Стриктозидинсинтаза ( EC 4.3.3.2 ) - ключевой фермент биосинтеза алкалоидов . Он катализирует конденсацию триптамина с секологанином с образованием стриктозидина в формальной реакции Пикте-Шпенглера :
стриктозидинсинтаза | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 4.3.3.2 | |||||||
№ CAS | 69669-72-3 | |||||||
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 | |||||||
Генная онтология | Amigo / QuickGO | |||||||
|
- триптамин + секологанин 3-альфа (S) -стриктозидин + H 2 O
Таким образом, две подложки этого фермента триптамин и secologanin , в то время как две его продукты являются 3-альфа (S) -strictosidine и Н 2 О . Поскольку конденсация триптамина и секологанина является первым обязательным этапом синтеза алкалоидов, стриктозидинсинтаза играет фундаментальную роль для подавляющего большинства индол-алкалоидных путей. [1]
Этот фермент принадлежит к семейству лиаз , а именно аминолиаз, которые расщепляют связи углерод-азот. Его можно выделить из нескольких растений семейства Apocynaceae, вырабатывающих алкалоиды (например, Catharanthus roseus , Voacanga africana ). [2] систематическое название данного фермента класс 3-альфа (S) -strictosidine триптамин-лиазы (secologanin образующих) . Другие широко используемые названия включают стриктозидинсинтетазу , STR и 3-альфа (S) -стриктозидинтриптаминлиазу . Первоначально выделено из растений раувольфии змеиной , лекарственное растение широко используется в индийской народной медицине, этот фермент участвует в терпеноидах биосинтеза и индол и ипекакуане биосинтеза алкалоидов , оба из которых производит много соединений со значительными физиологическими и лекарственными свойствами.
Механизм катализа
Согласно структурным исследованиям стриктозидинсинтазы из Rauvolfia serpentina , триптамин расположен на дне кармана, где Glu 309 образует водородную связь с первичной аминогруппой субстрата. Остатки Phe 226 и Tyr 151, которые лежат параллельно индольному кольцу триптамина, дополнительно стабилизируют его связывание, фиксируя триптамин в сэндвич-структуре через взаимодействия пи-связи. [3]
При связывании субстрата секологанин располагается у входа в карман, где положительно заряженные остатки His 307 и His 277 связываются с глюкозной составляющей секологанина. Основание Шиффа формы между secologanin в альдегид-группы и аминогруппы триптамина, от которого Glu309 deprotonates триптамина в углерод 2. Это позволяет для формирования strictosidine в соответствии с последующим замыканием кольца посредством электрофильного замещения, как показано на соседнем изображении. [3]
Стриктозидинсинтаза способствует образованию 3-альфа (S) -стриктозидина, действуя как каркас для увеличения локальной концентрации триптамина, секологанина и кислотных катализаторов. Его связывающий карман также должным образом ориентирует промежуточный иминий во время циклизации для дистероселективного образования его алкалоидных продуктов. В отличие от механизмов, лежащих в основе образования нескольких соединений Пикте-Шпенглера, промежуточное соединение спироиндоленина, содержащее пятичленное кольцо, не образуется во время синтеза стриктозидина. Теоретические расчеты показали, что прямое взаимное превращение иминия в шестичленное кольцо происходит на несколько порядков быстрее, чем у спироиндоленина. [4]
Структура фермента
Общая структура стриктозидинсинтазы состоит из складки бета-пропеллера с 6 лопастями, расположенных по оси псевдосимметрии с шестью частями, причем каждая лопасть пропеллера содержит четыре бета-нити, которые образуют скрученный антипараллельный бета-лист. В структуре фермента также присутствуют три альфа-спирали, причем альфа-3-спираль формирует гидрофобный связывающий карман наверху пропеллера и образует колпачок для активного центра. Основными аминокислотными остатками, образующими активный сайт, являются Tyr 105, Trp 149, Val 167, Met 180, Val 208, Phe 226, Ser 269, Met 276, His 277, His 307, Phe 308, Glu 309, Leu 323 и Phe 324. [3]
По состоянию на конец 2007 г. было решено 4 структуры для этого класса ферментов с кодами доступа 2FP8 , 2FP9 , 2FPB и 2FPC .
