Форма целлюлозосинтазы, образующая UDP ( EC 2.4.1.12 ), является основным ферментом, продуцирующим целлюлозу . Систематически он известен как UDP-глюкоза: (1 → 4) -β- D- глюкан 4-β- D- глюкозилтрансфераза в энзимологии . Он катализирует в химической реакции :
Синтаза целлюлозы (образующая UDP) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 2.4.1.12 | |||||||
№ CAS | 9027-19-4 | |||||||
Базы данных | ||||||||
IntEnz | Просмотр IntEnz | |||||||
BRENDA | BRENDA запись | |||||||
ExPASy | Просмотр NiceZyme | |||||||
КЕГГ | Запись в KEGG | |||||||
MetaCyc | метаболический путь | |||||||
ПРИАМ | профиль | |||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
|
Синтаза целлюлозы (CesA / BcsA) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | Cellulose_synth | |||||||
Pfam | PF03552 | |||||||
ИнтерПро | IPR005150 | |||||||
TCDB | 4.D.3 | |||||||
CAZy | GT2 | |||||||
| ||||||||
4р02 цепь А; CAZy и TCDB также включают другие белки. |
Регуляторная субъединица связывания ди-GMP бактериальной целлюлозосинтазы | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | BcsB | |||||||
Pfam | PF03170 | |||||||
ИнтерПро | IPR018513 | |||||||
CATH | 4p02 | |||||||
OPM суперсемейство | 302 | |||||||
Белок OPM | 4p02 | |||||||
Мембранома | 539 | |||||||
| ||||||||
4p02 цепь B |
- UDP-глюкоза + [(1 → 4) -β- D- глюкозил] n = UDP + [(1 → 4) -β- D- глюкозил] n + 1
Подобный фермент использует GDP-глюкозу , целлюлозосинтазу (GDP-образующую) ( EC 2.4.1.29 ).
Это семейство ферментов содержится как в бактериях, так и в растениях . Члены растений обычно известны как CesA (целлюлозосинтаза) или предварительная CslA ( подобная целлюлозосинтазе), в то время как бактериальные представители могут дополнительно быть известны как BcsA (бактериальная целлюлозосинтаза) или CelA (просто «целлюлоза»). [1] Растения приобрели CesA в результате эндосимбиоза, в результате которого образовался хлоропласт . [2] Это семейство принадлежит к семейству глюкозилтрансфераз 2 (GT2). [1] Гликозилтрансферазы участвуют в биосинтезе и гидролизе основной части биомассы Земли. [3] Известно около семи подсемейств в надсемействе растений CesA [4] или десять в объединенном надсемействе растение-водоросль. [5] Урохордовые - единственная группа животных, обладающих этим ферментом, получившая их в результате горизонтального переноса генов более 530 миллионов лет назад. [6]
Целлюлоза
Целлюлоза представляет собой совокупность неразветвленных полимерных цепей, состоящих из β- (1 → 4) -связанных остатков глюкозы, которые составляют большую часть первичных и вторичных клеточных стенок . [7] [8] [9] [10] Хотя он важен для растений, он также синтезируется большинством водорослей, некоторыми бактериями и некоторыми животными. [6] [5] [11] [12] Во всем мире производится 2 × 10 11 тонн микрофибрилл целлюлозы, [13] которые служат важным источником возобновляемого биотоплива и других продуктов биологического происхождения, таких как пиломатериалы, топливо, фураж, бумага и хлопок. [8] [14]
Назначение целлюлозы
Целлюлоза Микрофибрилла выполнена на поверхности клеточных мембран , чтобы укрепить клетки стенки, которые были исследованы экстенсивно растения биохимиков и клеточным биолог , потому что 1) они регулируют клеточный морфогенез и 2) они служат вместе много других компонентов (например , лигнин , гемицеллюлоза , пектин ) в клеточной стенке как сильная структурная опора и форма клетки. [14] Без этих поддерживающих структур рост клеток заставил бы клетку набухать и распространяться во всех направлениях, тем самым теряя жизнеспособность своей формы [15]
Состав
Определено несколько структур бактериальной целлюлозосинтазы BcsAB. Бактериальный фермент состоит из двух разных субъединиц: каталитического BcsA на цитоплазматической стороне и регуляторного BcsB на периплазматической стороне. Они связаны серией трансмембранных спиралей, обозначенных в базе данных CATH как 4p02A01 и 4p02B05. (Подразделения для других моделей, таких как 4hg6 , следуют аналогичным образом.) Фермент стимулируется циклическим ди-GMP . In vivo, но не in vitro , требуется третья субъединица, называемая BcsC, состоящая из 18-нитевого бета-ствола. Некоторые бактерии содержат дополнительные несущественные периплазматические субъединицы. [16]
