Введение
Класс химических соединений Хопаноиды - это разнообразный подкласс тритерпеноидов с тем же углеводородным скелетом, что и соединение хопан. Эта группа пентациклических молекул относится к простым хопенам, хопанолам и хопанолам, но также к широко функционализованным производным, таким как бактериохопанополиолы (БХП) и хопаноиды, ковалентно присоединенные к липиду А. Первый известный хопаноид, гидроксихопанон, был выделен двумя химиками в Национальной галерее Лондона, работающими над химией даммарской резинки, натуральной смолы, используемой в качестве лака для картин. Хотя хопаноиды часто считают, что они производятся только в бактериях, их название на самом деле происходит от обилия хопаноидных соединений в смоле растений рода Hopea. В свою очередь, этот род назван в честь Джона Хоупа, первого Региус-хранителя Королевского ботанического сада в Эдинбурге. С момента их первоначального открытия в ангиоспермах хопаноиды были обнаружены в плазменных мембранах бактерий, лишайников, бриофитов, папоротников, тропических деревьев и грибов. Хопаноиды имеют стабильные полициклические структуры, которые хорошо сохранились в нефтяных резервуарах, породах и осадках, что позволяет интерпретировать диагенетические продукты этих молекул как биомаркеры для наличия конкретных микробов и потенциально для химических или физических условий во время осаждения. Хопаноиды не были обнаружены в археях.
Hopanoids are a diverse subclass of triterpenoids with the same hydrocarbon skeleton as the compound hopane. This group of pentacyclic molecules therefore refers to simple hopenes, hopanols and hopanes, but also to extensively functionalized derivatives such as bacteriohopanepolyols (BHPs) and hopanoids covalently attached to lipid A. The first known hopanoid, hydroxyhopanone, was isolated by two chemists at The National Gallery, London working on the chemistry of dammar gum, a natural resin used as a varnish for paintings. While hopanoids are often assumed to be made only in bacteria, their name actually comes from the abundance of hopanoid compounds in the resin of plants from the genus Hopea. In turn, this genus is named after John Hope, the first Regius Keeper of the Royal Botanic Garden, Edinburgh. Since their initial discovery in an angiosperm, hopanoids have been found in plasma membranes of bacteria, lichens, bryophytes, ferns, tropical trees and fungi. Hopanoids have stable polycyclic structures that are well preserved in petroleum reservoirs, rocks and sediment, allowing the diagenetic products of these molecules to be interpreted as biomarkers for the presence of specific microbes and potentially for chemical or physical conditions at the time of deposition. Hopanoids have not been detected in archaea.
Биологическая функция
Около 10% секвенированных бактериальных геномов имеют предполагаемый ген SHC, кодирующий сквален-опен-циклазу, и, предположительно, могут создавать гопаноиды, которые, как было показано, играют различные роли в плазменной мембране и могут позволять некоторым организмам адаптироваться в экстремальных условиях. Поскольку хопаноиды изменяют свойства плазменной мембраны у бактерий, их часто сравнивают со стеролами (например, холестерином), которые модулируют текучесть мембраны и выполняют другие функции у эукариот. Хотя хопаноиды не спасают дефицит стеролов, считается, что они увеличивают жесткость мембраны и уменьшают проницаемость. Также было показано, что гаммапротеобактерии и эукариотические организмы, такие как лишайники и бриофиты, производят как стеролы, так и гопаноиды, что предполагает, что эти липиды могут иметь другие отличительные функции. Примечательно, что способ упаковки гопаноидов в плазменную мембрану может изменяться в зависимости от того, какие функциональные группы присоединены. Хопаноидный бактериохопанететрол имеет поперечную ориентацию в липидных бислоях, но диплоптен локализуется между внутренней и внешней листочками, предположительно, утолщая мембрану для снижения проницаемости. Хопаноидный диплоптерол организует мембраны, взаимодействуя с липидом А, распространенным мембранным липидом в бактериях, таким же образом, как холестерин и сфинголипиды взаимодействуют в плазменных мембранах эукариотов. Хопаноиды вырабатываются в нескольких азотофиксирующих бактериях. В Bradyrhizobium хопаноиды, химически связанные с липидом А, повышают стабильность и жесткость мембраны, повышая толерантность к стрессу и внутриклеточную выживаемость в бобовых Aeschynomene. В цианобактерии Nostoc punctiforme большое количество 2-метилхопаноидов локализуется на внешних мембранах выживающих структур, называемых акинетами. В другом примере толерантности к стрессу, гопаноиды в воздушных гифах (спороносящих структурах) прокариотических почвенных бактерий Streptomyces, как полагают, минимизируют потерю воды через мембрану в воздух.
