомых из Brevicoryne brassicae показывает ее тесную связь с бета-глюкозидазами». Биохимия насекомых и молекулярная биология . 35 (12): 1311–1320. doi :10.1016/j.ibmb.2005.07.004. PMID  16291087.
  24. ^ Bridges M, Jones AM, Bones AM, Hodgson C, Cole R, Bartlet E и др. (январь 2002 г.). «Пространственная организация системы глюкозинолат-мирозиназы у тлей-специалистов по капусте похожа на организацию растения-хозяина». Труды. Биологические науки . 269 (1487): 187–191. doi :10.1098/rspb.2001.1861. PMC 1690872. PMID  11798435 . 
  25. ^ Brabban AD, Edwards C (июнь 1994 г.). «Выделение микроорганизмов, разрушающих глюкозинолат, и их потенциал для снижения содержания глюкозинолата в рапсе». FEMS Microbiology Letters . 119 (1–2): 83–88. doi : 10.1111/j.1574-6968.1994.tb06871.x . PMID  8039675.
  26. ^ Bones AM, Rossiter JT (1996). «Система мирозиназы-глюкозинолата, ее организация и биохимия». Physiologia Plantarum . 97 : 194–208. doi :10.1111/j.1399-3054.1996.tb00497.x.
  27. ^ "Изотиоцианаты". Центр информации о микроэлементах, Институт Лайнуса Полинга, Университет штата Орегон. 1 апреля 2017 г. Получено 26 июня 2022 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Мирозиназа&oldid=1245788599"