reduktaza cynamonoilo-CoA
| Reduktaza cynamonoilo-CoA | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Trzeciorzędowa struktura CCR1 z Petunia x hybrida zabarwiona drugorzędowym elementem strukturalnym, wygenerowana z
| |||||||||
| identyfikatorów 4R1S | |||||||||
| nr WE | 1.2.1.44 | ||||||||
| nr CAS | 59929-39-4 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Reduktaza cynamonoilo-CoA ( EC 1.2.1.44 ), systematycznie nazywana aldehydem cynamonowym: oksydoreduktaza NADP + (CoA-cynamoilowanie), ale powszechnie określana skrótem CCR, jest enzymem , który katalizuje redukcję podstawionego cynamonoilo-CoA do odpowiadającego mu aldehydu cynamonowego , wykorzystując NADPH i H + oraz uwalnianie wolnego CoA i NADP + w tym procesie. Typowe biologicznie istotne substraty cynamoilo-CoA dla CCR obejmują p -kumaroilo-CoA i feruloilo-CoA, które są przekształcane odpowiednio w p -kumaraldehyd i aldehyd koniferatyczny , chociaż większość CCR wykazuje również aktywność w stosunku do różnych innych podstawionych cynamoilo-CoA. Katalizując pierwszy etap biosyntezy monolignolu , enzym ten odgrywa kluczową rolę w tworzeniu ligniny, procesie ważnym w roślinach zarówno dla rozwoju strukturalnego, jak i odpowiedzi obronnej.
Struktura
Pierwszy potwierdzony CCR został wyizolowany z soi ( Glycine max ) w 1976 roku. Jednak do tej pory opisano struktury krystaliczne tylko dla trzech homologów CCR : Petunia x hybrida CCR1, Medicago truncatula CCR2 i Sorghum bicolor CCR1. Podczas gdy enzym krystalizuje jako asymetryczny dimer, uważa się, że istnieje jako monomer w cytoplazmie, przy czym każde pojedyncze białko ma dwupłatkową strukturę składającą się z dwóch domen otaczających dużą, pustą wewnętrzną szczelinę do wiązania substratu. Typowe CCR mają masę cząsteczkową około 36-38 kDa.
N-koniec enzymu składa się z kilku helis alfa i sześciu nici beta, które oprócz siódmej nici połączonej z C-końcem enzymu tworzą równoległą strukturę arkusza beta znaną jako fałd Rossmanna . W CCR ta struktura fałdowa, wspólny motyw wśród białek, służy jako domena wiążąca dla NADPH. Druga domena, która składa się z kilku helis alfa, nici beta i rozciągniętych pętli , jest odpowiedzialna za wiązanie substratu cynamoilo-CoA. Te dwie domeny są usytuowane w taki sposób, że miejsca wiązania NADPH i cynamonoilo-CoA są umieszczone blisko siebie na powierzchni styku płatów.
Chociaż próby kokrystalizacji enzymu ze związanym cynamoilo-CoA jak dotąd zakończyły się niepowodzeniem, badania dokowania molekularnego wskazują, że segment CoA tych cząsteczek fałduje się, aby związać się wzdłuż zewnętrznej części szczeliny międzydomenowej, podczas gdy część zawierająca fenyl z tych substratów prawdopodobnie wiąże się w najgłębszej części szczeliny. Ta wewnętrzna część kieszeni zawiera kilka aminokwasów z niepolarnymi łańcuchami bocznymi niezbędnymi do stabilizacji hydrofobowego pierścienia fenylowego oprócz reszty tyrozyny ważnej dla tworzenia wiązania wodorowego z grupą 4- hydroksylową pierścienia . Uważa się, że szczególne tożsamości reszt niepolarnych odgrywają kluczową rolę w określaniu specyficzności substratowej.
