Gli scienziati scoprono il regolamento degli enzimi che catalizza l'allungamento a catena nella via terpenoide

Gli scienziati di Max Planck a Jena, Germania, hanno scoperto un regolamento insolito degli enzimi che catalizzano l'allungamento a catena in un metabolismo secondario importante, la via terpenoide. Nei cochleariae di Phaedon dello scarabeo di foglia del rafano un singolo enzima può avviare la produzione di due sostanze completamente differenti secondo se è regolamentato dagli ioni del cobalto, del manganese o del magnesio: i iridoids, che sono sostanze difensive le larve usano per respingere i predatori, o gli ormoni giovanili, che gestiscono lo sviluppo dell'insetto. Da impianti dissimili degli insetti non hanno un grande arsenale delle proteine chiamate sintasi del difosfato di isoprenyl. Di conseguenza possono sviluppare un'altra opzione efficiente per incanalare i metaboliti nelle direzioni differenti di metabolismo terpenoide usando gli ioni del metallo per il controllo. (PNAS, prima edizione, il 25 febbraio 2013, DOI: 10.1073/pnas.1221489110)

Prodotti naturali: 40.000 terpeni

Oltre al metabolismo primario che produce le sostanze che assicurano la sopravvivenza delle celle, ci sono vie biosintetiche supplementari in tutti gli organismi. I loro prodotti possono essere meno importanti per un unicellulare, ma possono tuttavia essere essenziali per l'intero organismo. Queste vie sono riassunte come metabolismo secondario. Una di loro è la via terpenoide: con più di 40.000 strutture conosciute differenti genera una di più grandi classi di prodotti naturali. Le molecole terpenoidi hanno diverse funzioni e possono fungere da componenti nelle vie molecolari di segnalazione, come le tossine, le fragranze o ormoni.

L'unità di base di tutti i terpeni è una molecola semplice che contiene cinque atomi di carbonio che possono unirsi alle catene della lunghezza differente. Ci sono monoterpeni (C10 unità, 2 x C5), sesquiterpeni (C15, 3 x C5) e perfino polimeri, quale gomma naturale, che comprende diverse centinaia unità C5. Gli enzimi speciali mediano l'allungamento a catena. Questi enzimi hanno attirato la curiosità degli scienziati al Max Planck Institute per l'ecologia chimica, Jena e l'istituto di Leibniz per la biochimica dell'impianto a Halle. Hanno studiato le alternative meccanicistiche di come l'allungamento della catena è regolamentato.

Ioni del metallo invece degli enzimi specializzati

Gli enzimi in questione nell'allungamento a catena appartengono al gruppo di sintasi del difosfato di isoprenyl. Un tal enzima è stato isolato dalle larve dei cochleariae di Phaedon dello scarabeo di foglia del rafano. Ha sollevato l'interesse di Antje Burse, guida del gruppo di progetto nel dipartimento di chimica di Bioorganic al Max Planck Institute per l'ecologia chimica.

Gli esperimenti con le larve in cui il gene della codifica degli enzimi è stato fatto tacere hanno indicato che la proteina è stata compresa nella formazione del monoterpene C10 chrysomelidial che le larve producono per difendere stesse contro i predatori. Le larve accumulano questo monoterpene in ghiandole speciali e lo rilasciano come secrezione difensiva quando sono attaccate dai loro nemici, quali le formiche.

Tuttavia, i risultati sorprendenti sono emerso dopo la caratterizzazione biochimica completa dell'enzima. “Dopo che avevamo condotto un'analisi in vitro della proteina, compreso le misure di formazione del prodotto in presenza degli ioni differenti del metallo come cofattori, siamo stati sorpresi scoprire che soltanto il difosfato geranilico (C10), un precursore per la sostanza difensiva chrysomelidial, è stato prodotto dopo l'aggiunta degli ioni del manganese e del cobalto. D'altra parte, aggiungere gli ioni del magnesio ha provocato la formazione di difosfato di farnesyl (C15), un precursore potenziale per gli ormoni giovanili, che è più lungamente 5 atomi di carbonio,„ dice lo scienziato. Tutti e tre i metalli sono stati trovati in tessuto larvale, piombo al presupposto che la catalisi degli enzimi è diretta dai cofattori differenti del metallo nelle larve, qualunque è predominante nell'importo: Verso il − dell'ormone o della tossina fisiologicamente una differenza principale.

I confronti di sequenza non possono sostituire un'analisi biochimica accurata

Come gli ioni differenti del metallo modificano la gamma di prodotti dell'enzima è ancora poco chiara. È molto probabile che i raggi atomici varianti degli ioni del metallo in questione nell'effetto di catalisi cambia nella struttura spaziale dell'enzima, che impediscono o permettono l'ammissione di una terzi unità C5 e quindi risultato nella produzione delle molecole C10 o C15.

“I nostri esperimenti forniscono due risultati importanti,„ dice Wilhelm Boland, Direttore al Max Planck Institute. “In primo luogo, l'influenza di direzione degli ioni del metallo sulla formazione del prodotto di sintasi del difosfato di isoprenyl è “un organo di comando novello„ nel regolamento del metabolismo del terpene che dovrebbe essere incluso nei quadri sperimentali futuri. E secondariamente: La diversità delle molecole terpenoidi non può essere attribuita solamente alla vasta specificità del substrato di alcuni enzimi agli ultimi punti della via metabolica, ma è in effetti già inerente ai punti biosintetici iniziali.„ La natura continua a fornire le risposte interessanti alla domanda come gli organismi riescono a produrre decine di migliaia di metaboliti secondari differenti.