stringtranslate.com

Индол-3-уксусная кислота

Индол-3-уксусная кислота ( ИУК , 3-ИУК ) — наиболее распространённый природный растительный гормон класса ауксинов . Это наиболее известный из ауксинов, который был предметом обширных исследований физиологов растений. [1] ИУК — производное индола , содержащее карбоксиметильный заместитель. Это бесцветное твёрдое вещество, растворимое в полярных органических растворителях.

Биосинтез

ИУК преимущественно вырабатывается в клетках верхушки ( почки ) и очень молодых листьев растения . Растения могут синтезировать ИУК несколькими независимыми биосинтетическими путями. Четыре из них начинаются с триптофана , но есть также биосинтетический путь, независимый от триптофана. [2] Растения в основном вырабатывают ИУК из триптофана через индол-3-пировиноградную кислоту. [3] [4] ИУК также вырабатывается из триптофана через индол-3-ацетальдоксим в Arabidopsis thaliana . [5]

У крыс ИУК является продуктом как эндогенного, так и кишечного микробного метаболизма из пищевого триптофана вместе с триптофолом . Впервые это было обнаружено у крыс, инфицированных Trypanosoma brucei gambiense . [6] Эксперимент 2015 года показал, что диета с высоким содержанием триптофана может снизить уровень ИУК в сыворотке у мышей, но у людей потребление белка не оказывает надежно предсказуемого эффекта на уровень ИУК в плазме. [7] Известно, что человеческие клетки вырабатывают ИУК in vitro с 1950-х годов, [8] и был идентифицирован критический ген биосинтеза IL4I1. [9] [10]

Биологические эффекты

Как и все ауксины, ИУК имеет много различных эффектов, таких как индукция удлинения клеток и деления клеток со всеми последующими результатами для роста и развития растений. В более широком масштабе ИУК служит сигнальной молекулой, необходимой для развития органов растений и координации роста.

Регуляция генов растений

IAA проникает в ядро ​​растительной клетки и связывается с белковым комплексом, состоящим из фермента, активирующего убиквитин (E1), фермента, конъюгирующего убиквитин (E2) и лигазы убиквитина (E3), что приводит к убиквитинированию белков Aux/IAA с повышенной скоростью. [11] Белки Aux/IAA связываются с белками фактора ответа ауксина (ARF), образуя гетеродимер, подавляющий активность ARF. [12] В 1997 году было описано, как ARF связываются с элементами гена ответа ауксина в промоторах генов, регулируемых ауксином, как правило, активируя транскрипцию этого гена, когда белок Aux/IAA не связан. [13]

IAA ингибирует фотореспираторно -зависимую гибель клеток у мутантов фотореспираторной каталазы . Это предполагает роль ауксиновой сигнализации в устойчивости к стрессу. [14]

Бактериальная физиология

Продукция ИУК широко распространена среди бактерий окружающей среды, которые населяют почвы, воды, а также растения и животных-хозяев. Распределение и субстратная специфичность вовлеченных ферментов предполагает, что эти пути играют роль, выходящую за рамки взаимодействия растений и микробов. [15] Enterobacter cloacae может производить ИУК из ароматических и разветвленных аминокислот. [16]

Симбиоз грибов

Грибы могут образовывать грибковую мантию вокруг корней многолетних растений, называемую эктомикоризой . Было показано, что грибок, специфичный для ели, называемый Tricholoma vaccinum, производит ИУК из триптофана и выделяет его из своих гиф . Это вызвало ветвление в культурах и усилило образование сети Хартига . Гриб использует транспортер Mte1 с множественной лекарственной и токсичной экструзией (MATE). [17] Исследования грибов, продуцирующих ИУК, для содействия росту растений и защиты в устойчивом сельском хозяйстве продолжаются. [18]

Биосинтез скатола

Скатол , одорант в кале, образуется из триптофана через индолилуксусную кислоту. Декарбоксилирование дает метилиндол. [19] [20]

Синтез

Химически его можно синтезировать реакцией индола с гликолевой кислотой в присутствии основания при 250 °C: [21]

Альтернативно соединение было синтезировано методом индольного синтеза Фишера с использованием глутаминовой кислоты и фенилгидразина . [22] Глутаминовая кислота была преобразована в необходимый альдегид посредством деградации по Штрекеру .