BcsA следует схеме цитоплазматических доменов, зажатых между N- и C-концевыми трансмембранными доменами. Он имеет типичный домен GT семейства 2 (4p02A02) со складчатой структурой GT-A. На С-конце находится домен PilZ, консервативный у бактерий [16], который образует часть поверхности связывания циклического ди-GMP вместе с BcsB и доменом бета-ствола (4p02A03). [17] Помимо C-концевого TM-домена, BcsB состоит из двух повторов, каждый из которых состоит из углеводно-связывающего модуля 27 (CATH 2.60.120.260) и альфа-бета-сэндвича (CATH 3.30.379.20). [16]
BcsA и BcsB вместе образуют канал, через который синтезированная целлюлоза выходит из клетки, и известно, что мутации в остатках, выстилающих канал, снижают активность этого фермента. [16] Стробирующий контур в BcsA замыкается по каналу; он открывается, когда циклический ди-GMP связывается с ферментом. [17]
Растения
В растениях целлюлоза синтезируется большими комплексами синтазы целлюлозы (CSC), которые состоят из изоформ синтазного белка (CesA), которые образуют уникальную гексагональную структуру, известную как «розетка частиц» шириной 50 нм и высотой 30–35 нм. [5] [18] [19] Существует более 20 таких полноразмерных интегральных мембранных белков , каждый из которых имеет длину около 1000 аминокислот . [8] [9] Эти розетки, ранее известные как гранулы, были впервые обнаружены в 1972 году с помощью электронной микроскопии у зеленых водорослей Cladophora и Chaetomorpha [20] (Robinson et al. 1972). Решение рассеяние рентгеновских лучей показало , что CesAs находится на поверхности клетки растений и вытянуты мономеры с двумя каталитическими доменами , что предохранитель вместе в димеры . Центр димеров является главной точкой каталитической активности [5], и предполагается, что доли содержат специфические для растений PC-R и CS-R. [8] Поскольку целлюлоза вырабатывается во всех клеточных стенках, белки CesA присутствуют во всех тканях и типах клеток растений. Тем не менее, существуют разные типы CesA, некоторые типы тканей могут иметь разную концентрацию одного над другим. Например, белок AtCesA1 (RSW1) участвует в биосинтезе первичных клеточных стенок всего растения, в то время как белок AtCesA7 (IRX3) экспрессируется только в стволе для образования вторичных клеточных стенок. [9]
По сравнению с бактериальным ферментом, растительные версии синтазы гораздо труднее кристаллизовать, и по состоянию на август 2019 года экспериментальные атомные структуры каталитического домена синтазы целлюлозы не известны. Однако для этих ферментов были предсказаны по крайней мере две структуры с высокой степенью достоверности . [8] [11] Более широкая из двух структур (Sethaphong 2013), которая включает весь средний цитоплазматический домен (снова зажатый между спиралями TM), дает полезную картину фермента: две специфичные для растений вставки, называемые PC-R (консервативная для растений область, сходная у всех растений) на N-конце и CS-R (специфическая для класса область, определяет номер подкласса после CesA) на C-конце, перемежая обычное каталитическое ядро GT, вероятно, обеспечивая уникальная розеткообразующая функция растения CesA. [11] (Некоторые белки CesA имеют дополнительную вставку.) [21] Эта структура, по-видимому, объясняет эффекты многих известных мутаций. Расположение двух вставок, однако, не соответствует результату рассеяния из Olek 2014. [11] Экспериментальная модель 2016 года домена PC-R ( 5JNP ) помогает заполнить этот пробел, так как это значительно улучшает соответствие по сравнению с Olek. предыдущий результат. [22] Это также соответствует прогнозу Sethaphong 2015 относительно скважины с антипараллельной спиральной спиралью. Обе группы продолжают углублять свое понимание структуры CesA , при этом Олек и др. Сосредотачиваются на экспериментальных структурах, а Сетхафонг и др. - на исследованиях растений и построении более совершенных компьютерных моделей. [23]
