stringtranslate.com

EPSP-синтаза

5-енолпирувилшикимат-3-фосфат ( EPSP ) синтаза — фермент, вырабатываемый растениями и микроорганизмами . EPSPS катализирует химическую реакцию :

фосфоенолпируват (PEP) + 3- фосфошикимат (S3P) ⇌ фосфат + 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат (EPSP)

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются фосфоенолпируват (ФЕП) и 3-фосфошикимат, тогда как двумя его продуктами являются фосфат и 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат.

Этот фермент отсутствует в геномах животных, что делает его привлекательной целью для гербицидов, таких как глифосат . Устойчивая к глифосату версия гена фермента была включена в генетически модифицированные культуры .

Номенклатура

Фермент принадлежит к семейству трансфераз , а точнее, к тем, которые переносят арильные или алкильные группы, отличные от метильных . Систематическое название этого класса ферментов — фосфоенолпируват:3-фосфошикимат 5- O- (1-карбоксивинил)-трансфераза . Другие общеупотребительные названия включают:

Структура

EPSP-синтаза — мономерный фермент с молекулярной массой около 46 000. [2] [3] [4] Он состоит из двух доменов, соединенных белковыми цепями, которые функционируют как шарнир, позволяя двум доменам сближаться. Когда субстрат связывается с ферментом, конформационное изменение заставляет домены зажиматься вокруг субстрата в активном центре.

Синтаза EPSP классифицируется на две группы в зависимости от чувствительности к глифосату. Ферменты класса I, обнаруженные в растениях и некоторых бактериях, ингибируются низкими микромолярными концентрациями глифосата. Ферменты класса II, обнаруженные в других бактериях, устойчивы к ингибированию глифосатом. [5]

Путь Шикимата

EPSP-синтаза участвует в биосинтезе ароматических аминокислот фенилаланина , тирозина и триптофана через шикиматный путь в бактериях, грибах и растениях. EPSP-синтаза вырабатывается только растениями и микроорганизмами; ген, кодирующий ее, отсутствует в геноме млекопитающих . [6] [7] Кишечная флора некоторых животных содержит EPSPS. [8]

Реакция

Синтаза EPSP катализирует реакцию, которая преобразует шикимат-3-фосфат плюс фосфоенолпируват в 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат (EPSP) посредством ацеталеподобного тетраэдрического промежуточного соединения . [9] [10] Основные и кислые аминокислоты в активном центре участвуют в депротонировании гидроксильной группы PEP и в стадиях обмена протонами, связанных с самим тетраэдрическим промежуточным соединением, соответственно. [ 11]

Исследования кинетики фермента для этой реакции определили конкретную последовательность и энергетику каждого этапа процесса. [12] Нейтрально заряженный лизин (lys-22) действует как общее основание , депротонируя гидроксильную группу S3P таким образом, что полученный оксианион может атаковать наиболее электрофильный атом углерода PEP. Глутаминовая кислота (glu-341) действует как общая кислота, отдавая протон . Депротонированный glu-341 затем действует как основание, забирая обратно свой протон, и группа S3P выталкивается и протонируется протонированным лизином.

Гербицидная цель

EPSP-синтаза является биологической мишенью для гербицида глифосата. [13] Глифосат является конкурентным ингибитором EPSP-синтазы, действуя как аналог переходного состояния , который связывается с комплексом EPSPS-S3P более прочно, чем PEP, и ингибирует шикиматный путь . Это связывание приводит к ингибированию катализа фермента и отключению пути. В конечном итоге это приводит к гибели организма из-за недостатка ароматических аминокислот, необходимых организму для выживания. [5] [14]

Версия фермента, которая была устойчива к глифосату и все еще была достаточно эффективна для обеспечения адекватного роста растений, была выявлена ​​учеными Monsanto после многих проб и ошибок в штамме Agrobacterium под названием CP4 ( Q9R4E4 ). Штамм CP4 был обнаружен выжившим в колонке с отходами на предприятии по производству глифосата. Фермент CP4 EPSP-синтаза был внедрен в несколько генетически модифицированных культур . [5] [15]

