stringtranslate.com

Хлорофиллаза

Хлорофиллаза — это важный фермент в метаболизме хлорофилла . Это мембранный белок, обычно известный как хлаза (EC 3.1.1.14, CLH ) с систематическим названием хлорофилл-хлорофиллидогидролаза . Он катализирует реакцию

хлорофилл + H 2 O = фитол + хлорофиллид

Хлорофиллазу можно обнаружить в хлоропласте , тилакоидной мембране и этиопласте, по крайней мере, высших растений, таких как папоротники, мхи, бурые и красные водоросли и диатомовые водоросли. Хлаза является катализатором гидролиза хлорофилла с образованием хлорофиллида (также называемого хлидом) и фитола . Известно также, что она функционирует в этерификации хлида и переэтерификации . Фермент оптимально функционирует при pH 8,5 и 50 °C. [1] [2] [3]

Роль хлорофиллазы в расщеплении хлорофилла

Для всех фотосинтезирующих организмов большое значение имеет хлорофилл, поэтому его синтез и распад строго регулируются на протяжении всего жизненного цикла растения. Распад хлорофилла наиболее заметен в сезонных изменениях, когда растения теряют свою зеленую окраску осенью; он также заметен при созревании плодов, старении листьев и цветении. На этом первом этапе хлорофиллаза инициирует катаболизм хлорофилла с образованием хлорофиллида. Распад хлорофилла происходит в процессе оборота хлорофилла, а также в случае гибели клеток, вызванной травмами, патогенной атакой и другими внешними факторами.

Роль хлорофиллазы двояка, поскольку она функционирует в обоих процессах де-зеленения, таких как осенняя окраска, а также, как полагают, участвует в обороте и гомеостазе хлорофиллов. Катализ хлорофиллазой начального этапа распада хлорофилла важен для развития и выживания растений. Распад служит предпосылкой для детоксикации потенциально фототоксичного хлорофилла и промежуточных продуктов хлорофилла, поскольку он сопровождает старение листьев до нефлуоресцентных катаболитов. Поэтому быстрая деградация хлорофилла и его промежуточных продуктов необходима для предотвращения повреждения клеток из-за потенциальной фототоксичности хлорофилла. [4] [5] [6]

Реакция и механизм, катализируемый хлорофиллазой

Хлорофиллаза катализирует гидролиз эфирной связи с образованием хлорофиллида и фитола. Она реагирует посредством переэтерификации или гидролиза карбоксильного эфира, в котором ее естественными субстратами являются 13-ОН-хлорофилл а, бактериохлорофилл и хлорофилл а.


Гидролиз хлорофилла начинается с атаки карбонильной группы хлорофилла кислородом гидроксильной группы критического остатка серина хлорофиллазы. Эта атака образует тетраэдрическое переходное состояние. Двойная связь атакованного карбонила преобразуется, и серин затем этерифицируется в хлорофиллид. В результате фитоловая группа покидает соединение и заменяет остаток серина на ферменте хлорофиллазе. Добавление воды к реакции отщепляет фитол от фермента. Затем, посредством обратной реакции, кислород на гидроксильной группе из воды на предыдущем этапе атакует карбонил промежуточного соединения, чтобы образовать еще одно тетраэдрическое переходное состояние. Двойная связь карбонила образуется снова, и остаток серина возвращается в хлорофиллазу, а эфир хлорофилла теперь представляет собой карбоновую кислоту. Этот продукт является хлорофиллидом. [7]

Затем хлорофиллид расщепляется до феофорбида а . После образования феофорбида а порфириновое кольцо расщепляется феофорбидом а-оксигеназой (PAO) с образованием RCC (красного катаболита хлорофилла), в результате чего растение теряет свой зеленый цвет. Затем RCC расщепляется до pFCC. [8]