Другие отличия от бактериального BcsA включают другое количество спиралей TM ( BcsA имеет 4 спирали на каждом конце; CesA имеет две на N-конце и 6 на C-конце), а также наличие цинкового пальца ( 1WEO ) на конце N-конец. [8]
Мероприятия
Биосинтез целлюлозы - это процесс, во время которого синтезируются отдельные гомогенные цепи β- (1 → 4) -глюкана длиной от 2000 до 25000 остатков глюкозы, которые затем сразу же связываются друг с другом с образованием жестких кристаллических решеток или микрофибрилл. [8] Микрофибриллы в первичной клеточной стенке имеют длину примерно 36 цепей, в то время как микрофибриллы вторичной клеточной стенки намного больше и содержат до 1200 β- (1 → 4) -глюкановых цепей. [14] [9] Уридиндифосфат-глюкоза (UDP), которая вырабатывается ферментом сахарозосинтазой (SuSy), который производит и транспортирует UDP-глюкозу к плазматической мембране, является субстратом, используемым синтазой целлюлозы для производства цепей глюкана. [8] [24] Скорость, с которой синтезируются остатки глюкозы на одну цепь глюкана, колеблется от 300 до 1000 остатков глюкозы в минуту, причем более высокая скорость более характерна для частиц вторичной стенки, таких как ксилема. [25] [26]
Несущие конструкции
Синтез микрофибрилл регулируется кортикальными микротрубочками , которые лежат под плазматической мембраной удлиняющихся клеток, в том смысле, что они образуют платформу, на которой ОСК могут преобразовывать молекулы глюкозы в кристаллические цепи. Гипотеза выравнивания микротрубочек и микрофибрилл предполагает, что кортикальные микротрубочки, которые лежат под плазматической мембраной удлиняющихся клеток, обеспечивают треки для CSCs, которые превращают молекулы глюкозы в кристаллические микрофибриллы целлюлозы. [27] Прямая гипотеза постулирует некоторые типы прямой связи между комплексами CESA и микротрубочками. [24] Кроме того, белок KORRIGAN (KOR1) считается важным компонентом синтеза целлюлозы, поскольку он действует как целлюлаза на границе раздела плазматической мембраны и клеточной стенки. KOR1 взаимодействует с двумя специфическими белками CesA, возможно, путем корректуры и снятия стресса, создаваемого синтезом цепи глюкана, путем гидролиза неупорядоченной аморфной целлюлозы. [28]
Влияние окружающей среды
На активность синтеза целлюлозы влияют многие факторы окружающей среды, такие как гормоны, свет, механические стимулы, питание и взаимодействие с цитоскелетом . Взаимодействие с этими факторами может влиять на отложение целлюлозы, поскольку это влияет на количество продуцируемого субстрата и концентрацию и / или активность CSC в плазматической мембране. [8] [5]
Рекомендации
- ^ а б Омаджела О., Нарахари А., Струмилло Дж., Мелида Х., Мазур О., Булоне В., Циммер Дж. (октябрь 2013 г.). «BcsA и BcsB образуют каталитически активное ядро бактериальной целлюлозосинтазы, достаточное для синтеза целлюлозы in vitro» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (44): 17856–61. Bibcode : 2013PNAS..11017856O . DOI : 10.1073 / pnas.1314063110 . PMC 3816479 . PMID 24127606 .
- ^ Поппер З.А., Мишель Г., Эрве С., Домозич Д.С., Уиллатс В.Г., Туохи М.Г. и др. (2011). «Эволюция и разнообразие клеточных стенок растений: от водорослей до цветковых растений». Ежегодный обзор биологии растений . 62 : 567–90. DOI : 10,1146 / annurev-arplant-042110-103809 . hdl : 10379/6762 . PMID 21351878 . S2CID 11961888 .
- ^ Кэмпбелл Дж. А., Дэвис Дж. Дж., Булоне В., Хенриссат Б. (февраль 1998 г.). «Классификация нуклеотид-дифосфо-сахарных гликозилтрансфераз на основе сходства аминокислотных последовательностей» . Биохимический журнал . 329 (Pt 3) (3): 719. DOI : 10,1042 / bj3290719 . PMC 1219098 . PMID 9445404 .
- ^ Ричмонд, Т.А., Сомервилл, CR (октябрь 2000 г.). «Надсемейство целлюлозосинтаз» . Физиология растений . 124 (2): 495–8. DOI : 10.1104 / pp.124.2.495 . PMC 1539280 . PMID 11027699 .
