La mirosinasa ( EC 3.2.1.147 , tioglucósido glucohidrolasa , sinigrinasa y sinigrasa ) es una familia de enzimas involucradas en la defensa de las plantas contra los herbívoros , específicamente la bomba de aceite de mostaza . La estructura tridimensional se ha aclarado y está disponible en el PDB (ver enlaces en el cuadro de información).
Tioglucosidasa (mirosinasa) | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 3.2.1.147 | |||||||
No CAS. | 9025-38-1 | |||||||
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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Un miembro de la familia de las glucósido hidrolasas , la mirosinasa posee varias similitudes con las O- glucosidasas más ubicuas . [2] [3] Sin embargo, la mirosinasa es la única enzima conocida que se encuentra en la naturaleza y que puede escindir una glucosa unida a tio . Su función biológica conocida es catalizar la hidrólisis de una clase de compuestos llamados glucosinolatos . [4]
Actividad de mirosinasa
La mirosinasa se considera una enzima relacionada con las defensas y es capaz de hidrolizar los glucosinolatos en varios compuestos, algunos de los cuales son tóxicos. [5]
Mecanismo
La mirosinasa cataliza la reacción química
- un tioglucósido + H 2 O un azúcar + un tiol
Así, los dos sustratos de esta enzima son el tioglucósido y el H 2 O , mientras que sus dos productos son el azúcar y el tiol .
En presencia de agua , la mirosinasa separa el grupo glucosa de un glucosinolato . La molécula restante luego se convierte rápidamente en un tiocianato , un isotiocianato o un nitrilo ; estos son los principios activos que sirven de defensa a la planta. La hidrólisis de glucosinolatos por mirosinasa puede producir una variedad de productos, dependiendo de diversas condiciones fisiológicas como el pH y la presencia de ciertos cofactores . Se ha observado que todas las reacciones conocidas comparten los mismos pasos iniciales. (Ver Figura 2). Primero, el enlace β-tioglucósido es escindido por mirosinasa, liberando D-glucosa . El resultante aglicona se somete a una espontánea Lossen -como reordenamiento, la liberación de un sulfato . El último paso del mecanismo está sujeto a la mayor variedad en función de las condiciones fisiológicas en las que se produce la reacción. A pH neutro , el producto principal es el isotiocianato . En condiciones ácidas (pH <3), y en presencia de iones ferrosos o proteínas epitioespecíferas, se favorece en cambio la formación de nitrilos . [2] [6]
Cofactores e inhibidores
El ascorbato es un cofactor conocido de mirosinasa, que actúa como catalizador básico en la hidrólisis del glucosinolato . [1] [7] Por ejemplo, la mirosinasa aislada de daikon ( Raphanus sativus ) demostró un aumento en el V max de 2,06 μmol / min por mg de proteína a 280 μmol / min por mg de proteína en el sustrato, glucosinolato de alilo (sinigrina) cuando está en presencia de ascorbato 500 μM. [4] El sulfato , un subproducto de la hidrólisis del glucosinolato , ha sido identificado como un inhibidor competitivo de la mirosinasa. [4] Además, 2-F-2-desoxibencilglucosinolato, que se sintetizó específicamente para estudiar el mecanismo de la mirosinasa, inhibe la enzima atrapando uno de los residuos de ácido glutámico en el sitio activo , Glu 409. [3] [8]
Estructura
La mirosinasa existe como un dímero con subunidades de 60-70 kDa cada una. [9] [10] La cristalografía de rayos X de mirosinasa aislada de Sinapis alba reveló que las dos subunidades están unidas por un átomo de zinc. [7] Se cree que la prominencia de los puentes salinos , puentes disulfuro , enlaces de hidrógeno y glicosilación contribuyen a la estabilidad de la enzima , especialmente cuando la planta está bajo ataque y experimenta daño tisular severo. [2] Una característica de muchas β- glucosidasas son los residuos de glutamato catalítico en sus sitios activos , pero dos de ellos han sido reemplazados por un único residuo de glutamina en la mirosinasa. [3] [11] Se ha demostrado que el ascorbato sustituye la actividad de los residuos de glutamato. [1] (Consulte la Figura 3 para conocer el mecanismo).