Ссылки

  1. ^ Priestman MA, Healy ML, Funke T, Becker A, Schönbrunn E (октябрь 2005 г.). «Молекулярная основа нечувствительности к глифосату реакции 5-енолпирувилшикимат 3-фосфатсинтазы с шикиматом». FEBS Letters . 579 (25): 5773–5780. Bibcode : 2005FEBSL.579.5773P. doi : 10.1016/j.febslet.2005.09.066 . PMID  16225867. S2CID  26614581.
  2. ^ Голдсбро П. (1990). «Амплификация генов в клетках табака, устойчивых к глифосату». Plant Science . 72 (1): 53–62. Bibcode :1990PlnSc..72...53G. doi :10.1016/0168-9452(90)90186-r.
  3. ^ Abdel-Meguid SS, Smith WW, Bild GS (декабрь 1985 г.). "Кристаллизация 5-енолпирувилшикимат 3-фосфатсинтазы из Escherichia coli ". Журнал молекулярной биологии . 186 (3): 673. doi :10.1016/0022-2836(85)90140-8. PMID  3912512.
  4. ^ Ream JE, Steinrücken HC, Porter CA, Sikorski JA (май 1988). «Очистка и свойства 5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтазы из темновыращенных сеянцев Sorghum bicolor». Физиология растений . 87 (1): 232–238. doi :10.1104/pp.87.1.232. PMC 1054731. PMID  16666109 . 
  5. ^ abc Pollegioni L, Schonbrunn E, Siehl D (август 2011 г.). «Молекулярная основа устойчивости к глифосату — различные подходы через белок». Журнал FEBS . 278 (16): 2753–2766. doi :10.1111/j.1742-4658.2011.08214.x. PMC 3145815. PMID  21668647 . 
  6. ^ Funke T, Han H, Healy-Fried ML, Fischer M, Schönbrunn E (август 2006 г.). «Молекулярная основа устойчивости к гербицидам культур Roundup Ready». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (35): 13010–13015. Bibcode : 2006PNAS..10313010F. doi : 10.1073/pnas.0603638103 . JSTOR  30050705. PMC 1559744. PMID  16916934 . 
  7. ^ Maeda H, Dudareva N (2012). «Шикиматный путь и биосинтез ароматических аминокислот в растениях». Annual Review of Plant Biology . 63 (1): 73–105. doi :10.1146/annurev-arplant-042811-105439. PMID  22554242. Пути AAA состоят из шикиматного пути (прехоризматного пути) и отдельных постхоризматных путей, ведущих к Trp, Phe и Tyr.... Эти пути обнаружены у бактерий, грибов, растений и некоторых простейших, но отсутствуют у животных. Таким образом, ААА и некоторые их производные (витамины) являются незаменимыми питательными веществами в рационе человека, хотя у животных Тир может синтезироваться из Фен с помощью Фен гидроксилазы... Отсутствие путей ААА у животных также делает эти пути привлекательными мишенями для антимикробных агентов и гербицидов.
  8. ^ Cerdeira AL, Duke SO (2006). «Текущее состояние и воздействие на окружающую среду устойчивых к глифосату культур: обзор». Журнал качества окружающей среды . 35 (5): 1633–1658. Bibcode : 2006JEnvQ..35.1633C. doi : 10.2134/jeq2005.0378. PMID  16899736.
  9. ^ Furdui CM, Anderson KS (2010). "8.18.4.1.1. EPSP-синтаза: тетраэдрический кетальфосфатный ферментный промежуточный продукт". Comprehensive Natural Products II. Chemistry and Biology . Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering. Vol. 8. pp. 663–688. doi :10.1016/B978-008045382-8.00158-1.
  10. ^ Anderson KS, Sammons RD, Leo GC, Sikorski JA, Benesi AJ, Johnson KA (февраль 1990 г.). «Наблюдение тетраэдрического промежуточного соединения EPSP-синтазы, связанного с активным сайтом фермента, с помощью 13C ЯМР». Biochemistry . 29 (6): 1460–1465. doi :10.1021/bi00458a017. PMID  2334707.
  11. ^ Park H, Hilsenbeck JL, Kim HJ, Shuttleworth WA, Park YH, Evans JN и др. (февраль 2004 г.). «Структурные исследования синтазы EPSP Streptococcus pneumoniae в нелигандированном состоянии, тетраэдрическом промежуточно-связанном состоянии и состоянии, связанном с S3P-GLP». Молекулярная микробиология . 51 (4): 963–971. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03885.x . PMID  14763973. S2CID  45549442.
  12. ^ Anderson KS, Sikorski JA, Johnson KA (сентябрь 1988 г.). «Тетраэдрический промежуточный продукт в реакции синтазы EPSP, наблюдаемый с помощью быстрой кинетики тушения». Biochemistry . 27 (19): 7395–7406. doi :10.1021/bi00419a034. PMID  3061457.
  13. ^ Fonseca EC, da Costa KS, Lameira J, Alves CN, Lima AH (декабрь 2020 г.). «Исследование устойчивости мутантов EPSP-синтазы P106T и T102I/P106S к целевому сайту против глифосата». RSC Advances . 10 (72): 44352–44360. Bibcode : 2020RSCAd..1044352F. doi : 10.1039/D0RA09061A . PMC 9058485. PMID  35517162 . 
  14. ^ Schönbrunn E, Eschenburg S, Shuttleworth WA, Schloss JV, Amrhein N, Evans JN и др. (февраль 2001 г.). «Взаимодействие гербицида глифосата с его целевым ферментом 5-енолпирувилшикимат 3-фосфатсинтазой в атомных деталях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (4): 1376–1380. Bibcode : 2001PNAS...98.1376S. doi : 10.1073/pnas.98.4.1376 . PMC 29264. PMID  11171958 . 
  15. ^ Грин Дж. М., Оуэн М. Д. (июнь 2011 г.). «Устойчивые к гербицидам культуры: полезность и ограничения для борьбы с сорняками, устойчивыми к гербицидам». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 59 (11): 5819–5829. Bibcode : 2011JAFC...59.5819G. doi : 10.1021/jf101286h. PMC 3105486. PMID  20586458. 

Дальнейшее чтение