- ^ а б в г д Инь И, Хуан Дж, Сюй Ю (июль 2009 г.). «Суперсемейство целлюлозосинтаз в полностью секвенированных растениях и водорослях» . BMC Plant Biology . 9 : 99. DOI : 10,1186 / 1471-2229-9-99 . PMC 3091534 . PMID 19646250 .
- ^ а б Накашима К., Ямада Л., Сато Й., Адзума Дж., Сато Н. (февраль 2004 г.). «Эволюционное происхождение синтазы целлюлозы животного происхождения». Гены развития и эволюция . 214 (2): 81–8. DOI : 10.1007 / s00427-003-0379-8 . PMID 14740209 . S2CID 23186242 .
- ^ Кэмпбелл Дж. А., Дэвис Дж. Дж., Булоне В., Хенриссат Б. (сентябрь 1997 г.). «Классификация нуклеотид-дифосфо-сахарных гликозилтрансфераз на основе сходства аминокислотных последовательностей» . Биохимический журнал . 326 (Pt 3) (3): 929–39. DOI : 10,1042 / bj3260929u . PMC 1218753 . PMID 9334165 .
- ^ Б с д е е г ч I Олек А.Т., Район C, Маковски Л., Ким Х.Р., Цесельски П., Баджер Дж. И др. (Июль 2014 г.). «Структура каталитического домена синтазы целлюлозы растений и его сборка в димеры» . Растительная клетка . 26 (7): 2996–3009. DOI : 10.1105 / tpc.114.126862 . PMC 4145127 . PMID 25012190 .
- ^ а б в г Ричмонд Т (2000). «Синтазы целлюлозы высших растений» . Геномная биология . 1 (4): ОБЗОРЫ 3001. DOI : 10.1186 / GB-2000-1-4-reviews3001 . PMC 138876 . PMID 11178255 .
- ^ Лей Л., Ли С., Гу И (2012). «Целлюлозосинтазные комплексы: состав и регуляция» . Границы науки о растениях . 3 : 75. DOI : 10.3389 / fpls.2012.00075 . PMC 3355629 . PMID 22639663 .
- ^ а б в г Sethaphong L, Haigler CH, Kubicki JD, Zimmer J, Bonetta D, DeBolt S, Yingling YG (апрель 2013 г.). «Третичная модель растительной целлюлозосинтазы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (18): 7512–7. Bibcode : 2013PNAS..110.7512S . DOI : 10.1073 / pnas.1301027110 . PMC 3645513 . PMID 23592721 .
- ^ Ли С., Лей Л., Гу И (март 2013 г.). «Функциональный анализ комплексов со смешанными первичными и вторичными синтазами целлюлозы» . Сигнализация и поведение растений . 8 (3): e23179. DOI : 10.4161 / psb.23179 . PMC 3676487 . PMID 23299322 .
- ^ Лит Х (1975). Измерение теплотворной способности. Первичная продуктивность биосферы . Экологические исследования. 14 . Нью-Йорк: Спрингер. С. 119–129. DOI : 10.1007 / 978-3-642-80913-2 . ISBN 978-3-642-80915-6. S2CID 29260279 .
- ^ а б в Катлер С., Сомервилл С. (февраль 1997 г.). «Клонирование in silico». Текущая биология . 7 (2): R108-11. DOI : 10.1016 / S0960-9822 (06) 00050-9 . PMID 9081659 . S2CID 17590497 .
- ^ Хогецу Т., Сибаока Х (январь 1978 г.). «Влияние колхицина на форму клеток и расположение микрофибрилл в клеточной стенке Closterium acerosum». Planta . 140 (1): 15–8. DOI : 10.1007 / BF00389374 . PMID 24414355 . S2CID 7162433 .
- ^ а б в г Морган Дж. Л., Струмилло Дж., Циммер Дж. (Январь 2013 г.). «Кристаллографический снимок синтеза целлюлозы и мембранной транслокации» . Природа . 493 (7431): 181–6. Bibcode : 2013Natur.493..181M . DOI : 10.1038 / nature11744 . PMC 3542415 . PMID 23222542 .
- ^ а б Морган Дж. Л., Макнамара Дж. Т., Циммер Дж. (Май 2014 г.). «Механизм активации бактериальной целлюлозосинтазы циклическим ди-GMP» . Структурная и молекулярная биология природы . 21 (5): 489–96. DOI : 10.1038 / nsmb.2803 . PMC 4013215 . PMID 24704788 .