Función biológica
Se sabe que la mirosinasa y su sustrato natural , el glucosinolato , forman parte de la respuesta de defensa de la planta . Cuando la planta es atacada por patógenos , insectos u otros herbívoros , la planta usa mirosinasa para convertir glucosinolatos , que de otra manera serían benignos, en productos tóxicos como isotiocianatos , tiocianatos y nitrilos . [2]
Compartimentación en plantas
El sistema defensivo glucosinolato-mirosinasa está empaquetado en la planta de una manera única. Las plantas almacenan glucosinolatos de mirosinasa por compartimentación, de modo que estos últimos se liberan y activan solo cuando la planta está siendo atacada. La mirosinasa se almacena principalmente como granos de mirosina en las vacuolas de idioblastos particulares llamados células de mirosina, pero también se ha informado en cuerpos proteicos o vacuolas , y como enzimas citosólicas que tienden a unirse a las membranas. [12] [13] Los glucosinolatos se almacenan en "células S" adyacentes pero separadas. [14] Cuando la planta sufre daño tisular, la mirosinasa entra en contacto con los glucosinolatos , activándolos rápidamente en su potente forma antibacteriana. [2] Los más potentes de estos productos son los isotiocianatos , seguidos de los tiocianatos y los nitrilos . [15]
Evolución
Las plantas que se sabe que han desarrollado un sistema de defensa mirosinasa-glucosinolato incluyen: mostaza blanca ( Sinapis alba ), [9] berro de jardín ( Lepidium sativum ), [16] wasabi ( Wasabia japonica ), [17] daikon ( Raphanus sativus ), [18 ] [19] así como varios miembros de la familia Brassicaceae , incluyendo mostaza amarilla ( Brassica juncea ), [20] semilla de colza ( Brassica napus ), [21] y brassicas dietéticas comunes como brócoli , coliflor , repollo , bok choy y col rizada . [2] El regusto amargo de muchas de estas verduras a menudo se puede atribuir a la hidrólisis de glucosinolatos por daño tisular durante la preparación de alimentos o al consumir estas verduras crudas. [2] Las semillas de papaya utilizan este método de defensa, pero no la pulpa de la fruta en sí. [22]
La mirosinasa también se ha aislado del pulgón de la col . [23] Esto sugiere la coevolución del pulgón de la col con su principal fuente de alimento. El pulgón emplea una estrategia de defensa similar a la de las plantas. Como su principal fuente de alimento, el pulgón de la col compartimenta su mirosinasa nativa y los glucosinolatos que ingiere. Cuando el pulgón de la col es atacado y sus tejidos se dañan, los glucosinolatos almacenados se activan, produciendo isotiocianatos y disuadiendo a los depredadores de atacar a otros pulgones. [24]
Relevancia histórica y aplicaciones modernas
Agricultura
Históricamente, cultivos como colza que contenía el sistema de glucosinolatos-mirosinasa fueron deliberadamente criados para minimizar el contenido de glucosinolatos, ya que de colza en la alimentación animal estaba demostrando tóxica para el ganado . [25] Se ha investigado el sistema glucosinolato-mirosinasa como posible biofumigante para proteger los cultivos contra las plagas. Los potentes productos de hidrólisis de glucosinolatos (BPH) podrían rociarse sobre cultivos para disuadir la herbivoría. Otra opción sería utilizar técnicas de ingeniería genética para introducir el sistema glucosinolato-mirosinasa en los cultivos como medio para fortalecer su resistencia a las plagas. [15]
Salud humana
Se sabe que los isotiocianatos , el producto principal de la hidrólisis del glucosinolato, previenen la captación de yodo en la tiroides , lo que provoca bocios . [26] También se sabe que los isotiocianatos en altas concentraciones causan hepatotoxicidad o daño hepático. [4] Sin embargo, estudios más recientes han demostrado que las dietas ricas en vegetales que contienen glucosinolatos, como las brassicas dietéticas, se han asociado con menores riesgos de enfermedades cardíacas, diabetes y cáncer. [2] [27] Se ha demostrado que los isotiocianatos inducen las enzimas de desintoxicación de fase II involucradas en el metabolismo xenobiótico de carcinógenos . [28] Existe una creciente evidencia que sugiere que una enzima similar a la mirosinasa también puede estar presente en miembros del microbioma intestinal humano . Aunque la mirosinasa, como muchas enzimas , se desnaturalizará a altas temperaturas y perderá así su actividad cuando se cocine, un microbio intestinal capaz de catalizar la misma hidrólisis de glucosinolatos podría activar los glucosinolatos ingeridos en sus formas más potentes, por ejemplo, isotiocianatos. [29] [30]
Según un artículo de The New England Journal of Medicine , una mujer china que consumía de 1 a 1,5 kg (2,2 a 3,3 lb) de bok choy crudo al día desarrolló hipotiroidismo severo debido a la ingestión excesiva de mirosinasa. [31]
Referencias
- ^ a b c Burmeister, WP; Cottaz, S .; Rollin, P .; Vasella, A .; Henrissat, B. (2000). "Cristalografía de rayos X de alta resolución muestra que el ascorbato es un cofactor de mirosinasa y sustituye a la función de la base catalítica" . Revista de Química Biológica . 275 (50): 39385–39393. doi : 10.1074 / jbc.M006796200 . PMID 10978344 .