С момента его первоначального синтеза из индол-3-ацетонитрила было разработано множество методов его синтеза. [23]

История и синтетические аналоги

Уильям Гладстон Темпельман изучал вещества для стимуляции роста в Imperial Chemical Industries Ltd. После 7 лет исследований он изменил направление своего исследования, чтобы попробовать те же вещества в высоких концентрациях, чтобы остановить рост растений. В 1940 году он опубликовал свое открытие, что ИУК убил широколиственные растения на зерновом поле. [24]

Поиск кислоты с более длительным периодом полураспада, т. е. метаболически и экологически более стабильного соединения, привел к 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоте (2,4-D) и 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоте (2,4,5-T), обе из которых являются феноксигербицидами и аналогами ИУК. Роберт Покорни, промышленный химик компании CB Dolge Company в Уэстпорте, штат Коннектикут, опубликовал их синтез в 1941 году. [25] При распылении на широколистные двудольные растения они вызывают быстрый, неконтролируемый рост, в конечном итоге убивая их. Впервые представленные в 1946 году, эти гербициды широко использовались в сельском хозяйстве к середине 1950-х годов. [ необходима цитата ]

Другими менее дорогими синтетическими аналогами ауксина , имеющимися на рынке для использования в садоводстве, являются индол-3-масляная кислота (ИМК) и 1-нафтилуксусная кислота (НАК). [26]

Токсичность для млекопитающих/воздействие на здоровье

Было проведено мало исследований о влиянии ИУК на человека, и данные о токсичности ограничены. Не было создано никаких данных о канцерогенных, тератогенных или развивающих эффектах для человека.

IAA указан в его MSDS как мутагенный для соматических клеток млекопитающих и, возможно, канцерогенный на основе данных о животных. Он может вызывать неблагоприятные репродуктивные эффекты (фетотоксичность) и врожденные дефекты на основе данных о животных. Нет данных о людях по состоянию на 2008 год. [27] Он указан как потенциальный раздражитель кожи, глаз и дыхательных путей, и пользователи предупреждены о том, что не следует его глотать. Протоколы приема внутрь, вдыхания и воздействия на кожу/глаза являются стандартными для умеренно ядовитых соединений и включают тщательное промывание в случае попадания на кожу и в глаза, свежий воздух в случае вдыхания и немедленное обращение к врачу во всех случаях для определения наилучшего курса действий и не вызывать рвоту при проглатывании. Рейтинг опасности для здоровья IAA по NFPA 704 составляет 2, что обозначает риск временной нетрудоспособности при интенсивном или длительном, но не хроническом воздействии, а также возможность остаточной травмы. [28] IAA является прямым лигандом арильного углеводородного рецептора , [29] и лечение мышей IAA указывает на гепатопротекторные эффекты в модели неалкогольной жировой болезни печени . [30] У людей обычно относительно высокие уровни IAA в сыворотке (~1 мкМ), но они могут быть дополнительно увеличены при определенных болезненных состояниях и могут быть плохим прогностическим маркером для здоровья сердечно-сосудистой системы. [31] Неизвестно , происходит ли этот IAA из эндогенного биосинтеза через IL4I1 или микробиоты кишечника . Исследование 2021 года показало, что у нормальных мышей в среднем в 3,7 раза больше IAA в кале по сравнению с мышами без микробов , что позволяет предположить, что микробиом млекопитающих вносит значительный вклад в общее циркулирующее количество. [32]

Токсичность для развития

IAA вызывает микроцефалию у крыс на ранней стадии развития коры головного мозга. Обработка беременных крыс IAA в дозе 1 грамм на кг веса тела в день снизила двигательную активность эмбрионов/плодов крыс; обработка IAA и аналогом 1(метил)-IAA привела к апоптозу нейроэпителиальных клеток и значительному уменьшению размеров мозга относительно веса тела у эмбрионов крыс. [33]

