Polygalakturonase - Polygalacturonase
| Polygalakturonase | |||||||||
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 Computergeneriertes Bild der Polygalacturonase, wie sie in Aspergillus aculeatus (1IA5) bei pH 8,5 . gefunden wurde
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| Bezeichner | |||||||||
| EG-Nr. | 3.2.1.15 | ||||||||
| CAS-Nr. | 9032-75-1 | ||||||||
| Datenbanken | |||||||||
| IntEnz | IntEnz-Ansicht | ||||||||
| BRENDA | BRENDA-Eintrag | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme-Ansicht | ||||||||
| KEGG | KEGG-Eintrag | ||||||||
| MetaCyc | Stoffwechselweg | ||||||||
| PRIAM | Profil | ||||||||
| PDB- Strukturen | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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Polygalacturonase ( EC 3.2.1.15 ), auch bekannt als Pektin Depolymerase , PG , pectolase , Pektin Hydrolase und Poly-alpha-1,4-galacturonid glycanohydrolase , ist ein Enzym , das hydrolisiert , die alpha-1,4 - glykosidische Bindungen zwischen Galacturonsäure - Resten . Polygalacturonan, dessen Hauptkomponente Galacturonsäure ist, ist eine bedeutende Kohlenhydratkomponente des Pektinnetzwerks , das Pflanzenzellwände umfasst . Daher wirkt die Aktivität der endogenen Pflanzen-PGs auf das Erweichen und Süßen von Früchten während des Reifungsprozesses. In ähnlicher Weise verwenden Phytopathogene PGs als Mittel, um das Pektinnetzwerk zu schwächen, sodass Verdauungsenzyme in den Pflanzenwirt ausgeschieden werden können, um Nährstoffe aufzunehmen.
Struktur
Die mehreren parallelen Beta-Faltblätter dieses Enzyms bilden eine helikale Form, die als Beta-Helix bezeichnet wird . Diese hochstabile Struktur dank zahlreicher Wasserstoffbrückenbindungen und Disulfidbrücken zwischen den Strängen ist ein gemeinsames Merkmal von Enzymen, die am Pektinabbau beteiligt sind. Das Innere der Beta-Helix ist hydrophob .
Röntgenkristallographie wurde verwendet, um die dreidimensionale Struktur mehrerer PGs in verschiedenen Organismen zu bestimmen. Pilz-PGs aus Colletotrichum lupini , Aspergillus aculeatus und Aspergillus niger (PG1 und PG2) wurden kristallisiert. Die PGs aus Bakterien wie Erwinia carotovora und Bacillus subtilis wurden ebenfalls kristallisiert.
Das aktive Zentrum von Fusarium moniliforme PG umfasst sechs geladene Aminosäurereste : H188, R267 und K269 sind an der Substratbindung beteiligt , D212 (eine allgemeine Säure) ist für die Protonenabgabe an den glykosydischen Sauerstoff verantwortlich und D213 und D191 aktivieren H 2 O für einen nukleophilen Angriff .
Mechanismus
Polygalacturonase ist eine Pektinase : ein Enzym, das Pektin abbaut. PGs hydrolysieren die O-Glycosyl-Bindungen im Polygalacturonan-Netzwerk von Pektin, was zu Alpha-1,4-Polygalacturon-Resten führt. Die Hydrolysegeschwindigkeit hängt von der Kettenlänge des Polysaccharids ab . Niedrige Hydrolyseraten sind mit sehr kurzen Ketten (zB Digalacturonsäure) und sehr langen Ketten verbunden.
Exo- vs. Endo-Polygalakturonasen
Exo- und Endo-PGs nutzen unterschiedliche hydrolytische Wirkmechanismen. Endo-PGs hydrolysieren auf zufällige Weise entlang des Polygalacturonan-Netzwerks. Dieses Verfahren führt zu Oligogalakturoniden. Exo-PGs hydrolysieren am nicht-reduzierenden Ende des Polymers und erzeugen ein Monosaccharid Galakturonsäure . Gelegentlich wenden Organismen beide Methoden an. Zusätzlich zu verschiedenen Wirkungsweisen ermöglicht der PG- Polymorphismus Pilz-PGs, ein breiteres Spektrum von Pflanzengeweben effektiver abzubauen. PG-Vielfalt im optimalen pH-Wert , Substratspezifität und andere Faktoren sind wahrscheinlich hilfreich für phytopathogene Organismen wie Pilze .
Landwirtschaftliche Relevanz
Aufgrund der Anwendbarkeit der Aktivität dieses Enzyms auf die landwirtschaftliche Produktivität und den kommerziellen Erfolg drehte sich ein Großteil der Forschung zu PGs um die Rolle von PGs im Fruchtreifungsprozess, Pollen und Abszission .
