Кіріспе

Химиялық қосылыстар класы Хопаноидтар - тритерпеноидтардың әр түрлі субкласы, олардың углеводородтық скелеті хопан қосылысы сияқты. Осылайша пентациклді молекулалар тобы қарапайым хопендерді, хопанолдарды және хопанолдарды, сондай-ақ липид А-ға ковалентті қосылған бактериохопанополиолдар (БХП) және хопаноидтар сияқты кеңінен функционалды туындыларды қамтиды. Бірінші белгілі хопаноид, гидроксихопанон, Лондонның Ұлттық галереясында суреттерге лак ретінде қолданылатын табиғи смола - дамардың химиясы бойынша жұмыс істейтін екі химик бөлді. Хопаноидтар тек бактерияларда ғана жасалады деп есептелетін болса да, олардың аты шын мәнінде Хопея тұқымдасына жататын өсімдіктердің шайырларында хопаноидтар қосылыстарының көптігінен шыққан. Өз кезегінде бұл тұқымға Джон Хоуптың есімі берілген, ол Эдинбургтегі Корольдік ботаникалық бақтың бірінші күзетшісі болған. Ангиоспермаларда алғашқы табылғаннан бері хопаноидтар бактериялардың, лишайлардың, бриофиттердің, папоротниктердің, тропикалық ағаштар мен саңырауқұлақтың плазмалық мембраналарында табылған. Хопаноидтар тұрақты полициклді құрылымға ие, олар мұнай қоймаларында, тау жыныстары мен шөгінділерде жақсы сақталады, бұл молекулалардың диагендік өнімдерін белгілі бір микробтардың болуы үшін биомаркерлер ретінде түсіндіруге мүмкіндік береді және ол жиналған кезде химиялық немесе физикалық жағдайларға ие болуы мүмкін. Археяларда хопаноидтар анықталмаған.

Биологиялық қызметі

Секвенцияланған бактериялық геномдардың шамамен 10% -ында сквален-хопен циклазасын кодтайтын болжамды shc ген бар және олар хопаноидтарды жасай алады, олар плазмалық мембранада әртүрлі рөл атқарады және кейбір организмдерге экстремалды ортаға бейімделуге мүмкіндік береді. Хопаноидтар бактериялардағы плазмалық мембрана қасиеттерін өзгертетіндіктен, оларды көбінесе мембраналық сұйықтықты реттейтін және эукариоттарда басқа да функцияларды атқаратын стерилдерге (мысалы, холестеринге) салыстырады. Хопаноидтар стерол тапшылығын құтқара алмаса да, олар мембрананың қаттылығын арттырып, өткізгіштігін төмендетеді деп есептеледі. Сонымен қатар гаммапротеобактериялар мен лишайниктер мен бриофиттер сияқты эукариотты организмдер стеролды да, хопаноидты да өндіреді, бұл липидтердің басқа да ерекше функциялары болуы мүмкін. Айта кетерлігі, хопаноидтардың плазмалық мембранаға топтасуы қандай функционалдық топтардың қосылуына байланысты өзгеруі мүмкін. Хопаноидты бактериохопанететрол липидтік қос қабатта көлденең бағытты алады, бірақ диплоптен ішкі және сыртқы жапырақшалар арасында орналасады, бұл мөлдірлікті азайту үшін мембрананы қалыңдатады. Хопаноидты диплоптерил липид А, бактериялардағы жалпы мембраналық липидпен әрекеттесу арқылы мембраналарды реттеп, холестерин мен сфинголипидтердің эукариоттық плазмалық мембраналарда өзара әрекеттесуіне ұқсас жолдармен. Хопаноидтар азотты бекітетін бірнеше бактерияларда түзіледі. Bradyrhizobium- да липид А- мен химиялық байланысқан хопаноидтар мембрананың тұрақтылығын және қаттылығын арттырады, бұл Aeschynomene бұршақтыларында стресске төзімділікті және жасушалық тіршілік етуді арттырады. НОСТОК Пунктиформе цианобактериясында 2 метилхопаноидтың көп мөлшері акинет деп аталатын тіршілік ету құрылымдарының сыртқы мембраналарына орналасады. Стресске төзімділіктің тағы бір мысалында, топырақтағы прокариоттық бактериялар Streptomyces-тің әуе гифасындағы (спораларды таситын құрылымдар) хопаноидтар мембрана арқылы ауаға судың жоғалуын азайтады деп есептеледі.