Иммунотоксин

IAA является лигандом, индуцирующим апоптоз у млекопитающих. По состоянию на 2010 год пути передачи сигнала следующие: IAA/HRP активирует митоген-активируемые протеинкиназы p38 и N-концевые киназы c-Jun . Он индуцирует каспазу-8 и каспазу-9 , что приводит к активации каспазы-3 и расщеплению поли(АДФ-рибозы)полимераз . [34]

В 2002 году была выдвинута гипотеза, что IAA в сочетании с пероксидазой хрена (HRP) может быть использована в таргетной терапии рака. Радикальные молекулы IAA будут прикрепляться к клеткам, помеченным HRP, и HRP-реактивные клетки будут выборочно убиты. [35] В 2010 году эксперименты in vitro доказали эту концепцию IAA как иммунотоксина при использовании в доклинических исследованиях таргетной терапии рака, поскольку она индуцировала апоптоз в мочевом пузыре [34] и в гематологических злокачественных новообразованиях. [36]

Ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Индолилуксусная кислота .
  1. ^ Саймон, Сибу; Петрашек, Ян (2011). «Почему растениям нужно больше одного типа ауксина». Plant Science . 180 (3): 454–60. doi :10.1016/j.plantsci.2010.12.007. PMID  21421392.
  2. ^ Чжао, Юндэ (2010). «Биосинтез ауксина и его роль в развитии растений». Annual Review of Plant Biology . 61 : 49–64. doi :10.1146/annurev-arplant-042809-112308. PMC 3070418. PMID  20192736 . 
  3. ^ Mashiguchi, Kiyoshi; Tanaka, Keita; Sakai, Tatsuya; Sugawara, Satoko; Kawaide, Hiroshi; Natsume, Masahiro; Hanada, Atsushi; Yaeno, Takashi; et al. (2011). "Основной путь биосинтеза ауксина в Arabidopsis". Труды Национальной академии наук . 108 (45): 18512–7. Bibcode : 2011PNAS..10818512M. doi : 10.1073/pnas.1108434108 . PMC 3215075. PMID  22025724 . 
  4. ^ Вон, Кристина; Шен, Сянлин; Машигучи, Киёси; Чжэн, Цзуюй; Дай, Синьхуа; Чэн, Юфа; Касахара, Хироюки; Камия, Юджи; и др. (2011). «Преобразование триптофана в индол-3-уксусную кислоту с помощью триптофанаминотрансфераз арабидопсиса и юкки арабидопсиса». Труды Национальной академии наук . 108 (45): 18518–23. Bibcode : 2011PNAS..10818518W. doi : 10.1073/pnas.1108436108 . PMC 3215067. PMID  22025721 . 
  5. ^ Сугавара, Сатоко; Хисияма, Сёдзиро; Джикумару, Юске; Ханада, Ацуши; Нисимура, Такеши; Косиба, Томокадзу; Чжао, Юнде; Камия, Юджи; Касахара, Хироюки (2009). «Биохимический анализ индол-3-ацетальдоксим-зависимого биосинтеза ауксина у арабидопсиса». Труды Национальной академии наук . 106 (13): 5430–5. Бибкод : 2009PNAS..106.5430S. дои : 10.1073/pnas.0811226106 . JSTOR  40455212. PMC 2664063 . ПМИД  19279202. 
  6. ^ Говард Стиббс Генри; Ричард Сид Джон (1975). «Краткосрочный метаболизм [14C]триптофана у крыс, инфицированных Trypanosoma brucei gambiense». J Infect Dis . 131 (4): 459–462. doi :10.1093/infdis/131.4.459. PMID  1117200.
  7. ^ Poesen R, Mutsaers HA и др. (октябрь 2015 г.). «Влияние потребления пищевого белка на триптофан и фенольные метаболиты млекопитающих». PLOS ONE . 10 (10): e0140820. Bibcode : 2015PLoSO..1040820P. doi : 10.1371/journal.pone.0140820 . PMC 4607412. PMID  26469515 . 
