Cellulosesynthase (UDP-bildend)

Cellulosesynthase (UDP-bildend)
Struktur der bakteriellen Cellulosesynthase. Cyan: katalytische Untereinheit BcsA; Grün: regulatorische Untereinheit BcsB. Oben: Periplasma ; Unten: Zytoplasma. PDB : 4p02 ​, über OPM.
Bezeichner
EG-Nr.	2.4.1.12
CAS-Nr.	9027-19-4
Datenbanken
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Die UDP-bildende Form der Cellulosesynthase ( EC 2.4.1.12 ) ist das Hauptenzym, das Cellulose produziert. Systematisch ist es in der Enzymologie als UDP-Glucose:(1→4)-β- D- Glucan 4-β- D- Glucosyltransferase bekannt. Es katalysiert die chemische Reaktion :

UDP-Glucose + [(1→4)-β- D -Glucosyl] n = UDP + [(1→4)-β- D -Glucosyl] n+1

Ein ähnliches Enzym verwendet GDP-Glucose, Cellulosesynthase (GDP-bildend) ( EC 2.4.1.29 ).

Diese Enzymfamilie kommt sowohl in Bakterien als auch in Pflanzen vor. Pflanzenmitglieder sind normalerweise als CesA (Cellulosesynthase) oder das vorläufige CslA (Cellulosesynthase-ähnlich) bekannt, während bakterielle Mitglieder zusätzlich als BcsA (bakterielle Cellulosesynthase) oder CelA (einfach "Cellulose") bekannt sein können. Pflanzen erhielten CesA aus dem Endosymbiose-Ereignis, das den Chloroplasten produzierte. Diese Familie gehört zur Glucosyltransferase- Familie 2 (GT2). Glycosyltransferasen sind an der Biosynthese und Hydrolyse des Großteils der Biomasse der Erde beteiligt. Es ist bekannt, dass es etwa sieben Unterfamilien in der Pflanzen- CesA- Überfamilie oder zehn in der kombinierten Pflanzen-Algen-Überfamilie gibt. Urochordate sind die einzige Gruppe von Tieren, die dieses Enzym besitzen, da sie sie vor mehr als 530 Millionen Jahren durch horizontalen Gentransfer erworben haben.

Inhalt

• 1 Zellulose
  • 1.1 Zweck von Zellulose
• 2 Struktur
  • 2.1 Pflanzen
• 3 Aktivität
  • 3.1 Stützstrukturen
  • 3.2 Umwelteinflüsse
• 4 Referenzen
• 5 Weiterführende Literatur

Zellulose

Cellulose ist eine Aggregation von unverzweigten Polymerketten aus β- (1 → 4) -verknüpften Glucosereste, die einen großen Teil der primären und sekundären bilden Zellwände. Obwohl es für Pflanzen wichtig ist, wird es auch von den meisten Algen, einigen Bakterien und einigen Tieren synthetisiert. Weltweit werden 2 × 10 ¹¹ Tonnen Zellulose-Mikrofibrillen produziert, die als kritische Quelle für erneuerbare Biokraftstoffe und andere biologisch basierte Produkte wie Holz, Kraftstoff, Futter, Papier und Baumwolle dienen.

Zweck von Zellulose

Zellulose- Mikrofibrillen werden auf der Oberfläche von Zellmembranen hergestellt, um die Zellwände zu verstärken, was von Pflanzenbiochemikern und Zellbiologen ausgiebig erforscht wurde, weil sie 1) die zelluläre Morphogenese regulieren und 2) neben vielen anderen Bestandteilen (zB Lignin, Hemicellulose, Pektin ) dienen. in der Zellwand als starke strukturelle Stütze und Zellform. Ohne diese Stützstrukturen würde das Zellwachstum dazu führen, dass eine Zelle anschwillt und sich in alle Richtungen ausbreitet, wodurch ihre Formfähigkeit verloren geht

Struktur

Mehrere Strukturen der bakteriellen Cellulosesynthase BcsAB wurden aufgeklärt. Das bakterielle Enzym besteht aus zwei verschiedenen Untereinheiten, dem katalytischen BcsA auf der zytoplasmatischen Seite und dem regulatorischen BcsB auf der periplasmatischen Seite. Sie sind durch eine Reihe von Transmembranhelices gekoppelt, die von der CATH-Datenbank als 4p02A01 und 4p02B05 bezeichnet werden. ( Unterteilungen für andere Modelle, wie 4hg6, folgen ähnlich.) Das Enzym wird durch zyklisches di-GMP stimuliert. In vivo, aber nicht in vitro, wird eine dritte Untereinheit namens BcsC benötigt, die aus einem 18-Strang-Beta-Barrel besteht. Einige Bakterien enthalten zusätzliche nicht-essentielle periplasmatische Untereinheiten.