Синтез сквалена
Поскольку хопаноиды являются терпеноидами С30, биосинтез начинается с изопентенил-пирофосфата (IPP) и диметил-аллил-пирофосфата (DMAP), которые объединяются для образования изопреноидов с более длинной цепью. DMAP конденсируется с одной молекулой IPP в геранилпирофосфат, который, в свою очередь, конденсируется с другой IPP для получения фарнезилпирофосфата (FPP). Однако некоторые бактерии, производящие гопаноиды, не имеют скваленсинтазы и вместо этого используют три фермента HpnC, HpnD и HpnE, которые закодированы в опероне hpn со многими другими генами биосинтеза гопаноидов. В этом альтернативном, но, по-видимому, более распространенном пути синтеза сквалена, HpnD высвобождает пирофосфат, поскольку конденсирует две молекулы FPP в PSPP, которые HpnC преобразует в гидроксисквален, потребляя молекулу воды и высвобождая другой пирофосфат. Затем гидроксисквален редуцируется в сквален в реакции обезвоживания, опосредованной ферментом HpnE, зависящим от FAD. Этот фермент, кодируемый геном shc (в некоторых бактериях также называемый hpnF), имеет двойную складную складку, характерную для терпеноидного биосинтеза, и присутствует в клетке в качестве монотопного гомодимера, что означает, что пары циклазы встроены в плазменную мембрану, но не проходят через нее. In vitro этот фермент проявляет беспорядочную специфичность субстрата, также циклизируя 2, 3- оксидоскуален. Ароматические остатки в активном месте образуют несколько неблагоприятных карбокаций на субстрате, которые погашаются быстрой полициклизацией. Например, радикальный SAM-белок HpnH добавляет группу аденозина к диплоптону, образуя расширенный C35-гопоноид аденозилопана, который затем может быть дополнительно функционализирован другими продуктами гена hpn. HpnG катализирует удаление аденина из аденозилхопана для получения рибозилхопана, который в реакции с неизвестным ферментом образует бактериохопанететрол (BHT). Дополнительные модификации могут возникать, когда HpnO аминирует терминальный гидроксил на BHT, производя аминобактериохопанетриол, или когда гликозильтрансфераза HpnI преобразует BHT в N ацетилглюкозаминил BHT. В последовательности, связанный с биосинтезом гопаноидов белок HpnK опосредует дезактилирование на глюкозаминил BHT, из которого радикальный SAM белок HpnJ генерирует циклитоловый эфир. Эти два метилирования особенно геостабильны по сравнению с модификациями боковой цепи и занимают геобиологов десятилетиями.
В палеобиологии
Хопаноиды считаются наиболее распространенными природными продуктами на Земле, оставаясь в органической фракции всех осадков, независимо от возраста, происхождения или природы. Общее количество в Земле было оценено в 10 х 1018 граммов (1012 тонн) в 1992 году. Биомолекулы, такие как ДНК и белки, деградируют во время диагенеза, но полициклические липиды сохраняются в окружающей среде в течение геологических временных масштабов из-за их слияния, стабильных структур. Хотя хопаноиды и стеролы при осаждении сводятся к хопанам и стеране, эти диагенетические продукты все еще могут быть полезными биомаркерами или молекулярными окаменелостями для изучения коэволюции ранней жизни и Земли. В настоящее время самыми старыми обнаруженными неоспоримыми ископаемыми тритерпеноидами являются мезопротерозойские окенаны, стеране и метилхопаны из бассейна возрастом 1,64 млрд лет в Австралии. Однако анализ молекулярных часов показывает, что самые ранние стеролы, вероятно, были произведены около 2,3 млрд лет назад, примерно в то же время, что и Великое окислительное событие, причем синтез гопаноидов возник еще раньше. По нескольким причинам, хопаноиды и сквален-хопен-циклазы были предположены более древними, чем стеролы и оксидоскуален-циклазы. Во-первых, диплоптерол синтезируется, когда вода гасит карбокацион С22, образованный во время полициклизации. Это указывает на то, что гопаноиды могут быть сделаны без молекулярного кислорода и могли служить стерильным суррогатом до того, как в атмосфере накопился кислород, который реагирует со скваленом в реакции, катализируемой скваленмонооксигеназой во время биосинтеза стерила. Цикласы сквалена-опелена также демонстрируют большее расслоение субстратов, поскольку они циклизируют оксидоскуален in vitro, что заставляет некоторых ученых предположить, что они являются эволюционными предшественниками цикласов оксидоскуалена.
