|
(Last
modification:
05. April 2009)
Stilbencarboxylat-Synthase (STCS): Einfach eine 'Degenerierte' STS oder CHS ? -
Diese Seite diskutiert die Synthese von Stilbencarboxylaten. Wie auf anderen Seiten besprochen, muss man bei den meisten solcher Naturstoffe aus Pflanzen (z.B. in Hydrangea macrophylla, Marchantia polymorpha) postulieren, dass ein zusätzlicher Reduktionsschritt eingebaut ist: Sie sollten sich auch die Seite ansehen, welche die Rolle von Reduktasen in der Biosynthese von Stilbencarboxylaten diskutiert:
Mehr....
Diese Seite ist in mehrere
Kapitel aufgeteilt:
Einleitung
Formal sieht die Stilbencarboxylat-Synthase (STCS) Reaktion gerade so aus wie eine Stilbensynthase-Reaktion, ausser dass die terminale Carboxylgruppe erhalten bleibt, wie in Fig. 1 mit 4-Coumaroyl-CoA als Substrat und 5-Hydroxyhydrangeinsäure als Produkt gezeigt.
 Fig. 1.
Die Reaktionen von Stilbensynthase (STS), Stilbencarboxylat-Synthase (STCS), und 4-Coumaroyl-Triacetat-Synthase (CTAS). Die
Farben markieren die drei Kondensationsreaktionen. CTAL, das Produkt der CTAS, wird hier gezeigt, da es häufig als Nebenprodukt in CHS-, STS-, und STCS-Reaktionen gefunden wird, und später auf dieser Seite noch in anderer Rolle besprochen wird.
Jedoch, diese apparente Ähnlichkeit könnte irreführend sein. Ein Grund für neues Nachdenken darüber ist das Problem, die STCS-Aktivität tatsächlich in vitro nachzuweisen, mit Enzymen, die eigentlich STCS Aktivitäten haben sollten. Mit solchen Proteinen wurden STCS Produkte nur mit einem bestimmten Substrat erhalten (Dihydro-4-Coumaroyl-CoA), aber nicht mit dem eng verwandten 4-Coumaroyl-CoA (siehe Hydrangea macrophylla und Marchantia polymorpha). Ein weiterer Grund ist, dass nicht nur Modelle der STCS (H. macrophylla), sondern selbst die 3D-Struktur einer STCS (M. polymorpha) genauso so aussahen wie eine CHS, und wirkliche Unterschiede waren nicht erkennbar. Es wurde vermutet, dass eine der Hauptursachen wohl ist, dass eine in der Gesamt-Reaktionssequenz notwendige Reduktase bei diesen Experimenten fehlte. Ein anderer unklarer Punkt aber war: Warum sollte das zu einem so gravierenden Unterschied zwischen zwei ganz ähnlichen Substraten führen? Eine Interpretation wird weiter unten auf dieser Seite vorgestellt.
Zurück zum Seitenanfang
Was ist der Mechanismus des Ringschlusses zum Stilbencarboxylat?
Eine neue Sichtweise der Stilbencarboxylat-Bildung wird in der Publikation über die 3D-Struktur und die Mechanismen der STS besprochen (Austin et al., 2004, mehr...). Eine Zusammenfassung: Es könnte sein, dass die Bildung von Stilbencarboxylaten gar keine vollständige STS-Reaktion verlangt (also drei Kondensationen zum Tetraketid, und Enzym-katalysiertem Ringschluss zum Endprodukt), sondern nur die drei Kondensationen zum Tetraketid. Diese Idee stammt aus sehr frühen Experimenten, die zeigten, dass Polyketide frei in wässriger Lösung nicht nur Pyrone bilden (häufig als Nebenprodukte bei CHS und STS gefunden: mehr..., und auch bei den STCS!), sondern langsam und spontan eine Aldol-Kondensation zu den Carboxylaten durchführen, unter milden basischen oder sauren Bedingungen (Harris and Carney, 1966; 1967; Bentley and Zwitkowits, 1967; Harris and Harris, 1986). Es ist deshalb möglich, dass die STCS-Inkubationen einfach zu kurz waren, als dass die Umwandlung in das Carboxylat effektiv stattfinden konnte.
Es könnte also sein, dass nicht das Stilbencarboxylat das enzymatische Produkt ist, sondern das Tetraketid, und dass alles andere nicht-enzymatisch abläuft. Fig. 2 fasst diese Vorstellung zusammen, mit 4-Coumaroyl-CoA als Substrat. Das Modell lässt offen, ob das freigesetzte Produkt das Tetraketid ist oder das Tetraketid-Pyron. Aber das ist nicht kritisch für den Gesamtablauf, da auf lange Sicht bei geeignetem pH das Carboxylat das Endprodukt sein sollte.
 Fig. 2.
Modell für die Bildung von Stilbencarboxylaten: Es ist möglich, dass die PKS nur die drei Kondensationen zum Tetraketid durchführt, und dass die weiteren Schritte nicht-enzymatisch ablaufen.