Pektin ist eines der drei Polysaccharide, die in der Pflanzenzellwand vorhanden sind , und es spielt eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Barriere zwischen der inneren und äußeren Umgebung und verleiht den Pflanzenzellwänden Festigkeit. Insbesondere Pektin in der Mittellamelle hält benachbarte Zellen zusammen.
Reifung von Früchten
Das erste im Handel erhältliche gentechnisch veränderte Lebensmittel war eine gentechnisch veränderte Tomate (auch bekannt als Flavr Savr ), die länger haltbar war und sich ideal für den Versand eignete. Seine verzögerte Reifung wurde erreicht, indem die Polygalacturonase daran gehindert wurde, Pektin zu zerstören, was Tomaten fest macht. Ein Antisense- PG-Gen wurde eingeführt, das die Reifung der Polygalacturonase verhindert und die Tomate weich macht. Obwohl gezeigt wurde, dass dieses Verfahren die enzymatische Aktivität von PG um 70 bis 90% reduziert, behindert die PG-Antisense- RNA die normale Farbentwicklung nicht.
Die Depolymerisation von Pektin ist hauptsächlich in den späteren Stadien der Fruchtreife beteiligt, insbesondere wenn die Frucht überreif wird. Während Tomaten das Paradebeispiel für eine hohe PG-Aktivität sind, ist dieses Enzym auch bei der Avocado- und Pfirsichreifung sehr aktiv. PG-Enzyme im Pfirsich, zwei Exo-PGs und ein Endo-PG, werden aktiv, wenn die Frucht bereits weich ist. Früchten wie Kakis können entweder PG-Enzyme fehlen oder sie haben sehr niedrige PG-Werte und wurden daher noch nicht nachgewiesen. In diesen Fällen können andere Enzyme den Reifungsprozess katalysieren.
Pollen
Exo-PGs spielen eine Rolle bei der Ermöglichung der Pollenschlauchverlängerung, da eine Pektinumlagerung für das Wachstum der Pollenschläuche notwendig ist . Diese PG-Aktivität wurde in Gräsern wie Mais sowie in Bäumen, insbesondere in der östlichen Pappel gefunden . Exo-PGs, die am Pollenschlauchwachstum beteiligt sind, benötigen Ca 2+ für eine maximale enzymatische Aktivität und können durch hohe Konzentrationen von NaCl , Citrat und EDTA gehemmt werden .
Abszisionszonen
Es ist weitgehend unklar, ob PGs bei bestimmten Pflanzen eine Rolle bei der Erleichterung der Abszission spielen und wenn ja, ob sie exo- oder endo wirken. Es wurden widersprüchliche Forschungen veröffentlicht, zum Beispiel, ob PG an der Abspaltung von Zitrusfrüchten beteiligt ist. Ein besonderes Problem war die Verwendung von Assays , die nicht zur Messung der exo-PG-Aktivität geeignet sind. Eine zusätzliche Komplikation ist der Unterschied in der enzymatischen Aktivität von PG zwischen den Zelltrennzonen von Früchten und Blättern. Bei Pfirsich wurde PG-Aktivität nur in Fruchtabszisionszonen nachgewiesen.
Sonstiges
Landwirtschaftliche Schädlinge wie Lygus hesperus schädigen Baumwolle und andere Nutzpflanzen, weil sie PGs in ihrem Speichel absondern, die Pflanzengewebe verdauen. Sie verwenden sowohl Exo- als auch Endo-PGs.
Hemmung
Phytopathogene Pilze setzen Pflanzenzellwände Zellwand abbauenden Enzymen (CWDEs) wie PGs aus. Als Reaktion darauf haben die meisten Pflanzen natürliche Inhibitorproteine , die die hydrolytische Aktivität von PG verlangsamen. Diese Inhibitoren führen auch zur Akkumulation von langkettigen Oligogalakturoniden, um einen Abwehrmechanismus gegen den Angriff zu fördern. Die Polygalacturonase-Inhibitor-Proteine (PGIPs) sind leucinreiche Wiederholungsproteine , von denen berichtet wurde, dass sie sowohl eine nicht-kompetitive als auch eine kompetitive Hemmung von PGs zeigen. Das aktive Zentrum von PG interagiert mit einer Tasche, die mehrere polare Aminosäuren in Phaseolus vulgaris PGIP2 enthält. Der Inhibitor verhindert die Substratbindung, indem er das aktive Zentrum besetzt, was zu einer kompetitiven Hemmung führt .
Die Kristallstrukturen für PGIP und PGIP2 wurden für die Bohne P. vulgaris bestimmt . Die geladenen und polaren Reste, die mit dem aktiven Zentrum von PG interagieren, wurden in P. vulgaris als D131, S133, T155, D157, T180 und D203 identifiziert . Unter Verwendung von PGIP2 als Vorlage wurden die theoretischen Strukturen anderer PGIPs für einige andere gängige Kulturpflanzen bestimmt.
