Pektinesteras

Pektinesteras (PE) ( EC-kod 3.1.1.11 ) är ett utbrett cellväggsassocierat enzym som presenterar flera isoformer som bidrar till modifiering och efterföljande förstörelse av växtcellväggen. Det finns i alla högre växter och även i vissa bakterier och svampar . Pektinesteras verkar främst genom att ändra cellväggens lokala pH , vilket leder till kränkningar av cellväggens integritet.

Pektinesteras katalyserar avesterifieringen från pektin till pektat och metanol . Pektin är en av huvudkomponenterna i växtcellväggen. I växter spelar pektinesteras en viktig roll i cellväggsmetabolismen under fruktmognad. I växtpatogena bakterier såsom Erwinia carotovora och i svamppatogener såsom Aspergillus niger , är pektinesteras involverat i maceration och mjuk förruttnelse av växtvävnad. Växtpektinesteraser regleras av pektinesterashämmare, som är ineffektiva mot mikrobiella enzymer [2] .

Funktion

Nyligen genomförda studier har visat att manipulation av pektinesterasuttryck kan påverka många fysiologiska processer. Hos växter spelar pektinesteras en roll för att modulera cellväggens mekaniska stabilitet under fruktmognad , cellväggsförlängning under pollengroning och pollenrörstillväxt , abscission, stamförlängning , knölutbyte och rotutveckling . Pektinesteras har också visat sig spela en roll i växternas svar på patogenattacker. Det cellväggsbundna pektinesteraset av Nicotiana tabacum är involverat i igenkännandet av värdcellsreceptorn för rörelseproteinet från tobaksmosaikviruset, och denna interaktion har visat sig vara nödvändig för translokationen av viruset från cell till cell.

Effekten av pektinesteras på växtcellväggskomponenter kan orsaka två diametralt motsatta effekter. Den första är ett bidrag till förstärkningen av cellväggen på grund av bildandet av block av icke-förestrade karboxylgrupper , som kan interagera med kalciumjoner och bilda en pektatgel. För det andra kan frisättningen av protoner stimulera aktiviteten hos cellväggshydrolaser , vilket främjar att cellväggen lossnar.

Förestring av pektin

Pektiner utgör cirka 35 % av torrvikten av tvåhjärtade cellväggar . De polymeriseras i cis Golgi-cisternerna , metylförestrade i de mediala Golgi-cisternerna och förskjuts av sidokedjor i trans Golgi-cisternerna. Pektins biokemi kan vara ganska komplex, men för att uttrycka det enkelt, pektinets ryggrad består av 3 typer av polymerer: homogalakturonan (HGA); rhamnogalakturonan I (RGI); rhamnogalakturonan II (RGII).

Homogalakturonan är starkt förestrad av metyl vid export till cellväggar och avförestras därefter av pektinesteras och andra pektinenzymer. Pektinesteras katalyserar avesterifieringen av metylförestrade D-galaktosiduronsyraenheter i pektinföreningar, vilket ger substrat för depolymerisationsenzymer, särskilt sura pektiner och metanol .

De flesta renade växtpektinesteraser har neutrala eller alkaliska isoelektriska punkter och är bundna till cellväggen genom elektrostatiska interaktioner. Emellertid kan pektinesteraser uppvisa de sura isoelektriska punkterna som finns i de lösliga fraktionerna av växtvävnader. Fram till nyligen trodde man allmänt att växtpektinesteraser avlägsnar metylestrar gradvis, blockvis, vilket resulterar i långa, kontinuerliga sträckor av icke-förestrade GalA-rester i pektinets homogalakturonan-domäner . Alternativt ansågs svamppektinesteraser ha slumpmässig aktivitet som leder till avesterifiering av individuella GalA-rester på enzym/substrat-interaktioner. Det har nu visat sig att vissa växtpektinesterasisoformer kan uppvisa båda mekanismerna och att sådana mekanismer drivs av förändringar i pH . Det optimala pH-värdet för högre växter är vanligtvis mellan pH 7 och pH 8, även om svamp- och bakteriellt pektinesteras-pH vanligtvis är mycket lägre än detta värde.

Molekylärbiologi och biokemi

PE-proteiner syntetiseras som pre-proteiner med 540-580 aminosyror med en signalsekvens och en stor aminoterminal längd på cirka 22 kDa . Denna terminala förlängning tas så småningom bort, vilket resulterar i ett moget 34-37 kDa protein. De flesta PE saknar konsensussekvenser för N-glykosylering i det mogna proteinet, även om åtminstone ett ställe finns i den aminoterminala förlängningsregionen.

