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(Last
modification: 01. October 2009)
Vorschlag: Typ III PKS in
der Biosynthese von Psilotonin in Psilotum nudum
Psilotum nudum gilt als
sehr ursprünglicher Farn (mehr...),
mit Psilotonin als sehr interessantem Inhaltsstoff. In
diesem Fall scheint aus Vorstufen-Fütterungsexperimenten ganz klar zu sein, dass
er sich von einem Diketid
ableitet, welches mit einer Kondensation aus 4-Coumaroyl-CoA gebildet wird
(siehe Fig. unten) (Leete et al., 1982).
Das Enzym wurde bisher jedoch noch nicht nachgewiesen.
Dieser Fall ist auch ein sehr schönes Beispiel für etwas anderes: Das Fehlen der 4-Hydroxygruppe im Pyron-Ring ist ein
klarer Hinweis, dass es einen Reduktions-Schritt bei der Biosynthese geben muss,
aber es ist nicht klar, wann dieser genau stattfindet. Solche Reduktasen und
ihre Interaktion mit Typ III PKS sind bei der Biosynthese von 6'-Deoxychalcon
wohlbekannt (mehr...) und sie
werden auch bei der Biosynthese der Stilbencarboxylate (mehr...)
und anderer Naturstoffe postuliert (Anthrone,
Plumbagin). Sowohl bei den
Stilbencarboxylaten und ganz besonders bei der Biosynthese von Anthronen und
Plumbagin führt das Fehlen der postulierten Reduktase in vitro dazu, dass nicht die
erwarteten Produkte gebildet werden.
Vielleicht sollte man in diesem Licht
einige unerwartete Ergebnisse mit der Klonierung von PKS aus
Psilotum nudum betrachten. Mehrere cDNAs für Typ III PKS wurden aus dieser
Pflanze isoliert und die Proteine wurden funktionell analysiert (Yamazaki
et al., 2001). Neben der erwarteten CHS wurden cDNAs für folgende
Enzymaktivitäten erhalten, mit der Definition der Enzyme nach ihren
Substrat-Präferenzen und Reaktions-Typen in vitro: Eine
Valerophenon-Synthase (VPS) und zwei Stilbensynthasen (STS, vom Typ
Pinosylvinsynthase, da Cinnamoyl-CoA ein besseres Substrat als 4-Coumaroyl-CoA
war). Aber in beiden Fällen sind davon abgeleitete Naturstoffe aus Psilotum
nudum gar nicht bekannt: Was machen die Enzyme in vivo?
Interessanterweise gab es noch eine cDNA für eine fünfte Typ III PKS, aber das
Protein war recht ungewöhnlich: Es enthielt Gln an der Position des His303,
welches ein essentieller Teils der katalytischen Triade ist. Das Protein hatte
mit keinem der vielen angebotenen Substrate irgendeine Aktivität. Da man
vermutete, dass dieser Austausch für die Inaktivität verantwortlich war, wurde
dieses Gln per Mutagenese durch das erwartete His ersetzt. Das nützte aber gar
nichts: Das Protein war immer noch inaktiv.
Frage: Könnte es sein, dass die
postulierte Psilotonin-Synthase zwar bereits in einem dieser Klone versteckt
ist, aber nicht nachgewiesen werden kann, weil die postulierte Reduktase fehlt?
Es sollte angemerkt werden, dass die Autoren trotz intensiver Suche keine
anderen Typ III PKS cDNA fanden. Oder ist es möglich, dass dies gar keine Typ
III PKS ist? Scheint unwahrscheinlich, aber ist sicherlich nicht ausgeschlossen,
solange man keine Information über die Enzymaktivität hat.
Biosynthese von Psilotonin.
Vorstufen-Fütterungsexperimente zeigen, dass es höchstwahrscheinlich aus
4-Coumaroyl-CoA nach einer Kondensation mit Malonyl-CoA synthetisiert wird. Die
Reaktionssequenz muss einen Reduktions-Schritt
enthalten, wie der Vergleich mit dem aus CHS-Reaktionen bekannten Nebenprodukt (mehr...)
nach einer Kondensations-Reaktion zeigt.
Anmerkung: Es gibt eine zweite verwandte Substanz, aber in viel geringeren
Konzentrationen, Hydroxy-Psilotonin: Die Vorstufe dazu muss Caffeoyl-CoA sein.
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Zitate
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Leete, E., Muir, A., Towers, G. H. N., 1982. Biosynthesis of
psilotin from [2',3'-13C2,1'-14C,4-3H]phenylalanine
studied with 13C-NMR. Tetrahedron Letters 23, 2635-2638.
The 6-phenyl-dihydro-a-pyrone moiety of psilotin is formed from
[2',3'-13C2,1'-14C,4-3H]phenylalanine
in the plant Psilotum nudum with retention of all the isotopes.
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-
Yamazaki, Y., Suh,
D.-Y., Sitthithaworn, W., Ishiguro, K., Kobayashi, Y., Shibuya, M.,
Ebizuka, Y., Sankawa, U., 2001. Diverse chalcone synthase superfamily
enzymes from the most primitive vascular plant, Psilotum nudum.
Planta 214, 75-84.
Psilotum nudum Griseb is a pteridophyte and
belongs to the single family (Psilotaceae) of the division, Psilophyta.
Being the only living species of a once populated division, P. nudum
is the most primitive vascular plant. Chalcone synthase (CHS; EC
2.3.1.74) superfamily enzymes are responsible for biosyntheses of
diverse secondary metabolites, including flavonoids and stilbenes. Using
a reverse transcription-polymerase chain reaction strategy, four
CHS-superfamily enzymes (PnJ, PnI, PnL and PnP) were cloned from P.
nudum, and heterologously expressed in Escherichia coli.
These four enzymes of 396-406 amino acids showed sequence identity of
>50% among themselves and to other higher-plant CHS-superfamily enzymes.
PnJ and PnP preferred p-coumaroyl-CoA and isovaleryl-CoA,
respectively, as starter CoA and catalyzed CHS-type ring formation,
indicating that they are CHS and phloriso valerophenone synthase,
respectively. On the other hand, PnI and PnL preferred cinnamoyl-CoA as
starter CoA and catalyzed stilbene synthase-type cyclization and thus
were determined to be pinosylvin synthases (EC 2.3.1.146). In addition,
PnE, which uniquely contains a glutamine in place of otherwise strictly
conserved histidine, had no apparent in vitro catalytic
activity. Phylogenetic analysis indicated that these P. nudum
clones form a separate cluster together with Equisetum arvense
CHS. This cluster of pteridophytes is located next to the cluster formed
by pine (gymnosperm) enzymes, in agreement with their evolutionary
relationships. Psilotum nudum represents a plant with the most
diverse CHS-superfamily enzymes and this ability to diverge may have
provided a survival edge during evolution.
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