Interested Article - Мирозиназа

Мирозиназа , также тиогликозидаза , синигриназа — гидролитический фермент (КФ ), катализирующий реакцию расщепления молекулы тиогликозида с образованием молекул глюкозы , изотионитрила и неорганического сульфата. По строению близок к распространённым О-гликозидазам . Однако мирозиназа — единственный известный в природе фермент, способный расщеплять тиосвязанную глюкозу. Его известная биологическая функция — катализировать гидролиз класса соединений, называемых глюкозинолатами .

Где встречается

Содержится прежде всего в растениях семейства крестоцветных : в семенах (где была впервые обнаружена), и сарептской горчицы , а также в корне хрена , васаби , в различных видах капусты , рыжиках и в рапсе . Есть в настурциевых , каперсовых , резедовых , в семенах у некоторых фиалковых .

История открытия

Исторически сложилось так, что такие культуры, как рапс , содержащие систему глюкозинолат-мирозиназа, специально выращивались с целью минимизации содержания глюкозинолатов, поскольку рапс в кормах для скота оказался токсичным . Система глюкозинолат-мирозиназа была исследована как возможный биофумигант для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей. Мощные продукты гидролиза глюкозинолатов (GHPs) можно распылять на посевы для отпугивания травоядных животных. Другой вариант — использование методов генной инженерии для внедрения глюкозинолатно-мирозиназной системы в сельскохозяйственные культуры в качестве средства повышения их устойчивости к вредителям .

Влияние на здоровье

Известно, что изотиоцианаты , основной продукт гидролиза глюкозинолатов, препятствуют усвоению йода щитовидной железой , вызывая зоб . Изотиоцианаты в высоких концентрациях могут вызывать гепатотоксичность . Нет достаточных научных доказательств того, что употребление крестоцветных овощей с повышенным содержанием изотиоцианатов влияет на риск возникновения заболеваний человека .

Механизм катализа

Мирозиназа катализирует химическую реакцию:

тиогликозид + H ₂ O

\rightleftharpoons

глюкоза + тиол

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются тиогликозид и H ₂ O, тогда как двумя его продуктами являются глюкоза и тиол.

В присутствии молекул воды мирозиназа отщепляет глюкозинолатную группу. Оставшаяся молекула затем быстро превращается в тиоцианат, изотиоцианат или нитрил; это активные вещества, которые служат защитой растений. Гидролиз глюкозинолатов мирозиназой может давать различные продукты в зависимости от различных физиологических условий, таких как pH и присутствие определённых кофакторов. Было замечено, что все известные реакции имеют одни и те же начальные стадии (См. рисунок 2.). Сначала мирозиназа расщепляет β-тиоглюкозидную связь, высвобождая D-глюкозу . Образующийся агликон подвергается спонтанной перегруппировке типа Лоссена с высвобождением сульфата . Последняя стадия механизма подвержена наибольшему разнообразию в зависимости от физиологических условий, при которых протекает реакция. При нейтральном pH основным продуктом является изотиоцианат. В кислых условиях (pH < 3) и в присутствии ионов железа (Fe ²⁺ ) или эпитиоспецифичных белков вместо этого благоприятствует образованию нитрилов .

mechanism of glucosinolate hydrolysis by myrosinase — **Рисунок 2:** Механизм гидролиза глюкозинолата мирозиназой .

Кофакторы и ингибиторы

Аскорбиновая кислота (аскорбат) является известным кофактором мирозиназы, служащим основным катализатором гидролиза глюкозинолата . Например, мирозиназа, выделенная из дайкона ( Raphanus sativus ), продемонстрировала увеличение максимальную скорость V _max с 2,06 мкмоль/мин на мг белка до 280 мкмоль/мин на мг белка на субстрате аллилглюкозинолат (синигрин) в присутствии 500 мкМ аскорбата . Сульфат ионы (OSO ₃ ^2- ), побочные продукты гидролиза глюкозинолата, были идентифицированы как конкурентный ингибитор мирозиназы . Кроме того, 2-F-2-дезоксибензилглюкозинолат, синтезированный специально для изучения механизма мирозиназы, ингибирует фермент, захватывая один из остатков глутаминовой кислоты в активном центре, Glu 409 .

Структура

Мирозиназа существует в виде димера с субъединицами по 60-70 кДа каждая . Рентгеновская кристаллография мирозиназы, выделенной из Sinapis alba (горчица белая), показала, что две субъединицы связаны атомом цинка . Считается, что значительная роль солевых мостиков, дисульфидных мостиков, водородных связей и гликозилирования способствует стабильности фермента, особенно когда растение подвергается атаке и испытывает серьёзные повреждения тканей . Особенностью многих β-глюкозидаз являются каталитические остатки глутамата в их активных сайтах, но два из них были заменены одним остатком глутамина в мирозиназе . Было показано, что аскорбат замещает активность остатков глутамата . (Механизм см. на рисунке 3).