Die Schlussfolgerungen aus diesem Modell sind ganz interessant. Einige werden hier aufgeführt; ich bin sicher, dass die Liste ergänzt werden kann. -
Wenn das Modell richtig ist: Sind Stilbencarboxylat-Synthasen einfach 'degenerierte' Stilbensynthasen oder Chalconsynthasen, welche die Fähigkeit verloren haben, die korrekten Aldolkondensationen zum Stilben oder die Claisen-Kondensation zum Chalcon durchzuführen? -
Enzyme mit Verlust der Stilben- oder Chalcon-Bildungs Kapazität werden nicht selten unbeabsichtigt im Laufe von Mutagenese-Studien erzeugt (siehe z.B. Suh et al., 2000; Jez et al., 2001; Abe et al., 2006): Sind das nun Stilbencarboxylat-Synthasen (STCS) in vivo? Die Frage ist natürlich, ob jemand nach solchen Produkten gesucht hat, und ob Stilbencarboxylat-Typ Produkte nach den üblichen kurzen Inkubationszeiten überhaupt schon da gewesen sein können. -
Es gibt Beispiele von Typ III PKS aus Pflanzen, die als CTAS definiert wurden, weil sie in vitro praktisch nur CTAL synthetisierten, z.B. Zheng et al. (2001): Könnten dies Stilbencarboxylat-Synthasen in vivo sein? Dieser Verdacht liegt sicher sehr nahe bei der Typ III PKS aus Hydrangea macrophylla var. thunbergii, die als CTAS beschrieben wurde (Akiyama et al., 1999), denn diese Pflanze enthält Stilbencarboxylate (mehr...).
Zurück zum Seitenanfang
Beeinflussen Substrateigenschaften die Fähigkeit zur Bildung von Stilbencarboxylaten ?
Ein anderer interessanter Punkt könnte relevant sein für das Verständnis der in vitro Ergebnisse mit den STCS aus Hydrangea macrophylla und Marchantia polymorpha. Die Geschwindigkeit der Reaktionen vom Polyketid zum Carboxylat ist anscheinend abhängig von den Substituenten (d.h. in unserem Zusammenhang: Starter-Substrate der PKS-Reaktion) (Howarth et al., 1969; Harris and Harris, 1986). Im Vergleich der Tetraketide von Dihydro-4-Coumaroyl-CoA und 4-Coumaroyl-CoA würde man erwarten, dass das letztere viel langsamer in der Umwandlung zum Carboxylat sein sollte, weil es in der Enol-Konfiguration ein stabilisiertes System konjugierter Doppelbindungen ausbildet, und zwar über das ganze Molekül; dies ist nicht der Fall mit dem Tetraketid aus Dihydro-4-Coumaroyl-CoA (Fig. 3). Die Vermutung liegt nahe, dass dieser Unterschied einer der Hauptgründe für das Ergebnis ist, dass ein Stilbencarboxylat mit Dihydro-4-Coumaroyl-CoA in vitro erhalten wurde, aber nicht mit 4-Coumaroyl-CoA.
Fig. 3.
Unterschied zwischen 4-Coumarat und Dihydro-4-Coumarat: Die zusätzliche Doppelbindung in 4-Coumarat hat einen entscheidenden Effekt auf die Ausdehnung des konjugierten Doppelbindungs-Systems in der Enol-Konfiguration des Tetraketids.
Zurück zum Seitenanfang
Was ist die Rolle von Reduktasen in der biosynthetischen Reaktions-Sequenz?
Wie schon oben angedeutet, enthält die Reaktions-Sequenz zu den in der Natur vorkommenden Stilbencarboxylaten einen Reduktionsschritt (mehr Details auf einer anderen Seite). Hier soll nur ein Aspekt angesprochen werden, der im Zusammenhang mit den funktionellen Unterschieden zwischen Dihydro-4-Coumaroyl-CoA und 4-Coumaroyl-CoA gesehen werden kann: Die mögliche Rolle eines extensiven konjugierten Doppelbindungs-Systems bei Ausbildung der Carboxylate (wie gerade besprochen, s. vorheriger Abschnitt). Die Reduktion wandelt eine Ketogruppe in eine Hydroxylgruppe um, wie in Fig. 4 gezeigt. In der Enol-Konfiguration des Tetraketids macht dies einen dramatischen Unterschied: Es kann sich beim 4-Coumaroyl-Tetraketid kein konjugiertes Doppelbindungs-System mehr ausbilden, welches sich über das ganze Molekül erstreckt. Der prinzipielle Effekt ist der gleiche wie beim Tetraketid aus Dihydro-4-Coumaroyl-CoA (Fig. 3).
However, there is one important difference: the position of the single bond
interrupting the conjugated system is different! This could be a decisive
difference: would such a molecule even
be capable of slipping into the pyrone ring system configuration? The missing
double bond may be blocking that completely, thus making the ring closure to the
carboxylic acid the most favoured reaction.