  8. ^ Weissbach, H.; King, W.; Sjoerdsma, A.; Udenfriend, S. (январь 1959). «Образование индол-3-уксусной кислоты и триптамина у животных: метод оценки индол-3-уксусной кислоты в тканях». Журнал биологической химии . 234 (1): 81–86. doi : 10.1016/S0021-9258(18)70339-6 . ISSN  0021-9258. PMID  13610897.
  9. ^ Чжан, Ся; Гань, Минь; Ли, Цзинъюнь; Ли, Хуэй; Су, Мэйчэн; Тань, Дунфэй; Ван, Шаолей; Цзя, Мань; Чжан, Лиго; Чэнь, Ган (2020-08-31). «Эндогенный путь индол-пирувата для метаболизма триптофана, опосредованный IL4I1». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 68 (39): 10678–10684. doi :10.1021/acs.jafc.0c03735. ISSN  1520-5118. PMID  32866000. S2CID  221402986.
  10. ^ Садик, Ахмед; Сомаррибас Паттерсон, Луис Ф.; Озтюрк, Сельцен; Мохапатра, Сумья Р.; Паниц, Верена; Секер, Филипп Ф.; Пфендер, Полина; Лот, Стефани; Салем, Хеба; Прентцелл, Мирья Тамара; Бердель, Бьянка; Искар, Мурат; Фесслер, Эрик; Рейтер, Фридерика; Кирст, Изабель; Кальтер, Верена; Ферстер, Кэтрин И.; Ягер, Эвелин; Гевара, Карина Рамалло; Собе, Мансур; Хильшер, Томас; Посчет, Гернот; Рейнхардт, Аннекатрин; Хассель, Джессика С.; Запатка, Марк; Хан, Удо; фон Даймлинг, Андреас; Хопф, Карстен; Шлихтинг, Рита; Эшер, Беата И.; Бурхенне, Юрген; Хаефели, Вальтер Э.; Ишак, Навид; Бёме, Александр; Шойбле, Саша; Тедик, Катрин; Трамп, Саския; Зайфферт, Мартина; Опиц, Кристиана А. (2020-08- 17). «IL4I1 — это метаболическая иммунная контрольная точка, которая активирует AHR и способствует прогрессированию опухоли». Cell . 182 (5): 1252–1270.e34. doi : 10.1016/j.cell.2020.07.038 . ISSN  1097-4172. PMID  32818467. S2CID  221179265.
  11. ^ Пеккер, доктор медицины; Деше, Р.Дж. (2005). «Функция и регуляция убиквитинлигазы куллин-RING» (PDF) . Растительная клетка . 6 (1): 9–20. дои : 10.1038/nrm1547. PMID  15688063. S2CID  24159190.
  12. ^ Тивари, СБ; Хаген, Г; Гилфойл, ТДж (2004). «Белки Aux/IAA содержат мощный домен репрессии транскрипции». Plant Cell . 16 (2): 533–43. doi :10.1105/tpc.017384. PMC 341922 . PMID  14742873. 
  13. ^ Улмасов, Т; Хаген, Г; Гилфойл, Т.Дж. (1997). «ARF1, фактор транскрипции, который связывается с элементами ответа ауксина». Science . 276 (5320): 1865–68. doi :10.1126/science.276.5320.1865. PMID  9188533.
  14. ^ Керчев П., Муленбок П., Денекер Дж., Моррил К., Хёберихтс Ф.А., ван дер Келен К., Вандорп М., Нгуен Л., Ауденарт Д., ван Бреузегем Ф. (февраль 2015 г.). «Активация передачи сигналов ауксина противодействует фотореспираторной H2O2-зависимой гибели клеток». Окружающая среда растительной клетки . 38 (2): 253–65. дои : 10.1111/шт.12250 . ПМИД  26317137.
  15. ^ Patten CL, Blakney AJ, Coulson TJ (ноябрь 2013 г.). «Активность, распределение и функция путей биосинтеза индол-3-уксусной кислоты у бактерий». Crit Rev Microbiol . 39 (4): 395–415. doi :10.3109/1040841X.2012.716819. PMID  22978761. S2CID  22123626.