Биологическая функция
Как указано во введении, стриктозидинсинтаза катализирует биологическую реакцию Пикте-Шпенглера триптамина и секологанина с стереоселективным образованием 3-альфа (S) -стриктозидина, универсального предшественника монотерпеноидных индол-алкалоидных соединений. [3] Он также катализирует образование 12-аза-стриктозидина, важного промежуточного соединения для цитотоксических алкалоидов, в результате связывания секологанина с 7-аза-триптамином. [5] Фермент кодируется однокопийным геном, который подвергается координированной регуляции со стороны растительных гормонов, участвующих в контроле первичного и вторичного метаболизма растений. Кодирующий ген быстро подавляется ауксином , важным промотором клеточного деления, что приводит к более низким уровням накопления алкалоидов. [6] [7] И наоборот, ген активируется жасмонатом , гормоном стресса растений, посредством активации области из 42 пар оснований в промоторе str. [8] Несколько исследований стриктозидинсинтазы Catharanthus roseus показали, что этот фермент играет регулирующую роль в поддержании высоких темпов биосинтеза алкалоидов. Однако высокой активности фермента недостаточно для увеличения производства алкалоидов. [9] Никаких дополнительных кофакторов не требуется для достижения оптимальной активности стриктозидинсинтазы, хотя ранние исследования фермента, полученного из растений Apocynaceae, выявили п-хлормеркурибензоат как мощный ингибитор. [2]
Актуальность болезни
Многие индольные алкалоиды, образующиеся в результате конденсации, катализируемой стриктозидинсинтазой, являются важными предшественниками важных с медицинской точки зрения соединений, таких как хинин , противоопухолевый препарат камптотецин и противоопухолевые препараты винкристин и винбластин . [10] Из-за этого стриктозидинсинтаза широко известна как предпочтительный фермент для исследований химико-ферментативного синтеза алкалоидов. Одно из таких исследований показало, что (21S) -12-аза-нациклин, производное 12-аза-стриктозидина, проявляет сильную цитотоксичность по отношению к линии раковых клеток A549. [5] Однако фермент обладает высокой степенью субстратной специфичности с индольным фрагментом триптамина, необходимым для распознавания субстрата. [1] Недавние исследования мутантов, однако, показали, что стриктозидинсинтазой можно легко манипулировать для получения более широкого диапазона субстратной специфичности. Например, мутация валина-208 в аланин позволяет стриктозидинсинтазе генерировать 5-метил и 5-метоксистриктозидины из своих триптаминовых аналогов при сохранении хиральности. [11] Кроме того, связывание с различными аналогами секологанина с той же стереоселективностью, что и у 3-альфа (S) -стриктозидина, может быть достигнуто за счет мутации аспартата-177 в аланин, что позволяет синтезировать более широкий спектр возможных алкалоидных соединений для дальнейшие исследования открытия лекарств. [12]
Рекомендации
- ^ a b Stöckigt J, Antonchick AP, Wu F, Waldmann H (сентябрь 2011 г.). «Реакция Пикте-Шпенглера в природе и в органической химии». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ . 50 (37): 8538–64. DOI : 10.1002 / anie.201008071 . PMID 21830283 .
- ^ а б Треймер Дж. Ф., Зенк М. Х. (ноябрь 1979 г.). «Очистка и свойства стриктозидинсинтазы, ключевого фермента в образовании индольных алкалоидов» . Евро. J. Biochem . 101 (1): 225–33. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1979.tb04235.x . PMID 510306 .
- ^ а б в г Стёкигт Дж, Барлебен Л., Панджикар С., Лорис Э.А. (март 2008 г.). «3D-структура и функция стриктозидинсинтазы - ключевого фермента биосинтеза монотерпеноидных индол-алкалоидов». Plant Physiol. Биохим . 46 (3): 340–55. DOI : 10.1016 / j.plaphy.2007.12.011 . PMID 18280746 .
- ^ Мареш Дж. Дж., Гиддингс Л. А., Фридрих А., Лорис Е. А., Панджикар С., Траут Б. Л., Штёкигт Дж., Петерс Б., О'Коннор С. Е. (январь 2008 г.). «Стриктозидинсинтаза: механизм катализирующего фермента Пикте-Шпенглера» . Варенье. Chem. Soc . 130 (2): 710–23. DOI : 10.1021 / ja077190z . PMC 3079323 . PMID 18081287 .
- ^ а б Zou, HB; Чжу, HJ; Zhang, L .; Ян, LQ; Ю, Ю.П .; Штёкигт, Дж. (2010). «Легкий химиоэнзиматический подход: одностадийный синтез монотерпеноидных индольных алкалоидов». Химия: Азиатский журнал . 5 (11): 2400. DOI : 10.1002 / asia.201000520 . PMID 20872397 .
