Cinnamoyl-CoA reduktaza - Cinnamoyl-CoA reductase

Cinnamoyl-CoA reduktaza
Umuman olganda, CCR och kulrang fon rasmi .png
Petrunya x hybrida-dan CCR1 ning uchinchi darajali tuzilishi, 4R1S dan hosil bo'lgan ikkilamchi strukturaviy element bilan bo'yalgan.
Identifikatorlar
EC raqami1.2.1.44
CAS raqami59929-39-4
Ma'lumotlar bazalari
IntEnzIntEnz ko'rinishi
BRENDABRENDA kirish
ExPASyNiceZyme ko'rinishi
KEGGKEGG-ga kirish
MetaCycmetabolik yo'l
PRIAMprofil
PDB tuzilmalarRCSB PDB PDBe PDBsum
Gen ontologiyasiAmiGO / QuickGO

Cinnamoyl-CoA reduktaza (EC 1.2.1.44 ), muntazam ravishda nomlangan cinnamaldegid: NADP + oksidoreduktaza (CoA-sinnamolat) lekin odatda CCR qisqartmasi bilan tilga olinadi ferment bu kataliz qiladi The kamaytirish almashtirilgan dolchin-CoA unga mos keladi doljin aldegidi, foydalanib NADPH va H+ va ozod qilish CoA va NADP+ jarayonida.[1] Umumiy biologik ahamiyatga ega dolchin-CoA substratlar CCR uchun o'z ichiga oladi p-kumaroyl-CoA va feruloyl-CoA ga aylanadi p- kumaraldegid va koniferaldegid navbati bilan,[2] ammo aksariyat CCR-lar turli xil almashtirilgan cinnamoyl-CoA-larga nisbatan faollikni namoyish etadi.[1] Birinchi qadamni katalizatsiyalash monolignol biosintez,[3] bu ferment lignin hosil bo'lishida hal qiluvchi rol o'ynaydi, bu jarayon o'simliklarda tarkibiy rivojlanish uchun ham, mudofaa reaktsiyasi uchun ham muhimdir.[2]

Tuzilishi

Birinchi tasdiqlangan CCR izolyatsiya qilingan soya (Glycine max) 1976 yilda.[4] Biroq, kristalli tuzilmalar hozirgacha faqat uchta CCR haqida xabar berilgan gomologlar: Petunya x hybrida CCR1, Medicago trunkatula CCR2,[1] va Sorghum bikolor CCR1.[5] Ferment assimetrik dimer sifatida kristallansa, u a sifatida mavjud deb o'ylashadi monomer sitoplazmada,[2][5] ikkitadan iborat bilobal tuzilishga ega bo'lgan har bir alohida oqsil bilan domenlar substratni bog'lash uchun katta, bo'sh ichki yoriqni o'rab oladi.[1] Odatda CCR-larda a molekulyar og'irlik atrofida 36-38 kDa.[1][4]

Fermentlarni o'z ichiga olgan domen N-terminali bir nechtasidan iborat alfa spirallari va oltita beta iplari, ular bilan bir qatorda ettinchi qatorga ulangan C-terminali fermentning yon tomoni, parallel hosil qiladi beta-varaq a deb nomlanuvchi tuzilma Rossmann katlamasi. CCR-da bu katlama tuzilishi keng tarqalgan motif oqsillar orasida NADPH uchun majburiy domen bo'lib xizmat qiladi.[1] Bir nechta alfa spirallardan, beta-torlardan va kengaytirilgan ikkinchi domen ko'chadan, cinnamoyl-CoA substratini bog'lash uchun javobgardir. Ushbu ikkita domen shunday joylashtirilganki majburiy saytlar chunki NADPH va cinnamoyl-CoA loblar interfeysida bir-biriga yaqin joylashgan.[1][5]

Fermentni bog'langan cinnamoyl-CoA bilan kristalizatsiyalashga urinishlar shu paytgacha samarasiz bo'lib kelgan, molekulyar biriktirish tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, ushbu molekulalarning CoA segmenti domlararo yoriqning tashqi qismi bo'ylab birikish uchun burishadi.[1] esa fenil -bu substratlarning tarkibidagi qismi yoriqning eng chuqur qismida bog'lanishi mumkin. Cho'ntakning bu ichki qismida bir nechta mavjud aminokislotalar bilan qutbsiz yon zanjirlar barqarorlashtirish uchun zarur hidrofob fenil halqasi[1][5] a ga qo'shimcha ravishda tirozin qoldiq uchun muhim vodorod aloqasi halqa bilan hosil bo'lgan 4-gidroksil guruh. Qutbsiz qoldiqlarning o'ziga xos xususiyatlari substratning o'ziga xosligini aniqlashda hal qiluvchi rol o'ynaydi.[1]

Mexanizm

Feruloyl-CoA ning koniferaldegidga qaytarilish mexanizmi. Tasvirlangan molekulalarning nomlari mos keladigan tuzilmalar ostida ko'k rangda berilgan.