  16. ^ Parsons CV, Harris DM, Patten CL и др. (Сентябрь 2015 г.). "Регуляция биосинтеза индол-3-уксусной кислоты аминокислотами с разветвленной цепью в Enterobacter cloacae UW5". FEMS Microbiol Lett . 362 (18): fnv153. doi : 10.1093/femsle/fnv153 . PMID  26347301.
  17. ^ Krause K, Henke C, Asiimwe T, Ulbricht A, Klemmer S, Schachtschabel D, Boland W, Kothe E (октябрь 2015 г.). «Биосинтез и секреция индол-3-уксусной кислоты и ее морфологические эффекты на Tricholoma vaccinum-Spruce Ectomycorrhiza». Appl Environ Microbiol . 81 (20): 7003–11. Bibcode : 2015ApEnM..81.7003K. doi : 10.1128/AEM.01991-15. PMC 4579454. PMID  26231639 . 
  18. ^ Fu SF, Wei JY, Chen HW, Liu YY, Lu HY, Chou JY (август 2015 г.). «Индол-3-уксусная кислота: широко распространенный физиологический код во взаимодействиях грибов с другими организмами». Plant Signal Behav . 10 (8): e1048052. doi :10.1080/15592324.2015.1048052. PMC 4623019. PMID  26179718 . 
  19. ^ Уайтхед, ТР; Прайс, Н.П.; Дрейк, Х.Л.; Котта, МА (25 января 2008 г.). «Катаболический путь производства скатола и индолилуксусной кислоты ацетогеном Clostridium drakei, Clostridium scatologenes и свиным навозом». Прикладная и экологическая микробиология . 74 (6): 1950–3. Bibcode : 2008ApEnM..74.1950W. doi : 10.1128/AEM.02458-07. PMC 2268313. PMID  18223109 . 
  20. ^ Yokoyama, MT; Carlson, JR (1979). «Микробные метаболиты триптофана в кишечном тракте с особым акцентом на скатол». Американский журнал клинического питания . 32 (1): 173–178. doi : 10.1093/ajcn/32.1.173 . PMID  367144.
  21. ^ Джонсон, Герберт Э.; Кросби, Дональд Г. (1964). "Индол-3-уксусная кислота". Органические синтезы . 44 : 64; Собрание томов , т. 5, стр. 654.
  22. ^ Фокс, Сидней В.; Буллок, Милон В. (1951). «Синтез индолилуксусной кислоты из глутаминовой кислоты и предлагаемый механизм ее превращения». Журнал Американского химического общества . 73 (6): 2754–2755. doi :10.1021/ja01150a094.
  23. ^ Мадзима, Рико; Хосино, Тосио (1925). «Synthetische Versuche in der Indol-Gruppe, VI: Eine neue Synthese von β-Indolyl-алкиламина». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (серии A и B) . 58 (9): 2042–6. дои : 10.1002/cber.19250580917.
  24. ^ Templeman WG; Marmoy CJ (2008). «Влияние на рост растений полива растворами веществ, стимулирующих рост растений, и протравливания семян, содержащих эти материалы». Annals of Applied Biology . 27 (4): 453–471. doi :10.1111/j.1744-7348.1940.tb07517.x.
  25. ^ Покорни Роберт (1941). «Новые соединения. Некоторые хлорфеноксиуксусные кислоты». J. Am. Chem. Soc . 63 (6): 1768. doi :10.1021/ja01851a601.
  26. ^ "PGR Planofix - Crop Science India". www.cropscience.bayer.in . Получено 28.04.2022 .
  27. ^ "1H-Индол-3-уксусная кислота" Реестр токсических эффектов химических веществ (RTECS). Последнее обновление страницы: 8 ноября 2017 г.
