La cinamoil-CoA reductasa ( EC 1.2.1.44 ), denominada sistemáticamente cinamaldehído: NADP + oxidorreductasa (cinamoilación de CoA) pero comúnmente conocida por el acrónimo CCR, es una enzima que cataliza la reducción de un cinamoil-CoA sustituido a su cinamaldehído correspondiente , utilizando NADPH y H + y liberando CoA y NADP + libres en el proceso. [1] Los sustratos de cinamoil-CoA biológicamente relevantes comunes para CCR incluyen p-cumaroil-CoA y feruloil-CoA, que se convierten en p -cumaraldehído y coniferaldehído , respectivamente, [2] aunque la mayoría de los CCR muestran actividad hacia una variedad de otros cinamoil-CoA sustituidos también. [1] Catalizando el primer paso comprometido en la biosíntesis de monolignol , [3] esta enzima juega un papel crítico en la formación de lignina, un proceso importante en las plantas tanto para el desarrollo estructural como para la respuesta de defensa. [2]
Cinamoil-CoA reductasa | ||||||||
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![]() Estructura terciaria de CCR1 de Petunia x hybrida coloreada por elemento estructural secundario, generado a partir de 4R1S | ||||||||
Identificadores | ||||||||
CE no. | 1.2.1.44 | |||||||
No CAS. | 59929-39-4 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | |||||||
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Estructura
El primer CCR confirmado se aisló de la soja ( Glycine max ) en 1976. [4] Sin embargo, hasta ahora se han informado estructuras cristalinas para solo tres homólogos de CCR : Petunia x hybrida CCR1, Medicago truncatula CCR2, [1] y Sorghum bicolor CCR1. [5] Si bien la enzima cristaliza como un dímero asimétrico, se cree que existe como un monómero en el citoplasma, [2] [5] y cada proteína individual tiene una estructura bilobular que consta de dos dominios que rodean una gran hendidura interna vacía unión del sustrato. [1] Los CCR típicos tienen un peso molecular de alrededor de 36-38 kDa. [1] [4]
El dominio que contiene el extremo N de la enzima consta de varias hélices alfa y seis hebras beta que, además de una séptima hebra conectada al lado C-terminal de la enzima, forman una estructura de lámina beta paralela conocida como pliegue de Rossmann . En CCR, esta estructura de pliegues, un motivo común entre las proteínas, sirve como dominio de unión para NADPH. [1] El segundo dominio, que consta de varias hélices alfa, hebras beta y bucles extendidos , es responsable de unir el sustrato cinamoil-CoA. Estos dos dominios están situados de tal manera que los sitios de unión para NADPH y cinamoil-CoA se colocan cerca uno del otro en la interfaz de los lóbulos. [1] [5]
Aunque los intentos de cocristalizar la enzima con una cinamoil-CoA unida hasta ahora no han tenido éxito, los estudios de acoplamiento molecular indican que el segmento de CoA de estas moléculas se pliega para unirse a lo largo de la parte exterior de la hendidura entre dominios, [1] mientras que el fenilo -La porción que contiene de estos sustratos probablemente se adhiera en la parte más profunda de la hendidura. Esta parte interna del bolsillo contiene varios aminoácidos con cadenas laterales apolares necesarias para la estabilización del anillo de fenilo hidrófobo [1] [5] además de un residuo de tirosina importante para la formación de enlaces de hidrógeno con el grupo 4- hidroxilo del anillo . Se cree que las identidades particulares de los residuos apolares juegan un papel crítico en la determinación de la especificidad del sustrato. [1]
Mecanismo
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/8/82/CCR_mechanism.png/656px-CCR_mechanism.png)
El mecanismo para la reducción del tioéster de CoA al aldehído implica una transferencia de hidruro al carbono carbonilo desde NADPH, formando un intermedio tetraédrico con una carga formal negativa en el átomo de oxígeno. Se cree que esta carga negativa se estabiliza parcialmente mediante enlaces de hidrógeno con los átomos de hidrógeno de las cadenas laterales de tirosina y serina cercanas . [1] [5] Los residuos de serina y tirosina se conservan en todos los CCR como parte de una tríada catalítica junto con la lisina , que se cree que controla el pK a de la tirosina mediante interacciones electrostáticas con el grupo ribosa del NADPH. [1]
El intermedio tetraédrico luego colapsa, expulsando el CoA y formando un aldehído como producto final. [1] El tiolato de la CoA se protona cuando sale de un residuo cercano o después de que se libera de la bolsa de unión y de la enzima por completo; El mecanismo exacto no está claro actualmente, pero la evidencia sugiere que un residuo de cisteína puede desempeñar el papel de donante de protones tiolato. [1]
Función biológica
El análisis filogenómico indica que las enzimas con verdadera actividad CCR evolucionaron por primera vez en los ancestros de las plantas terrestres . Se cree que la mayoría, si no todas las plantas terrestres modernas y todas las plantas vasculares, tienen al menos un CCR funcional, un requisito absoluto para cualquier especie vegetal con tejidos lignificados. [6] La mayoría de los homólogos de CCR se expresan en gran medida durante el desarrollo, especialmente en células madre , raíz y xilema que requieren el soporte estructural mejorado proporcionado por la lignina. [2] [7] Sin embargo, ciertos CCR no se expresan de manera constitutiva durante el desarrollo y solo se regulan positivamente durante la lignificación mejorada en respuesta a factores estresantes como el ataque de patógenos . [3]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Monolignol_Biosynthesis_Pathway.png/580px-Monolignol_Biosynthesis_Pathway.png)