- ^ a b c d e f g h yo Halkier, BA; Gershenzon, J. (2006). "Biología y bioquímica de glucosinolatos". Revisión anual de biología vegetal . 57 : 303–333. doi : 10.1146 / annurev.arplant.57.032905.105228 . PMID 16669764 .
- ^ a b c d Huesos, AM; Rossiter, JT (2006). "La descomposición enzimática y químicamente inducida de glucosinolatos". Fitoquímica . 67 (11): 1053–1067. doi : 10.1016 / j.phytochem.2006.02.024 . PMID 16624350 .
- ^ a b c d Shikita, M .; Fahey, JW; Golden, TR; Holtzclaw, D .; y Talalay, P. (2000). "Un caso inusual de" activación no competitiva "por ácido ascórbico: Purificación y propiedades cinéticas de una mirosinasa de plántulas de Raphanus sativus" . Revista de bioquímica . 341 (3): 725–732. doi : 10.1042 / 0264-6021: 3410725 . PMC 1220411 . PMID 10417337 .
- ^ Una transcripción inducible por heridas y metil jasmonato que codifica una proteína asociada a mirosinasa con similitudes con una nodulina temprana
- ^ Lambrix, V .; et al. (2001). "La proteína epitioespecificadora de Arabidopsis promueve la hidrólisis de glucosinolatos a nitrilos e influye en Trichoplusia ni Herbivory" . La célula vegetal . 13 (12): 2793–2807. doi : 10.1105 / tpc.010261 . PMC 139489 . PMID 11752388 .
- ^ a b Burmeister, WP; Cottaz, S .; Driguez, H .; Iori, R .; Palmieri, S .; Henrissat (1997). "Las estructuras cristalinas de la mirosinasa de Sinapis alba y un intermedio covalente de glicosil-enzima proporcionan información sobre el reconocimiento del sustrato y la maquinaria del sitio activo de una S-glicosidasa". Estructura . 5 (5): 663–675. doi : 10.1016 / s0969-2126 (97) 00221-9 . PMID 9195886 .
- ^ Cottaz, S .; Rollin, P .; Driguez, H. (1997). "Síntesis de 2-desoxi-2-fluoroglucotropeolina, un inhibidor de tioglucosidasa". Investigación de carbohidratos . 298 (1–2): 127–130. doi : 10.1016 / s0008-6215 (96) 00294-7 .
- ^ a b Björkman, R .; Janson, J.-C. (1972). "Estudios sobre mirosinasas". Biochim. Biophys. Acta . 276 (2): 508–518. doi : 10.1016 / 0005-2744 (72) 91011-X .
- ^ Pessina, A .; Thomas, RM; Palmieri, S .; Luisi, PL (1990). "Un método mejorado para la purificación de mirosinasa y su caracterización fisicoquímica". Arco. Biochem. Biophys . 280 (2): 383–389. doi : 10.1016 / 0003-9861 (90) 90346-Z .
- ^ Henrissat, B .; Davies, JG (2000). "Glucósido hidrolasas y glucosiltransferasas: familias, módulos e implicaciones para la genómica" . Fisiología vegetal . 124 (4): 1515-1519. doi : 10.1104 / pp.124.4.1515 . PMC 1539306 . PMID 11115868 .
- ^ Luthy, B; Matile, P (1984). "La bomba de aceite de mostaza: análisis rectificado de la organización subcelular del sistema mirosinasa". Biochemie und Physiologie der Pflanzen . 179 (1–2): 5–12. doi : 10.1016 / s0015-3796 (84) 80059-1 .
- ^ Andréasson, E. (2001). "Distribución diferente de mirosinasa e idioblastos en Arabidopsis y Brassica napus" . Fisiología vegetal . 127 (4): 1750-1763. doi : 10.1104 / pp.010334 . PMC 133578 . PMID 11743118 .
- ^ Koroleva, OA; et al. (2000). "Identificación de un nuevo tipo de célula rica en glucosinolatos en el tallo de la flor de Arabidopsis" . Plant Physiol . 124 (2): 599–608. doi : 10.1104 / pp.124.2.599 . PMC 59166 . PMID 11027710 .
- ^ a b Gimsing, AL; Kirkegaard, JA (2009). "Glucosinolatos y biofumigación: destino de los glucosinolatos y sus productos de hidrólisis en el suelo". Phytochem Rev . 8 : 299-310. doi : 10.1007 / s11101-008-9105-5 . S2CID 30626061 .
- ^ Durham, P .; Poulton, JE (1989). "Efecto de la castanospermina y polihidroxialcaloides relacionados sobre mirosinasa purificada de plántulas de Lepidium sativum" . Plant Physiol . 90 (1): 48–52. doi : 10.1104 / pp.90.1.48 . PMC 1061675 . PMID 16666767 .