BcsA folgt einem Layout von zytoplasmatischen Domänen, die zwischen der N- und C-terminalen Transmembrandomäne eingebettet sind. Es hat eine typische GT-Domäne der Familie 2 (4p02A02) mit einer GT-A-Faltungsstruktur. Am C-terminalen Ende befindet sich eine in Bakterien konservierte PilZ-Domäne, die zusammen mit BcsB und der Beta-Barrel (4p02A03)-Domäne einen Teil der zyklischen di-GMP-Bindungsoberfläche bildet. Neben der C-terminalen TM-Domäne besteht BcsB aus zwei Repeats, die jeweils aus einem Kohlenhydrat-Bindungsmodul 27 (CATH 2.60.120.260) und einem Alpha-Beta-Sandwith (CATH 3.30.379.20) bestehen.

BcsA und BcsB bilden zusammen einen Kanal, durch den die synthetisierte Cellulose die Zelle verlässt, und es ist bekannt, dass Mutationen an Resten, die den Kanal auskleiden, die Aktivität dieses Enzyms reduzieren. Eine Gating-Schleife in BcsA schließt sich über den Kanal; es öffnet sich, wenn zyklisches di-GMP an das Enzym gebunden wird.

Pflanzen

In Pflanzen wird Cellulose durch große Cellulose-Synthase-Komplexe (CSCs) synthetisiert, die aus Synthase-Protein- Isoformen (CesA) bestehen, die in einer einzigartigen hexagonalen Struktur angeordnet sind, die als „Partikelrosette“ 50 nm breit und 30–35 nm hoch ist. Es gibt mehr als 20 dieser integralen Membranproteine voller Länge, von denen jedes etwa 1000 Aminosäuren lang ist. Diese früher als Granula bezeichneten Rosetten wurden erstmals 1972 elektronenmikroskopisch bei den Grünalgenarten Cladophora und Chaetomorpha entdeckt (Robinson et al. 1972). Röntgenstreuung in Lösung hat gezeigt, dass sich CesAs an der Oberfläche einer Pflanzenzelle befinden und verlängerte Monomere mit zwei katalytischen Domänen sind, die zu Dimeren verschmelzen. Das Zentrum der Dimere ist der Hauptpunkt der katalytischen Aktivität, und es wird angenommen, dass die Lappen die pflanzenspezifischen PC-R und CS-R enthalten. Da Zellulose in allen Zellwänden gebildet wird, sind CesA-Proteine ​​in allen Geweben und Zelltypen von Pflanzen vorhanden. Nichtsdestotrotz gibt es verschiedene Arten von CesA, einige Gewebearten können unterschiedliche Konzentrationen aufweisen. So ist beispielsweise das Protein AtCesA1 (RSW1) an der Biosynthese primärer Zellwände in der gesamten Pflanze beteiligt, während das Protein AtCesA7 (IRX3) nur im Stamm für die sekundäre Zellwandproduktion exprimiert wird.

Im Vergleich zum bakteriellen Enzym sind pflanzliche Versionen der Synthase viel schwieriger zu kristallisieren, und bis August 2019 sind keine experimentellen Atomstrukturen der katalytischen Domäne der pflanzlichen Cellulosesynthase bekannt. Für diese Enzyme wurden jedoch mindestens zwei Hochkonfidenzstrukturen vorhergesagt. Die breitere der beiden Strukturen (Sethaphong 2013), die die gesamte mittlere zytoplasmatische Domäne umfasst (wiederum zwischen TM-Helices eingebettet), gibt einen nützlichen Überblick über das Enzym: zwei pflanzenspezifische Insertionen, genannt PC-R (plant-konservierte Region, ähnlich in allen Pflanzen) am N-terminalen Ende und CS-R (klassenspezifische Region, bestimmt die Unterklassennummer nach CesA) am C-terminalen Ende unterstreichen den üblichen GT-Katalysatorkern, der wahrscheinlich die einzigartige rosettenbildende Funktion von. bereitstellt CesA pflanzen. (Einige CesA-Proteine ​​besitzen eine zusätzliche Insertion.) Die Struktur scheint die Auswirkungen vieler bekannter Mutationen zu erklären. Die Positionierung der beiden Einfügungen stimmt jedoch nicht mit dem Streuungsergebnis von Olek 2014 überein. Ein experimentelles Modell der PC-R ( 5JNP )-Domäne aus dem Jahr 2016 hilft, diese Lücke zu füllen, da es die Anpassung an Oleks vorheriges Ergebnis erheblich verbessert. Es stimmt auch mit der Sethaphong 2015-Vorhersage eines antiparallelen Coiled-Coil-Bohrlochs überein. Die beiden Gruppen vertiefen ihr Verständnis der CesA- Struktur weiter, wobei sich Olek et al. auf experimentelle Strukturen und Sethaphong et al. auf Pflanzenstudien und den Bau besserer Computermodelle konzentrieren.