La CCR es especialmente importante porque actúa como un punto de control final para la regulación del flujo metabólico hacia los monolignol y, por lo tanto, también hacia la lignina; [7] antes de este paso de reducción, las cinamoil-CoA todavía pueden entrar en otras vías metabólicas especializadas expansivas. Por ejemplo, la feruloil-CoA es un precursor de la cumarina escopoletina , [8] un compuesto que se cree que juega un papel importante en la respuesta de los patógenos de las plantas. [9] CCR también juega un papel en la determinación de la composición de la lignina regulando los niveles de los diferentes monómeros de acuerdo con su actividad específica hacia cinamoil-CoA particulares. Las monocotiledóneas y dicotiledóneas , por ejemplo, tienden a tener patrones de lignina muy diferentes: la lignina que se encuentra en las monocotiledóneas típicamente tiene un porcentaje más alto de subunidades derivadas del alcohol p -cumaroílico , mientras que la lignina que se encuentra en las dicotiledóneas se compone casi en su totalidad de subunidades de alcohol coniferílico y alcohol sinapílico . [7] Como puede verse en el diagrama que se muestra a la derecha, estos monolignol se derivan directamente de sus aldehídos correspondientes, excepto en el caso del alcohol sinapílico, mientras que varios homólogos de CCR han demostrado actuar sobre la sinapoil-CoA in vitro , No está claro si esta actividad es biológicamente relevante y la mayoría de los modelos actuales de la vía de la lignina no incluyen esta reacción como un paso válido. [2] [10]
Estudios recientes indican que muchas especies de plantas tienen dos homólogos distintos de CCR con actividad diferencial en planta . En algunas plantas, los dos homólogos varían principalmente según la especificidad del sustrato. Por ejemplo, CCR1 de la leguminosa modelo Medicago truncatula muestra una fuerte preferencia por feruloil-CoA (típico de la mayoría de CCR), mientras que CCR2 de la planta muestra una clara preferencia tanto por p -cumaroil- como por cafeoil-CoA. Se cree que este segundo CCR, que es activado alostéricamente por sus sustratos preferidos pero inhibido por feruloil-CoA, actúa como parte de una vía de derivación hacia el coniferaldehído que mejora la flexibilidad y robustez general de la vía en diferentes condiciones. [11] Sin embargo, en otros casos, los dos homólogos varían principalmente según el patrón de expresión. En la planta modelo Arabidopsis thaliana , por ejemplo, los homólogos CCR1 y CCR2 muestran una mayor actividad hacia feruloil-CoA que otros sustratos, pero CCR2 solo se expresa transitoriamente durante la infección bacteriana . [3] El par homólogo en switchgrass ( Panicum virgatum difiere) en ambos sentidos: CCR2 prefiere p -coumaroyl- y cafeoil-CoA y sólo se expresa bajo condiciones inducidas específicamente, mientras que CCR1 prefiere feruloyl-CoA y se expresa constitutivamente en lignifying tejido. [12]
Se cree que la regulación de la expresión de CCR ocurre principalmente a nivel transcripcional . [11] En Arabidopsis thaliana , se han identificado varios de los factores de transcripción necesarios para la expresión de CCR, incluidos MYB58 y MYB63, ambos implicados generalmente en la formación de la pared celular secundaria. Se ha demostrado que la sobreexpresión de estos dos factores de transcripción da como resultado un aumento de 2 a 3 veces en las transcripciones de ARNm de CCR , aunque, curiosamente, la regulación positiva de genes más arriba en la ruta del monolignol es incluso mayor. [13] Sin embargo, la regulación no transcripcional de CCR también puede ser importante. En el arroz ( Oryza sativa ), por ejemplo, la evidencia sugiere que el homólogo CCR1 es un efector de Rac1, una pequeña GTPasa importante para la respuesta de defensa de la planta. En este caso, se propone que la proteína Rac1 active CCR al unirse, lo que conduce a una mejor biosíntesis de monolignol. Debido a que Rac1 también activa la NADPH oxidasa , que produce peróxidos críticos para la polimerización de monolignol , la biosíntesis general de lignina también mejora. [14]
Importancia biotecnológica
Los esfuerzos para diseñar la formación de la pared celular de las plantas para mejorar la producción de biocombustible comúnmente se dirigen a la biosíntesis de lignina con el fin de reducir el contenido de lignina y, por lo tanto, mejorar los rendimientos de etanol a partir de la celulosa , un polisacárido complejo importante para la estructura de la pared celular. [15] La lignina es problemática para la producción de biocombustibles porque es el principal contribuyente a la recalcitración de la biomasa vegetal debido a su dureza y heterogeneidad . Al reducir el contenido de lignina, la celulosa es más accesible a los reactivos químicos y biológicos utilizados para descomponerla. [16] La reducción del nivel de expresión de CCR en particular ha surgido como una estrategia común para lograr este objetivo, y esta estrategia ha resultado en una reducción exitosa del contenido de lignina y una mayor producción de etanol de varias especies de plantas, incluido el tabaco ( Nicotiana tabacum ) [3] y álamo ( Populus tremula x Populus alba ). [16] Los desafíos con esta estrategia incluyen la amplia variación en los niveles de expresión asociados con las tecnologías actuales de transformación genética de plantas , además de la dramática disminución en el crecimiento general y la biomasa que normalmente acompaña a la baja producción de lignina. [16] Sin embargo, se ha demostrado que dirigiendo la regulación a la baja de CCR a tipos de tejido específicos [17] o acoplándola a la regulación a la baja de la alcohol cinamílico deshidrogenasa (CAD), [18] este último desafío al menos puede mitigarse un poco. .
Referencias
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