- ^ Ohtsuru, M .; Kawatani, H. (1979). "Estudios sobre la mirosinasa de Wasabia japonica: Purificación y algunas propiedades de la mirosinasa de wasabi" . Agric. Biol. Chem . 43 (11): 2249–2255. doi : 10.1271 / bbb1961.43.2249 .
- ^ Iversen, T.-H .; Baggerud, C. (1980). "Actividad mirosinasa en plantas diferenciadas e indiferenciadas de Brassiaceae Z.". Z. Pflanzenphysiol . 97 (5): 399–407. doi : 10.1016 / s0044-328x (80) 80014-6 .
- ^ El-Sayed, Sanaa T .; Jwanny, Etidal W .; Rashad, Mona M .; Mahmoud, Abeer E .; Abdallah, Nadia M. (1995). "Glicosidasas en tejidos vegetales de algunas brassicaceae cribado de diferentes plantas crucíferas para la producción de glicosidasas". Bioquímica y Biotecnología Aplicadas . 55 (3): 219–230. doi : 10.1007 / BF02786861 . ISSN 0273-2289 .
- ^ Ohtsuru, M .; Hata, T. (1972). "Propiedades moleculares de múltiples formas de mirosinasa vegetal" . Agric. Biol. Chem . 36 (13): 2495–2503. doi : 10.1271 / bbb1961.36.2495 .
- ^ Lonnerdal, B .; Janson, J.-C. (1973). "Estudios sobre mirosinasas. II. Purificación y caracterización de una mirosinasa de colza (Brassica napus L.)". Biochim. Biophys. Acta . 315 (2): 421–429. doi : 10.1016 / 0005-2744 (73) 90272-6 .
- ^ Nakamura Yoshimasa (2007). "La semilla de papaya representa una rica fuente de isotiocianato biológicamente activo". Revista de Química Agrícola y Alimentaria . 55 (11): 4407–4413. doi : 10.1021 / jf070159w . PMID 17469845 .
- ^ Husebye, H. (2005). "La estructura cristalina a una resolución de 1,1 Å de una mirosinasa de insectos de Brevicoryne brassicae muestra su estrecha relación con las β-glucosidasas". Bioquímica y Biología Molecular de Insectos . 35 (12): 1311-1320. doi : 10.1016 / j.ibmb.2005.07.004 . PMID 16291087 .
- ^ Bridges, M .; et al. (2002). "La organización espacial del sistema glucosinolato-mirosinasa en áfidos especialistas en Brassica es similar a la de la planta huésped" . Actas de la Royal Society . 269 (1487): 187-191. doi : 10.1098 / rspb.2001.1861 . PMC 1690872 . PMID 11798435 .
- ^ Brabban, AD; Edwards, C. (1994). "Aislamiento de microorganismos degradantes de glucosinolatos y su potencial para reducir el contenido de glucosinolatos de la harina de colza" . Cartas de Microbiología FEMS . 119 (1–2): 83–88. doi : 10.1111 / j.1574-6968.1994.tb06871.x . PMID 8039675 .
- ^ Huesos, AM; Rossiter, JT (1996). "El sistema mirosinasa-glucosinolato, su organización y bioquímica". Physiologia Plantarum . 97 : 194-208. doi : 10.1111 / j.1399-3054.1996.tb00497.x .
- ^ Hayes, J .; Kelleher, MO; Eggleston, IM (2008). "Las acciones quimiopreventivas del cáncer de fitoquímicos derivados de glucosinolatos". Revista europea de nutrición . 47 : 73–88. doi : 10.1007 / s00394-008-2009-8 . PMID 18458837 .
- ^ Ahn, Y.-H .; et al. (2010). "Ajuste electrofílico del producto natural quimioprotector sulforafano" . PNAS . 107 (21): 9590–9595. doi : 10.1073 / pnas.1004104107 . PMC 2906893 . PMID 20439747 .
- ^ Cheng, D.-L .; Hashimoto, K .; Uda, Y. (2004). "Digestión in vitro de sinigrina y glucotropeolina por cepas únicas de Bifidobacterium e identificación de los productos digestivos". Toxicología alimentaria y química . 42 (3): 351–357. doi : 10.1016 / j.fct.2003.09.008 . PMID 14871576 .
- ^ Elfoul, L .; et al. (2001). "Formación de isotiocianato de alilo a partir de sinigrina en el tracto digestivo de ratas monoasociadas con una cepa colónica humana de Bacteroides thetaiotaomicron" . Cartas de Microbiología FEMS . 197 (1): 99–103. doi : 10.1111 / j.1574-6968.2001.tb10589.x . PMID 11287153 .
- ^ Chu M, Seltzer TF (2010). "Coma mixedematoso inducido por ingestión de bok choy crudo". La Revista de Medicina de Nueva Inglaterra . 362 (20): 1945–6. doi : 10.1056 / NEJMc0911005 . PMID 20484407 .