Мирозиназа

Мирозиназа
Мирозиназа из Sinapis alba (горчица белая). PDB 1e4m[1]
Мирозиназа из Sinapis alba (горчица белая). PDB 1e4m[1]
Идентификаторы
Шифр КФ 3.2.1.147
Номер CAS 9025-38-1
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO • EGO
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 9025-38-1

Мирозиназа, также тиогликозидаза, синигриназа — гидролитический фермент (КФ 3.2.1.147), катализирующий реакцию расщепления молекулы тиогликозида с образованием молекул глюкозы, изотионитрила и неорганического сульфата. По строению близок к распространённым О-гликозидазам[2][3]. Однако мирозиназа — единственный известный в природе фермент, способный расщеплять тиосвязанную глюкозу. Его известная биологическая функция — катализировать гидролиз класса соединений, называемых глюкозинолатами[4].

Где встречается

[править | править код]

Содержится прежде всего в растениях семейства крестоцветных: в семенах чёрной (где была впервые обнаружена), белой 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.[5]

История открытия

[править | править код]

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[6]. 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[7].

Влияние на здоровье

[править | править код]

Известно, что изотиоцианаты, основной продукт гидролиза глюкозинолатов, препятствуют усвоению йода щитовидной железой, вызывая зоб[8]. Изотиоцианаты в высоких концентрациях могут вызывать гепатотоксичность[4]. Нет достаточных научных доказательств того, что употребление крестоцветных овощей с повышенным содержанием изотиоцианатов влияет на риск возникновения заболеваний человека[9].

Механизм катализа

[править | править код]

Мирозиназа катализирует химическую реакцию:

тиогликозид + H2O глюкоза + тиол

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются тиогликозид и H2O, 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 (Fe2+) или эпитиоспецифичных белков вместо этого благоприятствует образованию нитрилов[2][10].

mechanism of glucosinolate hydrolysis by myrosinase
Рисунок 2: Механизм гидролиза глюкозинолата мирозиназой[2].

Кофакторы и ингибиторы

[править | править код]

Аскорбиновая кислота (аскорбат) является известным кофактором мирозиназы, служащим основным катализатором гидролиза глюкозинолата[1][11]. Например, мирозиназа, выделенная из дайкона (Raphanus sativus), продемонстрировала увеличение максимальную скорость Vmax с 2,06 мкмоль/мин на мг белка до 280 мкмоль/мин на мг белка на субстрате аллилглюкозинолат (синигрин) в присутствии 500 мкМ аскорбата[4]. Сульфат ионы (OSO32-), побочные продукты гидролиза глюкозинолата, были идентифицированы как конкурентный ингибитор мирозиназы[4]. 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[3][12].

Структура

[править | править код]

Мирозиназа существует в виде димера с субъединицами по 60-70 кДа каждая[13][14]. Рентгеновская кристаллография мирозиназы, выделенной из Sinapis alba (горчица белая), показала, что две субъединицы связаны атомом цинка[11]. 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[2]. Особенностью многих β-глюкозидаз являются каталитические остатки глутамата в их активных сайтах, но два из них были заменены одним остатком глутамина в мирозиназе[3][15]. Было показано, что аскорбат замещает активность остатков глутамата[1]. (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[3].

Биологические функции

[править | править код]

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[2].

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[16][17]. Глюкозинолаты хранятся в соседних, но отдельных "S-клетках"[18]. 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[7].

Известно, что растения, у которых развилась защитная система мирозиназы-глюкозинолата, включают в себя: горчица белая (Sinapis alba)[13], кресс-салат (Lepidium sativum)[19] , васаби (Wasabia japonica)[20] и дайкон (Raphanus sativus)[21][22], а также несколько представителей семейства Brassicaceae, включая жёлтую горчицу (Brassica juncea)[23], семена рапса (Brassica napus)[24] и распространённые диетические капустные растения, такие как брокколи, цветная капуста, капуста бок-чой, и кудрявая капуста[2]. 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[2]. Этот метод защиты используют семена папайи, но не сама мякоть плода[25].

