Диригентные белки и стереоселективный биосинтез лигнанов.
Dirigent protein
Протеины-диригенты: роль в стереоселективном биосинтезе лигнанов. Направляют реакцию, обеспечивая образование одного изомера из смеси. (+) пинорезинол.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Диригентные белки – это представители класса белков, которые определяют стереохимию соединения, синтезируемого другими ферментами. Первый диригентный белок был обнаружен у Forsythia intermedia. Этот белок направляет стереоселективный биосинтез (+) пинорезинола из мономеров кониферилового спирта.
Dirigent proteins are members of a class of proteins which dictate the stereochemistry of a compound synthesized by other enzymes. The first dirigent protein was discovered in Forsythia intermedia. This protein has been found to direct the stereoselective biosynthesis of (+) pinoresinol from coniferyl alcohol monomers:
Биосинтез лигнанов катализируется окислительными ферментами. В пробирке реакция приводит к образованию гетерогенной смеси димерных соединений. Присутствие диригентного белка во время реакции приводит к значительному обогащению одного стереоизомера одного соединения. Диригентные белки, по-видимому, сами по себе не обладают активностью по образованию окислительных радикалов; в отсутствие окислительного фермента реакция не происходит. Недавно второй, энантиокомплементарный диригентный белок был идентифицирован у Arabidopsis thaliana, который направляет энантиоселективный синтез (-) пинорезинола.
Lignan biosynthesis is catalysed by oxidative enzymes. In the test tube the reaction results in a heteregenous mixture of dimeric compounds. When a dirigent protein is present during the reaction, one stereoisomer of one compound is highly enriched. Dirigent proteins appear to possess no oxidative radical forming activity of their own; in the absence of oxidative enzyme, no reaction will occur. Recently, a second, enantiocomplementary dirigent protein was identified in Arabidopsis thaliana, which directs enantioselective synthesis of ( ) pinoresinol.
Активность
В биосинтезе лигнанов окислительные ферменты осуществляют протон-сопряжённый перенос электронов для удаления атома водорода из монолигнолов, формируя радикальный интермедиат. Эти интермедиаты затем соединяются в реакции обрыва цепи радикалов, образуя один из множества димеров, известных как лигнаны. Реакции in vitro с конифериловым спиртом (распространённым монолигнолом) в присутствии окислительных ферментов дают широкий спектр различных димеров в разных концентрациях. При наличии диригентного белка из *Forsythia intermedia* производство (+) пинорезинола значительно увеличивается, а другие продукты встречаются в гораздо меньших количествах. Поскольку это обогащение настолько выражено, предполагается, что фермент производит исключительно (+) пинорезинол и конкурирует с некатализируемой белком реакцией соединения, которая приводит к образованию гетерологичной смеси продуктов. Это было подтверждено анализом различных смесей, полученных при разных концентрациях диригентного белка. Механизм, посредством которого достигается эта стереоселективность, в настоящее время недостаточно изучен. Однако, поскольку реакция не протекает в отсутствие окислительных ферментов, диригентный белок сам по себе, по-видимому, не катализирует окисление кониферилового спирта с образованием радикалов. Активность диригентного белка из *Forsythia intermedia* специфична для кониферилового спирта. Когда другие монолигнолы, такие как кумариловый спирт и синапиловый спирт, вступают в реакцию in vitro с окислительными ферментами в присутствии диригентного белка, они образуют гетерологичную смесь продуктов, не отличающуюся от идентичных экспериментов в отсутствие диригентного белка.
In lignan biosynthesis, oxidative enzymes perform proton coupled electron transfer to remove a hydrogen atom from monolignols, forming a radical intermediate. These intermediates then couple in a radical termination reaction to form one of a variety of dimers, known as lignans. In vitro reactions of coniferyl alcohol (a common monolignol) in the presence of oxidative enzymes produce a wide variety of different dimers at varying concentrations. When dirigent protein from "Forsythia intermedia" is present, production of (+) pinoresinol is greatly enriched, and other products are far less abundant. Because this enrichment is so pronounced, the enzyme is hypothesized to produce (+) pinoresinol exclusively, and to compete with the non protein mediated coupling reaction, which produces a heterologous mix of products. This has been confirmed by analyzing the various mixtures produced with different concentrations of dirigent proteins present. The mechanism by which this stereoselectivity is achieved is not well understood at this time. However, since no reaction proceeds in the absence of oxidative enzymes, dirigent protein does not itself appear to catalyze the oxidation of coniferyl alcohol to form radicals. The activity of dirigent protein from Forsythia intermedia is specific to coniferyl alcohol. When other monolignols, such as p coumaryl alcohol and sinapyl alcohol, are reacted in vitro with oxidative enzymes in the presence of dirigent protein, they produce a heterologous mixture of products indistinguishable from identical experiments in the absence of dirigent protein.
Структура
Эксперименты по круговому дихроизму показали, что вторичная структура диригентного белка из Forsythia intermedia состоит преимущественно из β-складчатых листов и петлевых структур. Третичная структура не установлена, но подтверждено, что белок является димером. Каждый димер имеет один сайт связывания с конифериловым спиртом, что в сумме дает два сайта связывания. По одному конифериловому спирту может связываться с каждым сайтом, что ограничивает геометрию реакции между ними, увеличивая выход (+) пинорезинола и подавляя образование других продуктов.
Circular dichroism experiments have shown that the secondary structure of dirigent protein from Forsythia intermedia is composed primarily of β pleated sheets and loop structures. The tertiary structure has not been solved, but the protein has been confirmed to be dimeric. Each dimer has a single binding site for coniferyl alcohol, for a total of two binding sites. One coniferyl alcohol can bind to each site, so that the reaction geometry between the two is confined, increasing the production of (+) pinoresinol and inhibiting the production of other products.
Биологическое значение
В отсутствие диригентного белка пинорезинол является относительно второстепенным продуктом биосинтеза лигнанов. При наличии диригентного белка он становится основным продуктом. Биологическая роль (+) пинорезинола у растений до конца не выяснена, однако было обнаружено, что он эффективно отпугивает муравьев от гусениц капустной белянки, которые получают это соединение с пищей. Возможно, он выполняет аналогичную защитную функцию у Forsythia intermedia.
In the absence of dirigent protein, pinoresinol is a relatively minor product of lignas biosynthesis. When dirigent protein is present, it becomes the major product. The biological significance of (+) pinoresinol in plants is not fully understood, but it has been found to be effective as a feeding deterrent against ants in caterpillars of the cabbage butterfly, which obtain the compound from their diet. It may serve a similar defensive purpose in Forsythia intermedia.