Предложение
2 метилхопаны, часто количественно определяемые как индекс 2 α метилхопана, впервые были предложены в качестве биомаркера для кислородного фотосинтеза Роджером Саммонсом и его коллегами после открытия предшественников липидов, 2 метилхопанолов, в цианобактериальных культурах и ковриках. Последующее открытие 2 α метилхопанов, предположительно, от фотосинтетических цианобактерий в сланцах возрастом 2,7 млрд лет из кратона Пилбара в Западной Австралии, предполагало разрыв в 400 млн лет между эволюцией кислородного метаболизма и Великим окислительным событием. Однако позже эти выводы были отвергнуты из-за потенциального загрязнения современными углеводородами. Предполагаемое присутствие цианобактерий на основе обильного количества 2-метилхопанов использовалось для объяснения осаждения черных сланцев во время аноксических событий в Аптианском и Ценоманианском океанах (OAEs) и связанных с этим 15N изотопных сигнатур, свидетельствующих о фиксации N2. Напротив, значения индекса 2 α метилхопана относительно низки в аналогичных Фрасне и Фаменне осадков, соответствующих событию Келлвассера (Kellwasser event), хотя более высокие уровни были зарегистрированы в более поздних участках Нижнего Фаменна.
Спор
Статус 2-метилхопаноидов как цианобактериального биомаркера был оспорен рядом микробиологических открытий. Было показано, что Geobacter sulfurreducens синтезирует различные хопанолы, хотя и не 2-метилхопанолы, при выращивании в строго анаэробных условиях. Последнее открытие также привело к идентификации гена, кодирующего ключевую метилтрансферазу HpnP. Среди цианобактерий производство хопаноидов обычно ограничено наземными цианобактериями. Среди морских цианобактерий эксперименты с культурами, проведенные Хелен Талбот и ее коллегами, пришли к выводу, что только два морских вида - Trichodesmium и Crocosphaera - продуцировали бактериохопанеполиол. Позже, при поиске гена hpnP в доступных геномах цианобактерий и сборных геномах метагеномных групп (MAG), были сделаны аналогичные выводы, идентифицировав ген в ~ 30% наземных и пресноводных видов, и только в одном из 739 морских геномов цианобактерий и MAG. Кроме того, Nostoc punctiforme производит наибольшее количество 2-метилхопаноидов при дифференцировке в акинеты. Эти клеточные структуры, устойчивые к холоду и высыханию, являются спящими и, следовательно, не активными в фотосинтезе, что еще больше оспаривает связь между 2 метилхопанами и кислородным фотосинтезом.
3-метилхопаноиды
3 метилхопаноиды исторически ассоциировались с аэробной метанотрофией на основе экспериментов с культурами и сопутствующего возникновения с аэробными метанотрофами в окружающей среде. Таким образом, наличие 3 метилхопанов вместе с истощением 13C считается маркером древней аэробной метанотрофии.
Сельское хозяйство
Применение гопаноидов и фиксирующих азота гопаноидов в почве было предложено и запатентовано как биоудобрение, которое повышает устойчивость к воздействию на окружающую среду связанных с растениями микробных симбионтов, включая бактерии фиксирующие азот, которые необходимы для преобразования атмосферного азота в растворимые формы, доступные для культур.
Медицина
В ходе последующих исследований взаимодействия диплоптерола и липида А в Methylobacterium extorquens обнаружилось, что мультилекарственный транспорт является процессом, зависящим от хопаноидов. Мутанты сквален-опен-циклазы, полученные из дикого типа, способного к мультифлюксу, механизму резистентности к лекарственным средствам, опосредованному интегральными транспортными белками, потеряли способность выполнять как мультифлюксный транспорт, так и синтез гопаноидов. Исследователи указывают, что это может быть связано с прямым регулированием транспортных белков хопаноидами или косвенно путем изменения мембранного порядка таким образом, что нарушается транспортная система.