The mexanizm CoA ning kamayishi uchun tioester aldegidga a kiradi gidrid ga o'tkazish karbonil NADPH dan uglerod, kislorod atomiga rasmiy manfiy zaryad bilan tetraedral oraliq hosil qiladi. Ushbu manfiy zaryad yaqin atrofdagi tirozin va vodorod atomlari bilan vodorod bog'lanishi orqali qisman barqarorlashadi deb o'ylashadi serin yon zanjirlar[1][5] Serin va tirozin qoldiqlari katalitik uchlikning bir qismi sifatida barcha CCRlarda saqlanib qoladi. lizin, boshqarishni o'ylaydi pKa orqali tirozin elektrostatik NADPHning riboza guruhi bilan o'zaro ta'sir.[1]

Keyin tetraedral oraliq qulab tushadi, CoA ni chiqarib yuboradi va an hosil qiladi aldegid yakuniy mahsulot sifatida.[1] The tiolat CoA ning protonli yoki u yaqin atrofdagi qoldiq bilan chiqib ketayotganda yoki bog'laydigan cho'ntagidan bo'shatilgandan so'ng va ferment birlashmasidan keyin; aniq mexanizmi hozircha noaniq, ammo dalillarga ko'ra a sistein qoldiq tiolat proton donori rolini o'ynashi mumkin.[1]

Biologik funktsiya

Filogenomik tahlil shuni ko'rsatadiki, birinchi navbatda haqiqiy CCR faolligi bo'lgan fermentlar rivojlangan ning ajdodlarida (larida) quruqlikdagi o'simliklar. Aksariyat zamonaviy er o'simliklari va barchasi qon tomir o'simliklar kamida bitta funktsional CCR mavjudligiga ishonishadi, bu har qanday o'simlik uchun mutlaq talab turlari lignified to'qimalar bilan.[6] Ko'pgina CCR homologlari yuqori darajada ifoda etilgan rivojlanish jarayonida, ayniqsa ildiz, ildiz va ksilema lignin tomonidan ta'minlangan kengaytirilgan strukturaviy yordamga muhtoj hujayralar.[2][7] Shu bilan birga, ba'zi CCRlar rivojlanish davomida konstruktiv tarzda ifodalanmaydi va kabi stress omillariga javoban kuchaytirilgan lignifikatsiya paytida faqat tartibga solinadi. patogen hujum.[3]

Monolignol biosintezining amaldagi modeli quruqlikdagi o'simliklarda. Yashil rangda ko'rsatilgan uchta eng keng tarqalgan lignin monomerlari, to'q sariq rangda qolgan barcha birikmalar. CCR bosqichi ajratib ko'rsatildi. CCoA-OMT: kafeoil-CoA O-metiltransferaza; SAPR: cinnamil spirtli dehidrogenaza; COMT: kofeat O-metiltransferaza.

CCR ayniqsa muhimdir, chunki u tartibga solish uchun oxirgi nazorat nuqtasi vazifasini bajaradi metabolik oqim monolignollarga va shuning uchun ham ligninga qarab;[7] bu kamayish bosqichidan oldin, doljin-KoA hali ham boshqa kengaytirilgan ixtisoslashgan metabolik yo'llarga kirishi mumkin. Masalan, feruloyl-CoA ning kashfiyotchisi kumarin skopoletin,[8] o'simlik patogenining ta'sirida muhim rol o'ynaydi deb hisoblangan birikma.[9] CCR lignin tarkibini aniqlashda, shuningdek, turli xil monomerlarning darajasini uning ma'lum bir dolchin-KoA ta'siriga qarab tartibga solish orqali rol o'ynaydi. Monokotlar va dikotlar Masalan, juda xilma-xil lignin naqshlariga ega bo'lish tendentsiyasiga ega: monokotlarda uchraydigan lignin odatda yuqori foizga ega p- kumaroil spirt -dizilgan subbir birliklar, dikotlarda uchraydigan lignin esa odatda deyarli to'liq tarkib topgan ignabargli spirt va sinapil spirt subbirliklar.[7] O'ng tomonda ko'rsatilgan diagrammada ko'rinib turganidek, bu monolignollar to'g'ridan-to'g'ri tegishli aldegidlardan olinadi, faqat sinapil spirtidan tashqari - bir nechta CCR gomologlari sinapoyl-CoA ga ta'sir ko'rsatgan. in vitro, ushbu faoliyat biologik jihatdan ahamiyatli ekanligi aniq emas va lignin yo'lining eng zamonaviy modellari ushbu reaktsiyani haqiqiy qadam sifatida o'z ichiga olmaydi.[2][10]