Мирозиназа также была выделена из капустной тли[26]. 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[27].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ 1 2 3 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:10.1074/jbc.M006796200. — PMID 10978344.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Halkier, B. A.; Gershenzon, J. Biology and Biochemistry of Glucosinolates (англ.) // Annual Review of Plant Biology : journal. — 2006. — Vol. 57. — P. 303—333. — doi:10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228.
  3. ↑ 1 2 3 4 Bones, A. M.; Rossiter, J. T. The enzymic and chemically induced decomposition of glucosinolates (англ.) // Phytochemistry : journal. — 2006. — Vol. 67. — P. 1053—1067. — doi:10.1016/j.phytochem.2006.02.024.
  4. ↑ 1 2 3 4 Shikita M, Fahey JW, Golden TR, Holtzclaw WD, Talalay P (August 1999). "An unusual case of 'uncompetitive activation' by ascorbic acid: purification and kinetic properties of a myrosinase from Raphanus sativus seedlings". The Biochemical Journal. 341 ( Pt 3) (3): 725—732. doi:10.1042/0264-6021:3410725. PMC 1220411. PMID 10417337.
  5. ↑ Мирозин // Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт. — 1-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1926—1947.
  6. ↑ Brabban AD, Edwards C (June 1994). "Isolation of glucosinolate degrading microorganisms and their potential for reducing the glucosinolate content of rapemeal". FEMS Microbiology Letters. 119 (1—2): 83—88. doi:10.1111/j.1574-6968.1994.tb06871.x. PMID 8039675.
  7. ↑ 1 2 Gimsing AL, Kirkegaard JA (2009). "Glucosinolates and biofumigation: fate of glucosinolates and their hydrolysis products in soil". Phytochemistry Reviews. 8: 299—310. doi:10.1007/s11101-008-9105-5. S2CID 30626061.
  8. ↑ Bones AM, Rossiter JT (1996). "The myrosinase-glucosinolate system, its organisation and biochemistry". Physiologia Plantarum. 97: 194—208. doi:10.1111/j.1399-3054.1996.tb00497.x.
  9. ↑ Isothiocyanates. Micronutrient Information Center, Linus Pauling Institute, Oregon State University (1 апреля 2017). Дата обращения: 26 июня 2022. Архивировано 5 июля 2019 года.
  10. ↑ Lambrix V, Reichelt M, Mitchell-Olds T, Kliebenstein DJ, Gershenzon J (December 2001). "The Arabidopsis epithiospecifier protein promotes the hydrolysis of glucosinolates to nitriles and influences Trichoplusia ni herbivory". The Plant Cell. 13 (12): 2793—2807. doi:10.1105/tpc.010261. PMC 139489. PMID 11752388.
  11. ↑ 1 2 Burmeister WP, Cottaz S, Driguez H, Iori R, Palmieri S, Henrissat B (May 1997). "The crystal structures of Sinapis alba myrosinase and a covalent glycosyl-enzyme intermediate provide insights into the substrate recognition and active-site machinery of an S-glycosidase". Structure. 5 (5): 663—675. doi:10.1016/s0969-2126(97)00221-9. PMID 9195886.
  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:10.1016/s0008-6215(96)00294-7.
  13. ↑ 1 2 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:10.1016/0005-2744(72)91011-X. PMID 5068825.
  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:10.1016/0003-9861(90)90346-Z. PMID 2369130.
  15. ↑ Henrissat B, Davies GJ (December 2000). "Glycoside hydrolases and glycosyltransferases. Families, modules, and implications for genomics". Plant Physiology. 124 (4): 1515—1519. doi:10.1104/pp.124.4.1515. PMC 1539306. PMID 11115868.
  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:10.1016/s0015-3796(84)80059-1.
  17. ↑ Andréasson E, Bolt Jørgensen L, Höglund AS, Rask L, Meijer J (December 2001). "Different myrosinase and idioblast distribution in Arabidopsis and Brassica napus". Plant Physiology. 127 (4): 1750—1763. doi:10.1104/pp.010334. PMC 133578. PMID 11743118.
  18. ↑ Koroleva OA, Davies A, Deeken R, Thorpe MR, Tomos AD, Hedrich R (October 2000). "Identification of a new glucosinolate-rich cell type in Arabidopsis flower stalk". Plant Physiology. 124 (2): 599—608. doi:10.1104/pp.124.2.599. PMC 59166. PMID 11027710.
  19. ↑ Durham PL, Poulton JE (May 1989). "Effect of Castanospermine and Related Polyhydroxyalkaloids on Purified Myrosinase from Lepidium sativum Seedlings". Plant Physiology. 90 (1): 48—52. doi:10.1104/pp.90.1.48. PMC 1061675. PMID 16666767.
  20. ↑ Ohtsuru M, Kawatani H (1979). "Studies on the myrosinase from Wasabia japonica: Purification and some properties of wasabi myrosinase". Agricultural and Biological Chemistry. 43 (11): 2249—2255. doi:10.1271/bbb1961.43.2249.
  21. ↑ Iversen TH, Baggerud C (1980). "Myrosinase activity in differentiated and undifferentiated plants of Brassiaceae Z.". Zeitschrift für Pflanzenphysiologie. 97 (5): 399—407. doi:10.1016/s0044-328x(80)80014-6.
  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:10.1007/BF02786861. ISSN 0273-2289. S2CID 84375704.
  23. ↑ Masaru O, Tadao H (1972). "Molecular Properties of Multiple Forms of Plant Myrosinase". Agricultural and Biological Chemistry. 36 (13): 2495—2503. doi:10.1271/bbb1961.36.2495.
  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:10.1016/0005-2744(73)90272-6.
  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:10.1021/jf070159w. PMID 17469845.
  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:10.1016/j.ibmb.2005.07.004. PMID 16291087.
  27. ↑ Bridges M, Jones AM, Bones AM, Hodgson C, Cole R, Bartlet E, et al. (January 2002). "Spatial organization of the glucosinolate-myrosinase system in brassica specialist aphids is similar to that of the host plant". Proceedings. Biological Sciences. 269 (1487): 187—191. doi:10.1098/rspb.2001.1861. PMC 1690872. PMID 11798435.