First step of glucosinolate hydrolysis by myrosinase showing active site and ascorbate cofactor — **Рисунок 3** : Активный сайт мирозиназы на первом этапе гидролиза глюкозинолата. Здесь аскорбат используется в качестве кофактора для замены недостающего второго каталитического глутамата с целью расщепления тиосвязанной глюкозы .

Биологические функции

Известно, что мирозиназа и её природный субстрат глюкозинолат являются частью защитного механизма растений. Когда растение подвергается нападению патогенов, насекомых или травоядных животных, то для защиты оно использует мирозиназу для преобразования глюкозинолатов, которые в целом безвредны, в токсичные продукты, такие как изотиоцианаты, тиоцианаты и нитрилы .

Защитная система глюкозинолат-мирозиназа упакована в растениях уникальным образом. Растения хранят глюкозинолат-мирозиназу в виде компартментов, так что последняя высвобождается и активируется только тогда, когда растение подвергается нападению. Мирозиназа хранится в основном в виде мирозиновых зёрен в вакуолях особых идиобластов, называемых мирозиновыми клетками, но сообщалось также о белковых телах или вакуолях, а также о цитозольных ферментах, которые обычно связываются с мембранами . Глюкозинолаты хранятся в соседних, но отдельных "S-клетках" . Когда у растения повреждается целостность клеток тканей, мирозиназа вступает в контакт с глюкозинолатами, быстро активируя их в мощную антибактериальную форму. Наиболее мощными из таких продуктов являются изотиоцианаты , за ними следуют тиоцианаты и нитрилы .

Известно, что растения, у которых развилась защитная система мирозиназы-глюкозинолата, включают в себя: горчица белая ( Sinapis alba ) , кресс-салат ( Lepidium sativum ) , васаби ( Wasabia japonica ) и дайкон ( Raphanus sativus ) , а также несколько представителей семейства Brassicaceae , включая жёлтую горчицу ( Brassica juncea ) , семена рапса ( Brassica napus ) и распространённые диетические капустные растения, такие как брокколи , цветная капуста , капуста бок-чой , и кудрявая капуста . Горькое послевкусие многих из этих овощей часто можно объяснить гидролизом глюкозинолатов при повреждении тканей во время приготовления пищи или при употреблении этих овощей в сыром виде . Этот метод защиты используют семена папайи , но не сама мякоть плода .

Мирозиназа также была выделена из капустной тли . Это предполагает коэволюцию капустной тли с её основным источником питания. Тля использует ту же стратегию защиты, что и растения. Как и основной источник пищи, капустная тля разделяет нативную мирозиназу и глюкозинолаты, которые она потребляет. Когда капустная тля подвергается нападению и её ткани повреждаются, то запасённые глюкозинолаты активируются, вырабатывая изотиоцианаты и отпугивая хищников от нападения на других тлей .