Сквален синтезі

Хопаноидтар C30 терпеноидтар болғандықтан, биосинтез ұзақ тізбекті изопреноидтар пайда болу үшін біріктірілген изопентелил пирофосфат (IPP) және диметилллил пирофосфат (DMAP) -тен басталады. DMAP бір молекула IPP-мен геранил пирофосфатына дейін конденсацияланады, ал ол өз кезегінде басқа IPP-мен конденсацияланып, фарнезил пирофосфатын (FPP) түзеді. Алайда, кейбір хопаноидты өндіретін бактерияларда сквален синтезасы жоқ және оның орнына HpnC, HpnD және HpnE үш ферментін қолданады, олар басқа көптеген хопаноидты биосинтез гендерімен бірге hpn оперонында кодталған. Бұл альтернативті, бірақ, көрінетіндей, кең таралған сквален синтезі жолында HpnD пирофосфатты екі молекула FPP-ді PSPP-ге конденсациялай отырып, HpnC гидроксискваленге айналдырады, су молекуласын тұтынады және басқа пирофосфатты босатады. Содан кейін гидроксисквален FAD тәуелді HpnE ферменті арқылы дегидратация реакциясында скваленге дейін азаяды. Бұл фермент shc генінде (кейбір бактерияларда hpnF деп те аталады) кодталған, терпеноид биосинтезіне тән қос баррельді бүктемеге ие және жасушада монотоптық гомодимер ретінде болады, яғни циклазаның жұптары плазмалық мембранаға енген, бірақ оны жауып өтпейтін. In vitro бұл фермент субстратқа ерекшелікпен байланысты, сонымен қатар 2, 3 оксидоскуаленді циклмен айналдырады. Активті сайттағы ароматтық қалдықтар субстратта бірнеше қолайсыз карбокациялар құрайды, олар тез полициклдеу арқылы сөндіріледі. Мысалы, SAM радикалды HpnH ақуызы аденозин тобын диплоптенге қосып, кеңейтілген C35 хопаноид аденозилхопанын құрайды, содан кейін басқа hpn ген өнімдері арқылы одан әрі функционалдануы мүмкін. HpnG аденозилхопаннан аденозиннің алынуын катализациялап, рибозилхопан жасайды, ал ол беймәлім фермент арқылы реакцияға келіп, бактериохопанеттерол (BHT) түзеді. Қосымша өзгерістер HpnO BHT- дегі терминалды гидроксилді аминациялап, аминобактериохопанетриолды шығарады немесе HpnI гликозильтрансфераза BHT- ді N ацетилглюкозаминил BHT- ге айналдырады. Келесі кезекпен хопаноидты биосинтезге байланысты HpnK ақуызы глюкозаминил BHT- ге деацетилденуді қамтамасыз етеді, одан SAM радикалды HpnJ ақуызы циклитол эфирін түзеді. Бұл екі метилирлеу, бүйірлік тізбектің модификацияларына қарағанда, ерекше геостабильді болып табылады және ондаған жылдар бойы геобиологтарды қызықтырады.

Палеобиологияда

Хопаноидтар - жер бетіндегі ең көп таралған табиғи өнімдер, олар жасы, шығу тегі немесе табиғатына қарамастан, барлық шөгінділердің органикалық фракциясында қалады деп есептелді. 1992 жылы Жердегі жалпы мөлшері 10 х 1018 грамм (1012 тонна) деп бағаланды. ДНҚ және белок секілді биомолекулалар диагенез кезінде ыдырайды, бірақ полициклді липидтер олардың біріктірілген, тұрақты құрылымдарына байланысты геологиялық уақыт шкалаларында қоршаған ортада сақталады. Хопаноидтар мен стерольдер жиналу кезінде хопандар мен стерандарға дейін азайса да, бұл диагенетикалық өнімдер әлі де ерте өмір мен Жердің коэволюциясын зерттеу үшін пайдалы биомаркерлер немесе молекулалық қазбалар бола алады. Қазіргі уақытта ең көне анықталған талассыз тритерпеноидтық қазбалар - Австралиядағы 1,64 млрд. жыл бұрынғы бассейннен алынған мезопротерозойлық окенандар, стерандар және метилхопандар. Алайда молекулалық сағатты талдаулар ең алғашқы стерилдердің шамамен 2,3 млрд. жыл бұрын, Ұлы тотығу оқиғасымен бір уақытта, тіпті одан да ертерек пайда болған хопаноид синтезімен бірге пайда болғандығын болжайды. Бірнеше себептерге байланысты хопаноидтар мен сквален-хопен цикластары стерилдер мен оксидоскуален цикластарына қарағанда көнерек деп болжанады. Біріншіден, диплоптерол су полициклдеу кезінде пайда болған С22 карбокациянын сөндірген кезде синтезделеді. Сквален-опен цикластары сонымен қатар оксидоскуаленді ин витро циклдендіру арқылы субстраттық ымыраға көбірек ие болады, бұл кейбір ғалымдарды оксидоскуален цикластарының эволюциялық алдыңғылары деп болжауға мәжбүр етеді.

