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.

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.