Регулирование

Посттрансляционная регуляция

Citrus sinensis и Chenopodium album были первыми растениями, из которых были выделены гены, кодирующие хлорофиллазу. Эти эксперименты выявили нехарактерную закодированную последовательность (21 аминокислота у Citrus sinensis и 30 аминокислот у Chenopodium album ), расположенную на N-конце, который отсутствовал в зрелом белке. Фермент хлорофиллаза является разумным выбором в качестве фермента, ограничивающего скорость катаболического пути, поскольку деграденинг и экспрессия хлорофиллазы индуцируются в обработанных этиленом Citrus . Однако последние данные свидетельствуют о том, что хлорофиллаза экспрессируется на низких уровнях во время естественного развития плодов, когда обычно происходит катаболизм хлорофилла. Кроме того, некоторые данные свидетельствуют о том, что активность хлорофиллазы не согласуется с деграденингом во время естественного старения. Наконец, есть доказательства того, что хлорофиллаза была обнаружена во внутренней мембране оболочки хлоропласта, где она не вступает в контакт с хлорофиллом. Недавние исследования, вдохновленные противоречивыми данными, показали, что хлорофиллаза в цитрусовых, лишенная 21 аминокислотной последовательности на N-конце, приводит к обширному расщеплению хлорофилла и эффекту деградирования, который должен наблюдаться in vivo . Это расщепление происходит во фракции мембраны хлоропласта. Однако как полная хлорофиллаза, так и расщепленная, зрелая хлорофиллаза показали схожие уровни активности в анализе in vitro . Эти данные свидетельствуют о том, что зрелый белок легче вступает в контакт со своим субстратом из-за N-концевой последовательности, и происходит некоторая естественная регуляция, которая напрямую влияет на активность фермента. Другая возможность заключается в том, что суборганелльные отсеки распадаются, обеспечивая большую активность фермента. [9]

Другие формы регулирования

Хлорофиллид, продукт реакции, катализируемой хлорофиллазой, спонтанно соединяется с растительными липидами, такими как фосфатидилхолиновые липосомы вместе с сульфохиновозилдиацилглицерином . Эти два липида кооперативно ингибируют активность хлорофиллазы, но это ингибирование может быть отменено присутствием Mg++, двухвалентного катиона. [10] Активность хлорофиллазы также зависит от pH и ионного состава среды. Значения kcat и kcat/Km хлорофиллазы в присутствии хлорофилла показали значения pKa 6,3 и 6,7 соответственно. Температура также влияет на активность хлорофиллазы. Хлорофиллаза пшеницы активна от 25 до 75 °C. Фермент инактивируется при температуре выше 85 °C. Хлорофиллаза пшеницы стабильна на 20 °C выше, чем другие хлорофиллазы. Эти другие хлорофиллазы могут оставаться активными при температуре до 55 °C. [11]

Этилен индуцирует синтез хлорофиллазы и способствует пожелтению цитрусовых. Хлорофиллаза была обнаружена в белковых экстрактах обработанных этиленом фруктов. Обработанные этиленом фрукты имели активность хлорофиллазы, увеличенную в 5 раз за 24 часа. Этилен, в частности, индуцирует повышенные скорости транскрипции гена хлорофиллазы. [12] [13]

Также имеются данные о высококонсервативном домене сериновой липазы в ферменте хлорофиллазе, который содержит остаток серина, необходимый для активности фермента. Остатки гистидина и аспарагиновой кислоты также являются частью каталитической триады хлорофиллазы как сериновой гидролазы . Таким образом, специфические ингибиторы механизма сериновой гидролазы эффективно ингибируют фермент хлорофиллазу. Кроме того, мутации в этих специфических аминокислотных остатках вызывают полную потерю функции, поскольку мутации изменяют каталитический сайт фермента хлорофиллазы. [7]