Примечания

↑ Burmeister W. P., Cottaz S., Rollin P., Vasella A., Henrissat В. High Resolution X-ray Crystallography Shows That Ascorbate is a Cofactor for Myrosinase and Substitutes for the Function of the Catalytic Base (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2000. — Vol. 275 , no. 50 . — P. 39385—39393 . — doi : . — .
↑ Halkier, B. A.; Gershenzon, J. (англ.) // Annual Review of Plant Biology : journal. — 2006. — Vol. 57 . — P. 303—333 . — doi : .
↑ Bones, A. M.; Rossiter, J. T. (англ.) // Phytochemistry : journal. — 2006. — Vol. 67 . — P. 1053—1067 . — doi : .
↑ Shikita M, Fahey JW, Golden TR, Holtzclaw WD, Talalay P (August 1999). . The Biochemical Journal . 341 ( Pt 3) (3): 725—732. doi : . PMC . PMID .
// Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт . — 1-е изд. — М. : Советская энциклопедия , 1926—1947.
Brabban AD, Edwards C (June 1994). . FEMS Microbiology Letters . 119 (1—2): 83—88. doi : . PMID .
↑ Gimsing AL, Kirkegaard JA (2009). "Glucosinolates and biofumigation: fate of glucosinolates and their hydrolysis products in soil". Phytochemistry Reviews . 8 : 299—310. doi : . S2CID .
Bones AM, Rossiter JT (1996). "The myrosinase-glucosinolate system, its organisation and biochemistry". Physiologia Plantarum . 97 : 194—208. doi : .
. Micronutrient Information Center, Linus Pauling Institute, Oregon State University (1 апреля 2017). Дата обращения: 26 июня 2022.
Lambrix V, Reichelt M, Mitchell-Olds T, Kliebenstein DJ, Gershenzon J (December 2001). . The Plant Cell . 13 (12): 2793—2807. doi : . PMC . PMID .
↑ Burmeister WP, Cottaz S, Driguez H, Iori R, Palmieri S, Henrissat B (May 1997). . Structure . 5 (5): 663—675. doi : . PMID .
Cottaz S, Rollin P, Driguez H (1997). "Synthesis of 2-deoxy-2-fluoroglucotropaeolin, a thioglucosidase inhibitor". Carbohydrate Research . 298 (1—2): 127—130. doi : .
↑ Björkman R, Janson JC (August 1972). "Studies on myrosinases. I. Purification and characterization of a myrosinase from white mustard seed (Sinapis alba, L.)". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 276 (2): 508—518. doi : . PMID .
Pessina A, Thomas RM, Palmieri S, Luisi PL (August 1990). "An improved method for the purification of myrosinase and its physicochemical characterization". Archives of Biochemistry and Biophysics . 280 (2): 383—389. doi : . PMID .
Henrissat B, Davies GJ (December 2000). . Plant Physiology . 124 (4): 1515—1519. doi : . PMC . PMID .
Lüthy B, Matile P (1984). "The mustard oil bomb: Rectified analysis of the subcellular organisation of the myrosinase system". Biochemie und Physiologie der Pflanzen . 179 (1—2): 5—12. doi : .
Andréasson E, Bolt Jørgensen L, Höglund AS, Rask L, Meijer J (December 2001). . Plant Physiology . 127 (4): 1750—1763. doi : . PMC . PMID .
Koroleva OA, Davies A, Deeken R, Thorpe MR, Tomos AD, Hedrich R (October 2000). . Plant Physiology . 124 (2): 599—608. doi : . PMC . PMID .
Durham PL, Poulton JE (May 1989). . Plant Physiology . 90 (1): 48—52. doi : . PMC . PMID .
Ohtsuru M, Kawatani H (1979). . Agricultural and Biological Chemistry . 43 (11): 2249—2255. doi : .
Iversen TH, Baggerud C (1980). "Myrosinase activity in differentiated and undifferentiated plants of Brassiaceae Z.". Zeitschrift für Pflanzenphysiologie . 97 (5): 399—407. doi : .
El-Sayed ST, Jwanny EW, Rashad MM, Mahmoud AE, Abdallah NM (1995). "Glycosidases in plant tissues of some brassicaceae screening of different cruciferous plants for glycosidases production". Applied Biochemistry and Biotechnology . 55 (3): 219—230. doi : . ISSN . S2CID .
Masaru O, Tadao H (1972). . Agricultural and Biological Chemistry . 36 (13): 2495—2503. doi : .
Lönnerdal B, Janson JC (1973). "Studies on myrosinases. II. Purification and characterization of a myrosinase from rapeseed (Brassica napus L.)". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 315 (2): 421—429. doi : .
Nakamura Y, Yoshimoto M, Murata Y, Shimoishi Y, Asai Y, Park EY, et al. (May 2007). "Papaya seed represents a rich source of biologically active isothiocyanate". Journal of Agricultural and Food Chemistry . 55 (11): 4407—4413. doi : . PMID .
Husebye H, Arzt S, Burmeister WP, Härtel FV, Brandt A, Rossiter JT, Bones AM (December 2005). "Crystal structure at 1.1 Angstroms resolution of an insect myrosinase from Brevicoryne brassicae shows its close relationship to beta-glucosidases". Insect Biochemistry and Molecular Biology . 35 (12): 1311—1320. doi : . PMID .
Bridges M, Jones AM, Bones AM, Hodgson C, Cole R, Bartlet E, et al. (January 2002). . Proceedings. Biological Sciences . 269 (1487): 187—191. doi : . PMC . PMID .

[pmi10978344-1] Burmeister W. P., Cottaz S., Rollin P., Vasella A., Henrissat В. High Resolution X-ray Crystallography Shows That Ascorbate is a Cofactor for Myrosinase and Substitutes for the Function of the Catalytic Base (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2000. — Vol. 275 , no. 50 . — P. 39385—39393 . — doi : . — .

[Halkier-2] Halkier, B. A.; Gershenzon, J. (англ.) // Annual Review of Plant Biology : journal. — 2006. — Vol. 57 . — P. 303—333 . — doi : .

[bones-3] Bones, A. M.; Rossiter, J. T. (англ.) // Phytochemistry : journal. — 2006. — Vol. 67 . — P. 1053—1067 . — doi : .

[ascorbate-4] Shikita M, Fahey JW, Golden TR, Holtzclaw WD, Talalay P (August 1999). . The Biochemical Journal . 341 ( Pt 3) (3): 725—732. doi : . PMC . PMID .

[5] // Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт . — 1-е изд. — М. : Советская энциклопедия , 1926—1947.

[rapemeal-6] Brabban AD, Edwards C (June 1994). . FEMS Microbiology Letters . 119 (1—2): 83—88. doi : . PMID .