So'nggi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, ko'plab o'simlik turlari differentsial faollikka ega bo'lgan ikkita alohida CCR homologiga ega planta ichida. Ba'zi o'simliklarda ikkita gomolog asosan substratning o'ziga xosligi bilan farq qiladi. Masalan, modelning CCR1 dukkakli ekinlar Medicago trunkatula feruloyl-CoA (aksariyat CCRlarga xos) ga nisbatan kuchli ustunlikni ko'rsatadi, o'simlikning CCR2 ikkalasi uchun ham aniq afzalliklarni namoyish etadi p-kumaroyl- va kofeeoil-CoA. Ushbu ikkinchi CCR, ya'ni allosterik tarzda O'ziga ma'qul bo'lgan substratlar bilan faollashtirilgan, ammo feruloyl-CoA tomonidan inhibe qilingan, koniferaldegidga yo'naltirilgan shunt yo'lning bir qismi sifatida harakat qiladi, bu yo'lning turli sharoitlarda umumiy moslashuvchanligi va mustahkamligini oshiradi.[11] Boshqa hollarda, ikkita gomolog birinchi navbatda ifoda uslubiga qarab farqlanadi. Namunaviy zavodda Arabidopsis talianasi Masalan, CCR1 va CCR2 gomologlari boshqa substratlarga qaraganda feruloyl-CoA ga nisbatan yuqori faollikni namoyish etadi, ammo CCR2 faqat vaqtincha ifoda etiladi bakterial infeksiya.[3] Gomologik juftlik switchgrass (Panicum virgatum) ikkala jihatdan ham farq qiladi: CCR2 afzal ko'radi p-kumaroyl- va kofeeoil-CoA va faqat maxsus induktsiya qilingan sharoitda ifodalanadi, CCR1 feruloyl-CoA ni afzal ko'radi va konstruktiv ravishda lignifikatsiya qiluvchi to'qimalarda namoyon bo'ladi.[12]

CCR ekspressionini tartibga solish, asosan, sodir bo'ladi deb o'ylashadi transkripsiyaviy Daraja.[11] Yilda Arabidopsis talianasi, bir nechta talab qilinadi transkripsiya omillari CCR ekspressioni uchun aslida aniqlangan, shu jumladan MYB58 va MYB63, ikkalasi ham odatda hujayra devorlarining ikkinchi darajali shakllanishida ishtirok etadi. Ushbu ikkita transkripsiya omilining haddan tashqari ekspresiyasi CCR ning 2-3 baravar ko'payishiga olib kelishi ko'rsatilgan mRNA transkriptlar, qiziqarli bo'lsa-da, monolignol yo'lida genlarning yuqoriroq regulyatsiyasi yanada kattaroqdir.[13] Shu bilan birga, CCRni transkripsiyasiz tartibga solish ham muhim bo'lishi mumkin. Guruchda (Oryza sativa ), masalan, dalillar CCR1 gomologi an effektor Rac1 ning, kichik GTPaza o'simliklarni himoya qilish uchun javob berish uchun muhimdir. Bunday holda, Rac1 oqsili ulanganida CCR ni faollashtirish uchun taklif qilinadi va bu monolignol biosintezini kuchayishiga olib keladi. Chunki Rac1 ham faollashadi NADPH oksidaz ishlab chiqaradi peroksidlar monolignol uchun juda muhimdir polimerizatsiya, umumiy lignin biosintezi ham yaxshilanadi.[14]