Wenn diese Modelle zutreffend sind: Dann könnte es sein, dass die Reduktion eine entscheidende Rolle darin spielt, dass Stilbencarboxylat-Ring-Systeme schnell und effektiv ausgebildet werden.
So ungewöhnlich ist es ja nicht, dass eine Modifikation eines Intermediats kritisch ist für die Ausbildung des 'richtigen' Endproduktes. Ganz zu schweigen von den komplexen Polyketidsynthesen in Bakterien, bei denen das seit langem bekannt ist: Auch in Pflanzen gibt es Beispiele dafür mit Typ III PKS, besonders mit Modifikation durch Reduktasen, z.B. in der
Plumbagin- und in der
Chrysophanol-Biosynthese; in beiden Fällen erhält man nur 'Derailment'-Produkte in Abwesenheit der Reduktasen.
Fig. 4.
Modell
für die Rolle eines Reduktionsschrittes in der Biosynthese von Hydrangeinsäure:
Die Reduktion unterbricht das ausgedehnte System konjugierter
Doppelbindungen in der Enolkonfiguration.
Zurück
zum Seitenanfang
Zitate -
Abe, I., Watanabe, T., Lou, W., Noguchi, H., 2006. Active site residues governing substrate selectivity and polyketide chain length in aloesone synthase. FEBS Journal 273, 208-218.
Zurück -
Akiyama, T., Shibuya, M., Liu, H. M., Ebizuka, Y., 1999. p-Coumaroyltriacetic acid synthase, a new homologue of chalcone synthase, from Hydrangea macrophylla var. thunbergii. European Journal of Biochemistry 263, 834-839.
Zurück -
Austin, M.B.; Bowman, M.E.; Ferrer, J.-L.; Schröder, J.; Noel ,J.P.: An aldol switch discovered in stilbene synthases mediates cyclization specificity of type III polyketide synthases. Chemistry & Biology 11, 1179-1194 (2004)
Stilbene synthase (STS) and chalcone synthase (CHS) each catalyze the formation of a tetraketide intermediate from a CoA-tethered phenylpropanoid starter and three molecules of malonyl-CoA, but use different cyclization mechanisms to produce distinct chemical scaffolds for a variety of plant natural products. Here we present the first STS crystal structure, and identify, by mutagenic conversion of alfalfa CHS into a functional stilbene synthase, the structural basis for the evolution of STS cyclization specificity in type III polyketide synthase (PKS) enzymes. Additional mutagenesis and enzymatic characterization confirms that electronic effects rather than steric factors balance competing cyclization specificities in CHS and STS. Finally, we discuss the problematic in vitro reconstitution of plant stilbenecarboxylate pathways, using insights from existing biomimetic polyketide cyclization studies to generate a novel mechanistic hypothesis to explain stilbenecarboxylate biosynthesis.
Sonderdruckanfrage
Mehr>>
Zurück -
Bentley, R., Zwitkowits, P. M., 1967. Biosynthesis of tropolones in Penicillium stipitatum. VII. The formation of polyketide lactones and other nontropolone compounds as a result of ethionine inhibition. Journal of the American Chemical Society 89, 676-680. -
Harris, T. M., Carney, R. L., 1966. Biogenetically modeled synthesis of ß-resorcylic acids. Journal of the American Chemical Society 88, 2053-2054. -
Harris, T. M., Carney, R. L., 1967. Synthesis of 3,5,7-triketo acids and esters and their cyclizations to resorcinol and phloroglucinol derivatives. Models of biosynthesis of phenolic compounds. Journal of the American Chemical Society 89, 6734-6741. -
Harris, T. M., Harris, C. M., 1986. Biomimetic syntheses of aromatic polyketide metabolites. Pure and Applied Chemistry 58, 283-294. -
Howarth, T. T., Murphy, G. P., Harris, T. M., 1969. Preparation and biogenetic-type aromatizations of tetraacetic acid (3,5,7-trioxooctanoic acid). Journal of the American Chemical Society 91, 517-518. -
Jez, J. M., Bowman, M. E., Noel, J. P., 2001. Structure-guided programming of polyketide chain-length determination in chalcone synthase. Biochemistry 40, 14829-14838.
Zurück -
Suh, D.-Y., Fukuma, K., Kagami, J., Yamazaki, Y., Shibuya, M., Ebizuka, Y., Sankawa, U., 2000. Identification of amino acid residues important in the cyclization reactions of chalcone and stilbene synthases. Biochemical Journal 350, 229-235.
Zurück -
Zheng, D. S., Schröder, G., Schröder, J., Hrazdina, G., 2001.
Molecular and biochemical characterization of three aromatic polyketide synthase genes from Rubus idaeus. Plant Molecular Biology 46, 1-15.
Sonderdruckanfrage
Zurück
Zurück zum Seitenanfang
File History:
.
|