Mechanizm
Mechanizm redukcji tioestru CoA do aldehydu obejmuje przeniesienie wodorku z NADPH na węgiel karbonylowy , tworząc tetraedryczny związek pośredni z formalnym ładunkiem ujemnym na atomie tlenu . Uważa się, że ten ładunek ujemny jest częściowo stabilizowany przez wiązania wodorowe z atomami wodoru pobliskich łańcuchów bocznych tyrozyny i seryny . Reszty seryny i tyrozyny są konserwowane we wszystkich CCR jako część triady katalitycznej wraz z lizyną , która, jak się uważa, kontroluje pKa tyrozyny poprzez oddziaływania elektrostatyczne z grupą rybozy NADPH.
Następnie tetraedryczny związek pośredni zapada się, wyrzucając CoA i tworząc aldehyd jako produkt końcowy. Tiolan CoA jest protonowany , gdy opuszcza pobliską resztę lub po uwolnieniu z kieszeni wiążącej i całkowicie z enzymu; dokładny mechanizm jest obecnie niejasny, ale dowody sugerują, że cysteiny może odgrywać rolę tiolanowego donora protonu.
Funkcja biologiczna
filogenomiczna wskazuje, że enzymy o prawdziwej aktywności CCR najpierw wyewoluowały u przodka (przodków) roślin lądowych . Uważa się , że większość, jeśli nie wszystkie, współczesne rośliny lądowe i wszystkie rośliny naczyniowe mają co najmniej jeden funkcjonalny CCR, co jest absolutnym wymogiem dla każdego gatunku roślin z zdrewniałymi tkankami. Większość homologów CCR ulega silnej ekspresji podczas rozwoju, zwłaszcza w komórkach macierzystych , korzeniowych i ksylemach , które wymagają wzmocnionego wsparcia strukturalnego zapewnianego przez ligninę. Jednak niektóre CCR nie ulegają konstytutywnej ekspresji podczas rozwoju i są regulowane w górę tylko podczas zwiększonego lignifikacji w odpowiedzi na czynniki stresogenne, takie jak atak patogenu .
CCR jest szczególnie ważny, ponieważ działa jako końcowy punkt kontrolny regulacji przepływu metabolicznego w kierunku monolignoli, a zatem również w kierunku ligniny; przed tym etapem redukcji cynamoilo-CoA mogą nadal wchodzić w inne ekspansywne wyspecjalizowane szlaki metaboliczne. Na przykład feruloilo-CoA jest prekursorem skopoletyny kumarynowej , związku, który, jak się uważa, odgrywa ważną rolę w odpowiedzi patogenów roślin. CCR odgrywa również rolę w określaniu składu ligniny poprzez regulację poziomów różnych monomerów zgodnie z ich specyficzną aktywnością wobec poszczególnych cynamoilo-CoA. rośliny jednoliścienne i dwuliścienne mają zwykle bardzo różne wzorce ligniny: lignina występująca w roślinach jednoliściennych zazwyczaj ma wyższy procent podjednostek pochodzących z alkoholu p -kumaroilowego , podczas gdy lignina występująca w roślinach dwuliściennych zazwyczaj składa się prawie wyłącznie z podjednostek alkoholu koniferylowego i alkoholu sinapylowego . Jak widać na diagramie pokazanym po prawej stronie, te monolignole pochodzą bezpośrednio z odpowiadających im aldehydów, z wyjątkiem przypadku alkoholu synapylowego - podczas gdy wykazano, że kilka homologów CCR działa na sinapoilo-CoA in vitro , nie jest jasne , czy ta aktywność jest biologicznie istotna, a większość aktualnych modeli szlaku ligninowego nie uwzględnia tej reakcji jako ważnego etapu.