Biotexnologik ahamiyati

Zavodni muhandislik qilishga qaratilgan harakatlar hujayra devori takomillashtirish uchun shakllantirish bioyoqilg'i lignin tarkibini kamaytirish va shu bilan hosildorlikni oshirish maqsadida ishlab chiqarish odatda lignin biosinteziga yo'naltirilgan etanol dan tsellyuloza, murakkab polisakkarid hujayra devorlarining tuzilishi uchun muhim.[15] Lignin bioyoqilg'i ishlab chiqarish uchun qiyin, chunki u o'simlikning asosiy hissasi hisoblanadi biomassa qattiqligi tufayli qayta hisoblash heterojenlik. Lignin tarkibini kamaytirish orqali tsellyuloza kimyoviy va biologik uchun osonroq bo'ladi reaktivlar uni buzish uchun ishlatilgan.[16] Xususan, CCR ekspression darajasini pasaytirish ushbu maqsadni amalga oshirishning umumiy strategiyasi bo'lib chiqdi va ushbu strategiya natijasida lignin miqdori kamayib, bir qator o'simlik turlaridan etanol ishlab chiqarish ko'paymoqda. tamaki (Nicotiana tabacum)[3] va terak (Populus tremula x Populus alba).[16] Ushbu strategiya bilan bog'liq muammolar hozirgi o'simlik bilan bog'liq bo'lgan ifoda darajalarining keng o'zgarishini o'z ichiga oladi genetik transformatsiya odatda past lignin ishlab chiqarish bilan birga keladigan umumiy o'sish va biomassaning keskin pasayishiga qo'shimcha ravishda texnologiyalar.[16] Shu bilan birga, CCR ning pastga regulyatsiyasini muayyan to'qimalar turlariga yo'naltirish orqali ko'rsatildi[17] yoki uni pastga tartibga solish bilan bog'lash cinnamil spirtli dehidrogenaza (SAPR),[18] oxirgi muammo hech bo'lmaganda biroz yumshatilishi mumkin.