Andere Unterschiede zum bakteriellen BcsA umfassen eine andere TM-Helice-Zahl ( BcsA hat 4 Helices an jedem Ende; CesA hat zwei am N-Terminus und 6 am C-Terminus) und das Vorhandensein eines Zinkfingers ( 1WEO ) an der N-Terminus.

Aktivität

Die Cellulosebiosynthese ist der Prozess, bei dem getrennte homogene β-(1→4)-Glucanketten mit einer Länge von 2.000 bis 25.000 Glucoseresten synthetisiert werden und dann sofort Wasserstoffbrücken miteinander verbinden, um starre kristalline Anordnungen oder Mikrofibrillen zu bilden. Mikrofibrillen in der primären Zellwand sind ungefähr 36 Ketten lang, während die der sekundären Zellwand viel größer sind und bis zu 1200 β-(1→4)-Glucanketten enthalten. Uridindiphosphat-Glucose (UDP), die von dem Enzym Saccharose-Synthase (SuSy) produziert wird, das UDP-Glucose produziert und zur Plasmamembran transportiert, ist das Substrat, das von der Cellulosesynthase zur Herstellung der Glucanketten verwendet wird. Die Geschwindigkeit, mit der Glucosereste pro Glucankette synthetisiert werden, liegt im Bereich von 300 bis 1000 Glucoseresten pro Minute, wobei die höhere Geschwindigkeit in Sekundärwandpartikeln, wie im Xylem, häufiger vorkommt.

Stützstrukturen

Die Mikrofibrillensynthese wird durch kortikale Mikrotubuli gesteuert, die unter der Plasmamembran von sich verlängernden Zellen liegen, indem sie eine Plattform bilden, auf der die CSCs Glukosemoleküle in die kristallinen Ketten umwandeln können. Die Mikrotubuli-Mikrofibrillen-Ausrichtungshypothese schlägt vor, dass kortikale Mikrotubuli, die unter der Plasmamembran von sich verlängernden Zellen liegen, Spuren für CSCs liefern, die Glukosemoleküle in kristalline Cellulosemikrofibrillen umwandeln. Die direkte Hypothese postuliert einige Arten direkter Kopplung zwischen CESA-Komplexen und Mikrotubuli. Darüber hinaus wird angenommen, dass das KORRIGAN (KOR1)-Protein eine kritische Komponente der Cellulosesynthese ist, da es als Cellulase an der Grenzfläche zwischen Plasmamembran und Zellwand wirkt. KOR1 interagiert mit zwei spezifischen CesA-Proteinen, möglicherweise durch Korrekturlesen und Abbau von Stress, der durch die Glucankettensynthese erzeugt wird, durch Hydrolysieren ungeordneter amorpher Cellulose.

Umwelteinflüsse

Die Aktivität der Zellulosesynthese wird durch viele Umweltreize beeinflusst, wie Hormone, Licht, mechanische Reize, Ernährung und Interaktionen mit dem Zytoskelett. Wechselwirkungen mit diesen Faktoren können die Zelluloseablagerung dadurch beeinflussen, dass sie die Menge des produzierten Substrats und die Konzentration und/oder Aktivität von CSCs in der Plasmamembran beeinflusst.

Verweise

Weiterlesen

• Glaser L (Juni 1958). "Die Synthese von Cellulose in zellfreien Extrakten von Acetobacter xylinum". Die Zeitschrift für biologische Chemie. 232 (2): 627–36. doi : 10.1016/S0021-9258(19)77383-9. PMID   13549448.

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