  28. ^ «Индол-3-уксусная кислота: Паспорт безопасности материала». Ноябрь 2008 г.
  29. ^ Миллер, Чарльз А. (1997-12-26). «Экспрессия комплекса человеческого арильного углеводородного рецептора в дрожжах. Активация транскрипции индольными соединениями». Журнал биологической химии . 272 ​​(52): 32824–32829. doi : 10.1074/jbc.272.52.32824 . ISSN  1083-351X. PMID  9407059. S2CID  45619222. Получено 08.01.2020 .
  30. ^ Цзи, Юнь; Гао, Юань; Чэнь, Хун; Инь, Юэ; Чжан, Вэйчжэнь (2019-09-03). «Индол-3-уксусная кислота облегчает неалкогольную жировую болезнь печени у мышей посредством ослабления гепатолипогенеза, а также окислительного и воспалительного стресса». Питательные вещества . 11 (9): 2062. doi : 10.3390/nu11092062 . ISSN  2072-6643. PMC 6769627. PMID 31484323  . 
  31. ^ Доу, Летиция; Салле, Марион; Черини, Клэр; Пуитевен, Стефан; Гондуэн, Бертран; Журд-Шиш, Ноэми; Фаллаг, Карим; Брюне, Филипп; Калаф, Раймонд; Дюссоль, Бертран; Маллет, Бернар; Дигна-Жорж, Франсуаза; Берти, Стефан (апрель 2015 г.). «Сердечно-сосудистое действие уремического растворенного вещества индол-3-уксусной кислоты». Журнал Американского общества нефрологов . 26 (4): 876–887. дои : 10.1681/ASN.2013121283. ISSN  1533-3450. ПМЦ 4378098 . ПМИД  25145928. 
  32. ^ Лай, Юньцзя; Лю, Чи-Вэй; Ян, Ифэй; Сяо, Юн-Чунг; Ру, Хунъюй; Лу, Кун (2021). «Метаболомика с высоким уровнем охвата раскрывает биохимический ландшафт межорганного транспорта и связи между кишечником и мозгом у мышей, управляемый микробиотой». Природные коммуникации . 12 (6000): 6000. Бибкод : 2021NatCo..12.6000L. дои : 10.1038/s41467-021-26209-8 . ПМЦ 8526691 . ПМИД  34667167. 
  33. ^ Фурукава, Сатоши; Усуда, Кодзи; Абэ, Масаёши; Огава, Идзуми (2005). «Влияние производных индол-3-уксусной кислоты на нейроэпителий эмбрионов крыс». Журнал токсикологических наук . 30 (3): 165–74. doi : 10.2131/jts.30.165 . PMID  16141651.
  34. ^ ab Jeong YM, Oh MH, Kim SY, Li H, Yun HY, Baek KJ, Kwon NS, Kim WY, Kim DS (2010). «Индол-3-уксусная кислота/пероксидаза хрена индуцирует апоптоз в клетках карциномы мочевого пузыря человека TCCSUP». Pharmazie . 65 (2): 122–6. PMID  20225657.
  35. ^ Wardman P (2002). «Индол-3-уксусные кислоты и пероксидаза хрена: новая комбинация пролекарства и фермента для целенаправленной терапии рака». Curr. Pharm. Des . 8 (15): 1363–74. doi :10.2174/1381612023394610. PMID  12052213.
  36. ^ Dalmazzo LF, Santana-Lemos BA, Jácomo RH, Garcia AB, Rego EM, da Fonseca LM, Falcão RP (2011). «Антитело-таргетированная пероксидаза хрена, связанная с индол-3-уксусной кислотой, индуцирует апоптоз in vitro при гематологических злокачественных новообразованиях». Leuk. Res . 35 (5): 657–62. doi :10.1016/j.leukres.2010.11.025. PMID  21168913. S2CID  32655907.цитируется в: Wayne AS, Fitzgerald DJ, Kreitman RJ, Pastan I (2014). «Иммунотоксины при лейкемии». Blood . 123 (16): 2470–7. doi :10.1182/blood-2014-01-492256. PMC 3990911 . PMID  24578503.