- ^ Pasquali, G .; Годдин, OJM; Waal, A .; Verpoorte, R .; Schilperoort, RA; Hoge, JHC; Мемелинк, Дж. (1992). «Скоординированная регуляция двух генов биосинтеза индольных алкалоидов из Catharanthus roseus с помощью ауксина и элиситоров». Молекулярная биология растений . 18 (6): 1121–1131. DOI : 10.1007 / BF00047715 . PMID 1600148 . S2CID 6653746 .
- ^ Whitmer, S .; Verpoorte, R .; Канел, К. (1998). «Влияние ауксинов на накопление алкалоидов трансгенной линией клеток Catharanthus roseus». Культура растительных клеток, тканей и органов . 53 (2): 135. DOI : 10,1023 / A: 1006019620897 . S2CID 46432810 .
- ^ Menke, FLH; Чемпион, А .; Kijne, JW; Мемелинк, Дж. (1999). «Новый реагирующий на жасмонат и элиситор элемент в гене биосинтеза вторичного метаболита барвинка Str взаимодействует с фактором транскрипции домена AP2, индуцируемым жасмонатом и активатором, ORCA2» . Журнал EMBO . 18 (16): 4455–4463. DOI : 10.1093 / emboj / 18.16.4455 . PMC 1171520 . PMID 10449411 .
- ^ Canel, C .; Лопес-Кардосо, штат Мичиган №X. 0. E.; S .; Whitmer, S .; Van Der Fits, L .; Pasquali, G .; Van Der Heijden, R .; Hoge, JHC; Verpoorte, R. (1998). «Эффекты сверхэкспрессии стриктозидинсинтазы и триптофандекарбоксилазы на продукцию алкалоидов клеточными культурами Catharanthus roseus». Planta . 205 (3): 414–419. DOI : 10.1007 / s004250050338 . hdl : 10284/8620 . PMID 9640666 . S2CID 3097432 .
- ^ Кутчан, TM (1995). «Биосинтез алкалоидов - основа метаболической инженерии лекарственных растений» . Растительная клетка в Интернете . 7 (7): 1059–1070. DOI : 10.1105 / tpc.7.7.1059 . PMC 160910 . PMID 12242397 .
- ^ Лорис, EA; Panjikar, S .; Ruppert, M .; Barleben, L .; Унгер, М .; Schübel, H .; Штёкигт, Дж. (2007). «Структурная инженерия стриктозидинсинтазы: вспомогательные средства для алкалоидных библиотек» . Химия и биология . 14 (9): 979. DOI : 10.1016 / j.chembiol.2007.08.009 . PMID 17884630 .
- ^ Chen, S .; Галан, MC; Coltharp, C .; О'Коннор, SE (2006). «Редизайн центрального фермента в биосинтезе алкалоидов» . Химия и биология . 13 (11): 1137–41. DOI : 10.1016 / j.chembiol.2006.10.009 . PMID 17113995 .
дальнейшее чтение
- Кутчан TM (1993). «Стриктозидин: от алкалоида к ферменту и гену». Фитохимия . 32 (3): 493–506. DOI : 10.1016 / S0031-9422 (00) 95128-8 . PMID 7763429 .
- де Ваал А., Мейер А. Х., Verpoorte R (март 1995 г.). «Стриктозидинсинтаза из Catharanthus roseus: очистка и характеристика множества форм» . Биохим. Дж . 306 (2): 571–80. DOI : 10.1042 / bj3060571 . PMC 1136556 . PMID 7887913 .
- Рупперт М., Уолл Дж., Гирич А., Геннадий Е, Ма Х, Стокигт Дж. (2005). «Функциональная экспрессия эстеразы, специфичной для аймалинового пути, из Rauvolfia в новой системе экспрессии растительного вируса». Planta . 222 (5): 888–898. DOI : 10.1007 / s00425-005-0031-0 . PMID 16133216 . S2CID 23936398 .
- Маккой Э., Галан М.С., О'Коннор С.Е. (2006). «Субстратная специфичность стриктозидинсинтазы». Биоорг. Med. Chem. Lett . 16 (9): 2475–2478. DOI : 10.1016 / j.bmcl.2006.01.098 . PMID 16481164 .
- Ма X, Panjikar S, Koepke J, Loris E, Stockigt J (2006). «Структура стриктозидинсинтазы Rauvolfia serpentina представляет собой новую шестилопастную бета-пропеллерную складку в растительных белках» . Растительная клетка . 18 (4): 907–920. DOI : 10.1105 / tpc.105.038018 . PMC 1425862 . PMID 16531499 .