Ссылки и дополнительная литература

  1. ^ Yi Y, Kermasha S, Neufeld R (декабрь 2006 г.). «Характеристика золь-гель-захваченной хлорофиллазы». Biotechnol. Bioeng . 95 (5): 840–9. doi :10.1002/bit.21027. PMID  16804946. S2CID  27838368.
  2. ^ Хорнеро-Мендес Д., Мингес-Москера М.И. (2001). «Свойства хлорофиллазы из плодов Capsicum annuum L.». З. Натурфорш. С.​ 56 (11–12): 1015–21. дои : 10.1515/znc-2001-11-1219 . PMID  11837653. S2CID  25357466.
  3. ^ Tsuchiya T, Ohta H, Okawa K и др. (декабрь 1999 г.). «Клонирование хлорофиллазы, ключевого фермента в деградации хлорофилла: обнаружение мотива липазы и индукция метилжасмонатом». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 96 (26): 15362–7. Bibcode : 1999PNAS...9615362T. doi : 10.1073/pnas.96.26.15362 . PMC 24824. PMID  10611389 . 
  4. ^ Hörtensteiner S (октябрь 1999). «Распад хлорофилла в высших растениях и водорослях». Cell. Mol. Life Sci . 56 (3–4): 330–47. doi :10.1007/s000180050434. PMC 11149549. PMID 11212360.  S2CID 27271001  . [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Okazawa A, Tango L, Itoh Y, Fukusaki E, Kobayashi A (2006). «Характеристика и субклеточная локализация хлорофиллазы из Ginkgo biloba». Z. Naturforsch. C. 61 ( 1–2): 111–7. doi : 10.1515/znc-2006-1-220 . PMID  16610227. S2CID  15483857.
  6. ^ Fang Z, Bouwkamp J, Solomos T (1998). "Активность хлорофиллазы и деградация хлорофилла во время старения листьев у нежелтеющего мутанта и дикого типа Phaseolus vulgaris L. ". J. Exp. Bot . 49 (320): 503–10. doi :10.1093/jexbot/49.320.503.
  7. ^ ab Tsuchiya T, Suzuki T, Yamada T, et al. (январь 2003 г.). «Хлорофиллаза как сериновая гидролаза: идентификация предполагаемой каталитической триады». Plant Cell Physiol . 44 (1): 96–101. doi :10.1093/pcp/pcg011. PMID  12552153.
  8. ^ Перес-Гальвес, Антонио; Рока, Мария (2017). «Филлобилины». Исследования по химии натуральных продуктов . 52 : 159–191. дои : 10.1016/B978-0-444-63931-8.00004-7.
  9. ^ Harpaz-Saad S, Azoulay T, Arazi T и др. (март 2007 г.). «Хлорофиллаза — это фермент, ограничивающий скорость катаболизма хлорофилла, который регулируется посттрансляционно». Plant Cell . 19 (3): 1007–22. doi :10.1105/tpc.107.050633. PMC 1867358 . PMID  17369368. 
  10. ^ Lambers JW, Terpstra W (октябрь 1985 г.). «Инактивация хлорофиллазы отрицательно заряженными липидами растительных мембран». Biochim. Biophys. Acta . 831 (2): 225–35. doi :10.1016/0167-4838(85)90039-1. PMID  4041468.
  11. ^ Arkus KA, Cahoon EB, Jez JM (июнь 2005 г.). «Механистический анализ хлорофиллазы пшеницы». Arch. Biochem. Biophys . 438 (2): 146–55. doi :10.1016/j.abb.2005.04.019. PMID  15913540.
  12. ^ Trebitsh T, Goldschmidt EE, Riov J (октябрь 1993 г.). «Этилен индуцирует de novo синтез хлорофиллазы, фермента, разрушающего хлорофилл, в кожуре цитрусовых». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 90 (20): 9441–5. Bibcode :1993PNAS...90.9441T. doi : 10.1073/pnas.90.20.9441 . PMC 47584 . PMID  11607429. 
  13. ^ Jacob-Wilk D, Holland D, Goldschmidt EE, Riov J, Eyal Y (декабрь 1999 г.). «Распад хлорофилла хлорофиллазой: изоляция и функциональная экспрессия гена Chlase1 из обработанных этиленом цитрусовых и его регуляция в процессе развития». Plant J . 20 (6): 653–61. doi :10.1046/j.1365-313X.1999.00637.x. PMID  10652137.