Den rumsliga och tidsmässiga regleringen av pektinesterasaktivitet under växtutveckling är baserad på en stor familj av isoformer. Nyligen har systematisk sekvensering av Arabidopsis thaliana-genomet lett till identifieringen av 66 öppna läsramar som är kommenterade som pektinesteraser, varav de flesta är kodade som stora pre-proproteiner. Signalpeptidens pre -region krävs för att rikta enzymet till det endoplasmatiska retikulumet och består av cirka 25 aminosyrarester. Dessa N-terminala regioner innehåller flera glykosyleringsställen och dessa ställen anses också spela en roll vid målsökning.

Pektinesteras tros utsöndras i den högmetylerade pektin-apoplasman, även om den N-terminala propeptiden vid någon tidpunkt längs denna sekretoriska väg spjälkas av. För närvarande är pro-regionens roll okänd, även om det har föreslagits att den kan fungera som en intramolekylär chaperon, vilket ger korrekt veckning eller inaktiverande aktivitet innan PE-insättningen i cellväggen är fullbordad.

På senare tid har särskild uppmärksamhet ägnats åt molekylära studier av pektinesteras, som har lett till karakteriseringen av flera besläktade isoformer i olika arter av högre växter. Vissa av dessa pektinesteraser har visat sig uttryckas allestädes närvarande, medan andra uttrycks specifikt under fruktmognad, pollenkornsgroning eller skaftförlängning. Sådana data tyder på att pektinester kodas av en familj av gener som är olika reglerade beroende på celltyp som svar på specifika utvecklings- eller miljösignaler.

Plantisoformer

I tvåhjärtbladiga växter har flera isoformer av pektinesteras identifierats, som skiljer sig åt i molekylvikt , isoelektrisk punkt och biokemisk aktivitet. Pektinesterasisoformer kodas av en familj av gener, av vilka några är konstitutivt uttryckta i hela växten, medan andra uttrycks olika i vissa vävnader och i olika utvecklingsstadier. Pektinesterasisoformer skiljer sig åt i olika biokemiska parametrar såsom relativ molekylvikt, isoelektrisk punkt, optimalt pH, substrataffinitet, jonbehov och placering.

Struktur

De N-terminala pektinesteraspropeptiderna skiljer sig i storlek och sekvens och uppvisar en låg nivå av aminosyraidentitet. Å andra sidan är den C-terminala katalytiska regionen mycket konserverad och är ett moget enzym. Den första tredimensionella strukturen som löstes för växtpektinesteras var för en isoform från roten av morot ( Daucus carota ) och består av en rät parallell β-helix, som ses i hela CE-8- familjen av kolhydratesteraser , en transmembrandomän , och en pektinbindande klyfta [3] . På liknande sätt har flera pektinesterasstrukturer klarlagts i svampar och E. coli och delar de flesta av de strukturella motiv som ses i växter.

Prokaryota och eukaryota pektinesteraser delar flera områden med sekvenslikhet. Kristallstrukturen hos Erwinia chrysanthemi pektinesteras avslöjade en beta-helixstruktur som liknar den hos pektinolytiska enzymer, även om den skiljer sig från de flesta strukturer av esteraser [4] . De förmodade katalytiska resterna är på samma plats som det aktiva stället och substratbindande klyftan av pektatlyaset.

Anteckningar

1. ↑ Fries, M.; Ihrig, J.; Brocklehurst, K.; Shevchik, V.E.; Pickersgill, RW (2007). "Molekylär grund för aktiviteten av fytopatogen pektinmetylesteras" . EMBO Journal . 26 (17): 3879-3887. doi : 10.1038/sj.emboj.7601816 . PMC2000356  . _ PMID  17717531 .
2. ↑ "Strukturell grund för interaktionen mellan pektinmetylesteras och ett specifikt hämmarprotein". Växtcell . 17 (3): 849-858. 2005. DOI : 10.1105/tpc.104.028886 . PMID  15722470 .
3. ↑ PDB 1GQ8 ; "Kristallstruktur av växtpektinmetylesteras". FEBS Lett . 514 (2-3): 243-9. Mars 2002. DOI : 10.1016/S0014-5793(02)02372-4 . PMID  11943159 .
4. ↑ PDB 1QJV ; "Tredimensionell struktur av Erwinia chrysanthemi pektinmetylesteras avslöjar ett nytt esterasaktivt ställe." J. Mol. biol . 305 (4): 951-960. 2001. doi : 10.1006/jmbi.2000.4324 . PMID  11162105 .

Länkar

• MeSH pektinesteras