[biofumigation-7] Gimsing AL, Kirkegaard JA (2009). "Glucosinolates and biofumigation: fate of glucosinolates and their hydrolysis products in soil". Phytochemistry Reviews . 8 : 299—310. doi : . S2CID .

[goiter_review-8] Bones AM, Rossiter JT (1996). "The myrosinase-glucosinolate system, its organisation and biochemistry". Physiologia Plantarum . 97 : 194—208. doi : .

[lpi-9] . Micronutrient Information Center, Linus Pauling Institute, Oregon State University (1 апреля 2017). Дата обращения: 26 июня 2022.

[ESP-10] Lambrix V, Reichelt M, Mitchell-Olds T, Kliebenstein DJ, Gershenzon J (December 2001). . The Plant Cell . 13 (12): 2793—2807. doi : . PMC . PMID .

[Burmeister_1997-11] Burmeister WP, Cottaz S, Driguez H, Iori R, Palmieri S, Henrissat B (May 1997). . Structure . 5 (5): 663—675. doi : . PMID .

[12] Cottaz S, Rollin P, Driguez H (1997). "Synthesis of 2-deoxy-2-fluoroglucotropaeolin, a thioglucosidase inhibitor". Carbohydrate Research . 298 (1—2): 127—130. doi : .

[white-13] Björkman R, Janson JC (August 1972). "Studies on myrosinases. I. Purification and characterization of a myrosinase from white mustard seed (Sinapis alba, L.)". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 276 (2): 508—518. doi : . PMID .

[14] Pessina A, Thomas RM, Palmieri S, Luisi PL (August 1990). "An improved method for the purification of myrosinase and its physicochemical characterization". Archives of Biochemistry and Biophysics . 280 (2): 383—389. doi : . PMID .

[15] Henrissat B, Davies GJ (December 2000). . Plant Physiology . 124 (4): 1515—1519. doi : . PMC . PMID .

[16] Lüthy B, Matile P (1984). "The mustard oil bomb: Rectified analysis of the subcellular organisation of the myrosinase system". Biochemie und Physiologie der Pflanzen . 179 (1—2): 5—12. doi : .

[myrosin_cells-17] Andréasson E, Bolt Jørgensen L, Höglund AS, Rask L, Meijer J (December 2001). . Plant Physiology . 127 (4): 1750—1763. doi : . PMC . PMID .

[18] Koroleva OA, Davies A, Deeken R, Thorpe MR, Tomos AD, Hedrich R (October 2000). . Plant Physiology . 124 (2): 599—608. doi : . PMC . PMID .

[cress-19] Durham PL, Poulton JE (May 1989). . Plant Physiology . 90 (1): 48—52. doi : . PMC . PMID .

[wasabi-20] Ohtsuru M, Kawatani H (1979). . Agricultural and Biological Chemistry . 43 (11): 2249—2255. doi : .

[daikon1-21] Iversen TH, Baggerud C (1980). "Myrosinase activity in differentiated and undifferentiated plants of Brassiaceae Z.". Zeitschrift für Pflanzenphysiologie . 97 (5): 399—407. doi : .

[daikon2-22] El-Sayed ST, Jwanny EW, Rashad MM, Mahmoud AE, Abdallah NM (1995). "Glycosidases in plant tissues of some brassicaceae screening of different cruciferous plants for glycosidases production". Applied Biochemistry and Biotechnology . 55 (3): 219—230. doi : . ISSN . S2CID .

[yellow_mustard-23] Masaru O, Tadao H (1972). . Agricultural and Biological Chemistry . 36 (13): 2495—2503. doi : .

[rape_seed-24] Lönnerdal B, Janson JC (1973). "Studies on myrosinases. II. Purification and characterization of a myrosinase from rapeseed (Brassica napus L.)". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 315 (2): 421—429. doi : .

[25] Nakamura Y, Yoshimoto M, Murata Y, Shimoishi Y, Asai Y, Park EY, et al. (May 2007). "Papaya seed represents a rich source of biologically active isothiocyanate". Journal of Agricultural and Food Chemistry . 55 (11): 4407—4413. doi : . PMID .

[aphid_myrosinase-26] Husebye H, Arzt S, Burmeister WP, Härtel FV, Brandt A, Rossiter JT, Bones AM (December 2005). "Crystal structure at 1.1 Angstroms resolution of an insect myrosinase from Brevicoryne brassicae shows its close relationship to beta-glucosidases". Insect Biochemistry and Molecular Biology . 35 (12): 1311—1320. doi : . PMID .

[aphid_myrosinase2-27] Bridges M, Jones AM, Bones AM, Hodgson C, Cole R, Bartlet E, et al. (January 2002). . Proceedings. Biological Sciences . 269 (1487): 187—191. doi : . PMC . PMID .