Ұсыныс

2 α метилхопан индексі ретінде жиі мөлшерленген 2 метилхопандар алғаш рет Роджер Саммонс және оның әріптестері цианобактериялық мәдениеттер мен маттардағы прекурсорлық липидтер, 2 метилхопанолдарды ашқаннан кейін оттегі фотосинтезі үшін биомаркер ретінде ұсынды. Кейінгі кезде Батыс Австралияның Пилбара кратонындағы 2,7 млрд. жыл бұрынғы шиферлерде фотосинтездік цианобактериялардан алынған 2 α метилхопандар табылғаны оттегі алмасуы мен Ұлы тотығу оқиғасының эволюциясы арасындағы 400 млн. жыл аралықты білдірді. Алайда, бұл тұжырымдар кейіннен қазіргі көмірсутектермен ластануы мүмкін болғандықтан қабылданбады. 2 метилхопанның көп болуы негізінде күтілетін цианобактериялық қатысу аптиан және ценоман-турон мұхиты аноксикалық оқиғалары (OAEs) кезінде қара шифердің жиналуын және N2 бекітуге нұсқаған 15N изотоптық қолтаңбаларын түсіндіру үшін пайдаланылды. Керісінше, 2 α метилхопан индексінің мәндері Келлвассер оқиғасына сәйкес келетін ұқсас Фрасниан және Фаменн шөгінділерінде салыстырмалы түрде төмен, бірақ кейінгі төменгі Фаменн бөлімдерінде жоғары деңгейлер тіркелген.

Дау

2 метилхопаноидтардың цианобактериялық биомаркер ретінде мәртебесі бірқатар микробиологиялық жаңалықтарға байланысты күмән тудырады. Geobacter sulfurreducens әр түрлі хопанолдарды, бірақ 2 метил хопанолдарды синтездейді, бірақ қатаң анаэробты жағдайда өсіріледі. Соңғы табылған ген негізгі метилтрансфераза HpnP кодтаушы генді анықтауға мүмкіндік берді. Цианобактериялар арасында хопаноидтар өндірісі, әдетте, жер бетіндегі цианобактериялармен шектеледі. Теңіз цианобактерияларының арасында Хелен Талбот және оның әріптестері жүргізген эксперименттерде тек екі теңіз түрі - Триходесмий мен Крокосфера - бактериохопанеполиолдар өндіреді деген қорытындыға келді. Кейінгі кездегі цианобактериялық геномдар мен Метагеномдық жиналған геномдар (MAG) ішінде hpnP-ді генге негізделген іздеу ұқсас қорытындыларды шығарды, ол генді құрлықтағы және тұщы судағы түрлердің ~ 30% -ында және 739 теңіз цианобактериялық геномдары мен MAG-ның тек бірінде анықтады. Сонымен қатар, Nostoc punctiforme акинеттерге дифференциацияланған кезде 2 метилхопаноидтардың ең көп мөлшерін өндіреді. Бұл суыққа және құрғатуға төзімді жасушалық құрылымдар ұйықтап жатады, сондықтан фотосинтездік белсенділіктері жоқ, бұл 2 метилхопан мен оттегі фотосинтезі арасындағы байланысты күшейтеді.

3-метилхопаноидтар

3 метилхопаноидтар тарихи түрде аэробты метанотрофиямен байланысты, олар дақыл эксперименттері мен қоршаған ортадағы аэробты метанотрофтармен бірге кездеседі. Осылайша, 3 метилхопанның болуы 13C-нің кемуімен бірге ежелгі аэробты метанотрофияның белгілері болып саналады.

Ауыл шаруашылығы

Хопаноидтар мен хопаноидты өндіретін азотты бекіткіштерді топыраққа қолдану биоқоңырландыру әдісі ретінде ұсынылды және патенттелген, ол өсімдіктермен байланысты микробтық симбионттардың қоршаған ортаға төзімділігін арттырады, оның ішінде атмосфералық азотты егістікке қол жетімді ерітілетін түрлерге айналдыру үшін маңызды азотты бекітетін бактериялар.

Медицина

Метилбактерия эксторквенстердегі диплоптерол мен липид А арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеу кезінде көп дәрілік препараттардың тасымалдануы хопаноидқа тәуелді процесс болып табылды. Көп дәрілік эффлюске қабілетті жабайы түрден алынған сквален- хопен циклазасының мутанттары, интегралды тасымалдау ақуыздары арқылы дәрілік қарсылық механизмі, көп дәрілік тасымалдауды және хопаноид синтезін орындау қабілетін жоғалтты. Зерттеушілер бұл тасымалдау ақуыздарын хопаноидтар тікелей реттейді немесе тасымалдау жүйесін бұзатын жолмен мембрананың ретін өзгерту арқылы жанама түрде болуы мүмкін деп көрсетеді.