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e f g h men j k l m n Pan H, Chjou R, Louie GV, Mühlemann JK, Bomati EK, Bowman ME, Dudareva N, Dikson RA, Noel JP, Vang X (sentyabr 2014). "Monolignol biosintezining asosiy fermentlari bo'lgan cinnamoyl-CoA reduktaza va cinnamil-spirtli dehidrogenaza bo'yicha tizimli tadqiqotlar". O'simlik hujayrasi. 26 (9): 3709–27. doi:10.1105 / tpc.114.127399. PMC  4213152. PMID  25217505.
  2. ^ a b v d e Barros J, Serk H, Granlund I, Pesket E (iyun 2015). "Yuqori o'simliklarda lignifikatsiyaning hujayra biologiyasi". Botanika yilnomalari. 115 (7): 1053–74. doi:10.1093 / aob / mcv046. PMC  4648457. PMID  25878140.
  3. ^ a b v d Lauvergeat V, Lacomme C, Lacombe E, Lasserre E, Roby D, Grima-Pettenati J (avgust 2001). "Arabidopsis talianadan kelib chiqqan ikkita cinnamoyl-CoA reduktaza (CCR) geni rivojlanish jarayonida va patogen bakteriyalar bilan yuqtirishga javoban farqlanadi". Fitokimyo. 57 (7): 1187–95. doi:10.1016 / s0031-9422 (01) 00053-x. PMID  11430991.
  4. ^ a b Vengenmayer H, Ebel J, Grisebax H (iyun 1976). "Lignin prekursorlarining ferment sintezi. Soya fasulyasining (Glycinemax) hujayrali suspenziyali madaniyatidan NADPH reduktazasi va doljin-KoA ning tozalanishi va xususiyatlari". Evropa biokimyo jurnali. 65 (2): 529–36. doi:10.1111 / j.1432-1033.1976.tb10370.x. PMID  7454.
  5. ^ a b v d e Sattler SA, Walker AM, Vermerris V, Sattler SE, Kang C (2017 yil fevral). "Cinnamoyl-CoA reduktazalarining strukturaviy va biokimyoviy xarakteristikasi". O'simliklar fiziologiyasi. 173 (2): 1031–1044. doi:10.1104 / s.16.01671. PMC  5291045. PMID  27956488.
  6. ^ Barakat A, Yassin NB, Park JS, Choi A, Herr J, Karlson JE (sentyabr 2011). "Yer o'simliklarida cinnamoyl-CoA reduktaza va cinnamoyl-CoA-reduktaza o'xshash genlar oilasining qiyosiy va filogenomik tahlillari". O'simlikshunoslik. 181 (3): 249–57. doi:10.1016 / j.plantsci.2011.05.012. PMID  21763535.
  7. ^ a b v Ma QH, Tian B (iyun 2005). "Bug'doydan cinnamoyl-CoA reduktaza biokimyoviy tavsifi". Biologik kimyo. 386 (6): 553–60. doi:10.1515 / BC.2005.065. PMID  16006242.
  8. ^ Kay K, Mizutani M, Kavamura N, Yamamoto R, Tamai M, Yamaguchi H, Sakata K, Shimizu B (sentyabr 2008). "Skopoletin arabidopsis talianasida 2-oksoglutaratga bog'liq dioksigenaza bilan feruloyl CoA ning orto-gidroksillanishi orqali biosintez qilinadi". O'simlik jurnali. 55 (6): 989–99. doi:10.1111 / j.1365-313X.2008.03568.x. PMID  18547395.
  9. ^ Sun H, Vang L, Chjan B, Ma J, Xettenxauzen C, Cao G, Sun G, Vu J, Vu J (avgust 2014). "Skopoletin - bu yasmonat signaliga bog'liq bo'lgan yovvoyi tamakida Alternaria alternata qarshi fitoaleksin". Eksperimental botanika jurnali. 65 (15): 4305–15. doi:10.1093 / jxb / eru203. PMC  4112635. PMID  24821958.
  10. ^ Vanxolme R, Demedts B, Morreel K, Ralf J, Boerjan V (iyul 2010). "Lignin biosintezi va tuzilishi". O'simliklar fiziologiyasi. 153 (3): 895–905. doi:10.1104 / s.110.155119. PMC  2899938. PMID  20472751.
  11. ^ a b Chjou R, Jekson L, Shadle G, Nakashima J, Temple S, Chen F, Dikson RA (oktyabr 2010). "Medicago truncatula-da ligninga parallel yo'nalishlarda ishtirok etadigan aniq cinnamoyl CoA reduktazalari". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 107 (41): 17803–8. doi:10.1073 / pnas.1012900107. PMC  2955080. PMID  20876124.
  12. ^ Escamilla-Treviño LL, Shen H, Uppalapati SR, Ray T, Tang Y, Ernandes T, Yin Y, Xu Y, Dikson RA (2010 yil yanvar). "Switchgrass (Panicum virgatum) turli xil biokimyoviy xususiyatlarga ega bo'lgan turli xil Cinnamoyl CoA-reduktazalar oilasiga ega". Yangi fitolog. 185 (1): 143–55. doi:10.1111 / j.1469-8137.2009.03018.x. PMID  19761442.
  13. ^ Chjou J, Li C, Zhong R, Ye ZH (2009 yil yanvar). "MYB58 va MYB63 Arabidopsisda ikkilamchi hujayra devori hosil bo'lishida lignin biosintez yo'lining transkripsiyaviy faollashtiruvchisi". O'simlik hujayrasi. 21 (1): 248–66. doi:10.1105 / tpc.108.063321. PMC  2648072. PMID  19122102.
  14. ^ Kavasaki T, Koita H, Nakatsubo T, Xasegawa K, Vakabayashi K, Takaxashi H, Umemura K, Umezava T, Shimamoto K (yanvar 2006). "Cinnamoyl-CoA reduktaza, lignin biosintezining asosiy fermenti, kichik GTPase Racning guruchdagi mudofaa signalizatsiyasining ta'sirchisidir". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 103 (1): 230–5. doi:10.1073 / pnas.0509875103. PMC  1325009. PMID  16380417.
  15. ^ Loqué D, Scheller HV, Pauly M (iyun 2015). "Kengaytirilgan bioyoqilg'i ishlab chiqarish uchun o'simlik hujayralari devorlarini muhandislik qilish". O'simliklar biologiyasidagi hozirgi fikr. 25: 151–61. doi:10.1016 / j.pbi.2015.05.018. PMID  26051036.
  16. ^ a b v 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, Ralf J, Soetaert V, Pilate G, Boerjan V ( 2014 yil yanvar). "Sinnamoyl-CoA reduktaza etishmovchiligida dalada o'stirilgan transgenik terakdan yaxshilangan sakkarifikatsiya va etanol rentabelligi". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 111 (2): 845–50. doi:10.1073 / pnas.1321673111. PMC  3896177. PMID  24379366.
  17. ^ Smit RA, Schuetz M, Roach M, Mansfield SD, Ellis B, Samuels L (oktyabr 2013). "Qo'shni parenxima hujayralari Arabidopsis ksilemasini linizatsiyalashga hissa qo'shadi, interfasikulyar tolalarni lignifikatsiyasi esa hujayraning avtonomidir". O'simlik hujayrasi. 25 (10): 3988–99. doi:10.1105 / tpc.113.117176. PMC  3877792. PMID  24096341.
  18. ^ Chabannes M, Barakate A, Lapierre C, Marita JM, Ralf J, Pean M, Danoun S, Halpin C, Grima-Pettenati J, Boudet AM (Noyabr 2001). "O'simliklar rivojlanishini sezilarli darajada o'zgartirmasdan lignin tarkibining keskin pasayishi tamaki o'simliklarida cinnamoyl CoA reduktaza (CCR) va cinnamil spirtli dehidrogenaza (SAPR) ning bir vaqtning o'zida pastga regulyatsiyasi natijasida yuzaga keladi" (PDF). O'simlik jurnali. 28 (3): 257–70. doi:10.1046 / j.1365-313x.2001.01140.x. PMID  11722769.