Ostatnie badania wskazują, że wiele gatunków roślin ma dwa odrębne homologi CCR o zróżnicowanej aktywności w roślinach . W niektórych roślinach dwa homologi różnią się przede wszystkim specyficznością substratu. Na przykład CCR1 modelowej rośliny strączkowej Medicago truncatula wykazuje silną preferencję w stosunku do feruloilo-CoA (typowego dla większości CCR), podczas gdy CCR2 rośliny wykazuje wyraźną preferencję zarówno dla p -kumaroilo-, jak i kawoilo-CoA. Uważa się , że ten drugi CCR, który jest allosterycznie aktywowany przez jego preferowane substraty, ale hamowany przez feruloilo-CoA, działa jako część szlaku bocznikowego w kierunku aldehydu iglastego, który zwiększa ogólną elastyczność i wytrzymałość szlaku w różnych warunkach. Jednak w innych przypadkach dwa homologi różnią się głównie wzorcem ekspresji. w modelowej roślinie Arabidopsis thaliana homologi CCR1 i CCR2 wykazują wyższą aktywność wobec feruloilo-CoA niż inne substraty, ale CCR2 ulega ekspresji tylko przejściowo podczas infekcji bakteryjnej . Para homologów w prosie rózgowym ( Panicum virgatum ) różni się na dwa sposoby: CCR2 preferuje p -kumaroilo- i kawoilo-CoA i ulega ekspresji tylko w specyficznie indukowanych warunkach, podczas gdy CCR1 preferuje feruloilo-CoA i ulega konstytutywnej ekspresji w tkance zdrewniałej.
Uważa się, że regulacja ekspresji CCR zachodzi głównie na poziomie transkrypcji . W Arabidopsis thaliana faktycznie zidentyfikowano kilka wymaganych czynników transkrypcyjnych do ekspresji CCR, w tym MYB58 i MYB63, z których oba są generalnie zaangażowane w tworzenie wtórnej ściany komórkowej. Wykazano, że nadekspresja tych dwóch czynników transkrypcyjnych powoduje 2- do 3-krotny wzrost transkryptów mRNA CCR , choć intrygująco, regulacja w górę genów znajdujących się dalej w górę szlaku monolignolowego jest jeszcze większa. Jednak nietranskrypcyjna regulacja CCR może być również ważna. w ryżu ( Oryza sativa ) dowody sugerują, że homolog CCR1 jest efektorem Rac1 , małej GTPazy ważnej dla odpowiedzi obronnej roślin. W tym przypadku proponuje się, aby białko Rac1 aktywowało CCR po związaniu, co prowadzi do zwiększonej biosyntezy monolignolu. Ponieważ Rac1 aktywuje również oksydazę NADPH , która wytwarza nadtlenki krytyczne dla polimeryzacji monolignolu , ogólna biosynteza ligniny jest również wzmocniona.
Znaczenie biotechnologiczne
Wysiłki mające na celu inżynierię tworzenia ścian komórkowych roślin w celu zwiększenia produkcji biopaliw zwykle mają na celu biosyntezę ligniny w celu zmniejszenia zawartości ligniny, a tym samym poprawy wydajności etanolu z celulozy , złożonego polisacharydu ważnego dla struktury ściany komórkowej. Lignina jest kłopotliwa w produkcji biopaliw, ponieważ jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do biomasy roślinnej ze względu na jej wytrzymałość i niejednorodność . Zmniejszając zawartość ligniny, celuloza jest łatwiej dostępna dla odczynników chemicznych i biologicznych stosowanych do jej rozkładu. W szczególności obniżenie poziomu ekspresji CCR stało się powszechną strategią osiągania tego celu, a strategia ta zaowocowała skuteczną redukcją zawartości ligniny i zwiększoną produkcją etanolu z kilku gatunków roślin, w tym tytoniu (Nicotiana tabacum) i topoli ( Populus tremula x Populus alba ). Wyzwania związane z tą strategią obejmują duże zróżnicowanie poziomów ekspresji związane z obecnymi transformacji genetycznej roślin , a także dramatyczny spadek ogólnego wzrostu i biomasy, który zwykle towarzyszy niskiej produkcji ligniny. Jednak wykazano, że poprzez ukierunkowanie regulacji w dół CCR na określone typy tkanek lub powiązanie jej z regulacją w dół dehydrogenazy alkoholu cynamonowego (CAD), to ostatnie wyzwanie można przynajmniej nieco złagodzić.