- ^ Гиддингс Т.Х., Брауэр Д.Л., Стехелин Л.А. (февраль 1980 г.). «Визуализация комплексов частиц в плазматической мембране Micrasterias denticulata, связанных с образованием фибрилл целлюлозы в первичных и вторичных клеточных стенках» . Журнал клеточной биологии . 84 (2): 327–39. DOI : 10,1083 / jcb.84.2.327 . PMC 2110545 . PMID 7189756 .
- ^ Боулинг AJ, Браун RM (2008). «Цитоплазматический домен целлюлозосинтезирующего комплекса в сосудистых растениях». Протоплазма . 233 (1–2): 115–27. DOI : 10.1007 / s00709-008-0302-2 . PMID 18709477 . S2CID 168550 .
- ^ Робинсон Д.Г., Белый Р.К., Престон Р.Д. (июнь 1972 г.). «Тонкая структура стоев Cladophora и Chaetomorpha: III. Синтез и развитие стенок». Planta . 107 (2): 131–44. DOI : 10.1007 / BF00387719 . PMID 24477398 . S2CID 9301110 .
- ^ Кэрролл A, Specht CD (2011). «Понимание синтаз целлюлозы растений посредством всестороннего исследования последовательностей семейств целлюлозных синтаз» . Границы науки о растениях . 2 : 5. DOI : 10.3389 / fpls.2011.00005 . PMC 3355508 . PMID 22629257 .
- ^ Раштон П.С., Олек А.Т., Маковски Л., Барсук Дж., Стейсси К.Н., Карпита, Северная Каролина, резюме Штауффахера (январь 2017 г.). «Район, сохраняющий растения из рисовой целлюлозы SynthaseA8, представляет собой спиральную спираль на входе в каталитическое ядро» . Физиология растений . 173 (1): 482–494. DOI : 10.1104 / pp.16.00739 . PMC 5210708 . PMID 27879387 .
- ^ Sethaphong L, Davis JK, Slabaugh E, Singh A, Haigler CH, Yingling YG (24 октября 2015 г.). «Прогнозирование структур растительных областей синтаз целлюлозы сосудистых растений и коррелированный функциональный анализ». Целлюлоза . 23 (1): 145–161. DOI : 10.1007 / s10570-015-0789-6 . S2CID 83876123 .
- ^ а б Хит IB (декабрь 1974 г.). «Единая гипотеза о роли мембраносвязанных комплексов ферментов и микротрубочек в синтезе клеточной стенки растений» . Журнал теоретической биологии . 48 (2): 445–9. DOI : 10.1016 / S0022-5193 (74) 80011-1 . PMID 4459594 .
- ^ Паредес А.Р., Сомервилл С.Р., Эрхардт Д.В. (июнь 2006 г.). «Визуализация целлюлозосинтазы демонстрирует функциональную ассоциацию с микротрубочками». Наука . 312 (5779): 1491–5. Bibcode : 2006Sci ... 312.1491P . DOI : 10.1126 / science.1126551 . PMID 16627697 . S2CID 20181662 .
- ^ Вайтман Р., Тернер С. Р. (июнь 2008 г.). «Роли цитоскелета во время отложения целлюлозы на вторичной клеточной стенке» . Заводской журнал . 54 (5): 794–805. DOI : 10.1111 / j.1365-313X.2008.03444.x . PMID 18266917 .
- ^ Зеленый ПБ (декабрь 1962 г.). «Механизм клеточного морфогенеза растений». Наука . 138 (3548): 1404–5. Bibcode : 1962Sci ... 138.1404G . DOI : 10.1126 / science.138.3548.1404 . PMID 17753861 . S2CID 39081841 .
- ^ Мансури Н., Тиммерс Дж., Деспрез Т., Алвим-Камей С.Л., Камей С.Л., Дис Д.К. и др. (2014). «KORRIGAN1 специфически взаимодействует с неотъемлемыми компонентами аппарата синтазы целлюлозы» . PLOS ONE . 9 (11): e112387. Bibcode : 2014PLoSO ... 9k2387M . DOI : 10.1371 / journal.pone.0112387 . PMC 4226561 . PMID 25383767 .
дальнейшее чтение
- Glaser L (июнь 1958 г.). «Синтез целлюлозы в бесклеточных экстрактах Acetobacter xylinum». Журнал биологической химии . 232 (2): 627–36. PMID 13549448 .