Terpen‐Biosynthese: Modularitätsregeln

Abstract

1150 www.angewandte.de EinleitungTerpene oder Isoprenoide bilden die vielfältigste Naturstoffklasse und kommen in fast allen Lebensformen vor, wo sie unzählige Aufgaben -von hauptsächlich strukturellen (Cholesterin in Zellmembranen) bis funktionalen (Carotinoide bei der Photosynthese; Retinal beim Sehvorgang; Chinone beim Elektronentransfer) -übernehmen. [1] Tatsächlich leiten sich alle -zumindest teilweise -von den C 5 -Substraten Dimethylallyldiphosphat (DMAPP, 1; Schema 1) und Isopentenyldiphosphat (IPP, 2) ab: Normalerweise wird zunächst DMAPP in einer 1'-4-oder "Kopf-Schwanz"-Kondensation mit einem oder mehreren IPP-Molekülen unter Bildung von Geranyldiphosphat (GPP, 3; C 10 ), Farnesyldiphosphat (FPP, 4; C 15 ) oder Geranylgeranyldiphosphat (GGPP, 5; C 20 ) verknüpft. [2] FPP und GGPP kçnnen dann in "Kopf-Kopf"-Anordnung (manchmal auch als Schwanz-Schwanz-Anordnung bezeichnet [4] ) kondensieren, [3] um beispielsweise Dehydrosqualen (DHS, 6), Squalen (7) oder Phytoen (8) zu bilden, die Vorläufer von Carotinoiden wie b-Carotin (9), Sterolen wie Cholesterin (10) und Hopanoiden wie Bakteriohopantetrol (11) -einige der ältesten und häufigsten Naturstoffe. [1] Isoprenoide kçnnen auch verwendet werden, um Proteine posttranslational zu modifizieren (wichtig für die Signalübertragung in der Zelle), oder sie kçnnen zu zahlreichen Terpen-Naturstoffen cyclisiert werden: zu C 10 -Monoterpenen wie Menthol (12), C 15 -Sequiterpenen wie Farnesen (13) und Artemisinin (14) und C 20 -Diterpenen, die z. B. in Gibberellinsäure (15) und Taxol (16) überführt werden. Durch Pflanzen wird DMAPP in einem Ausmaß von ungefähr 100 Megatonnen pro Jahr in Isopren (17) umgewandelt -eine Reaktion, die als potenzielle Quelle für "erneuerbare" Brennstoffe und andere Produkte gegenwärtig interessant ist. [5] Die DMAPP-und IPP-Vorstufen werden über zwei verschiedene Reaktionswege synthetisiert: den Mevalonat- [6] und den Methylerythritolphosphat(MEP)-Weg. [7] Der Mevalonat-Weg wird von den meisten Eukaryoten (einschließlich Menschen) sowie von Archaebakterien [8] genutzt, während der MEP-Weg in den meisten Eubakterien vorkommt. Es gibt natürlich Ausnahmen, z. B. verwendet das Bakterium Staphylococcus aureus den Mevalonat-Weg, während (eukaryotische) Malariaparasiten den MEP-Weg nutzen. [9] In Pflanzen kommen beide Biosynthesewege vor, [7] wobei der MEP-Weg üblicherweise in den Plastiden zu finden ist und der Mevalonat-Weg im Cytosol: Sterole (Triterpene) werden über Mevalonat synthetisiert, während Hemi-, Mono-und Diterpene sowie Carotinoide (Tetraterpene) über MEP aufgebaut werden. Im Folgenden erläutern wir neuere Erkenntnisse bezüglich Struktur und Funktion bei vielen Schlüsselenzymen der Isoprenoid-Biosynthese: den Kopf-Terpene bilden die umfangreichste Klasse niedermolekularer Naturstoffe auf der Erde. Hier werden neuere Entwicklungen bei der Aufklärung von Struktur und Funktion der an der Terpen-Biosynthese beteiligten Proteine zusammengefasst. Die Strukturen dieser Enzyme bestehen aus sechs Hauptbausteinen oder Modulen (a,b,g,d,e und z...

Substratinduzierte Konformationsänderungen in Klasse‐I‐Terpencyclasen

“…Im Anschluss an die Substratbindung erfolgen die Abstraktion des Pyrophosphats (PP i ) und die Bildung des Allylkations. [13,14] Es werden Strukturveränderungen zwischen der offenen (apo) und der geschlossenen (Ligand-gebundenen) Konformation infolge von Metallionen-und Substratbindung beobachtet, die sich jedoch teilweise für Pflanzen [5,15] und Pilze [3,4] unterscheiden. Wie wir vor kurzer Zeit berichtet haben, erfolgt diese Cyclisierung durch Beteiligung eines Carbonylsauerstoffatoms, das im zentralen G1/2-Helixbruchmotiv lokalisiert ist, und durch den entsprechenden Helix-Dipol.…”

“…[2,12] In Terpencyclasen ist die Konservierung der Aminosäuresequenz niedrig, die Enzymstrukturen weisen jedoch eine weit verbreitete a-helikale Faltung auf. [13,14] Es werden Strukturveränderungen zwischen der offenen (apo) und der geschlossenen (Ligand-gebundenen) Konformation infolge von Metallionen-und Substratbindung beobachtet, die sich jedoch teilweise für Pflanzen [5,15] und Pilze [3,4] unterscheiden. Vor kurzem wurden Strukturdaten der bakteriellen epi-Isozizaen-Synthase (EIZS) aus Streptomyces coelicolor im Komplex mit PP i -(Mg 2+ ) 3 -BTAC (BTAC = Benzyltriethylammonium-Kation), vier Hg 2+ -Ionen und der ligandfreien D99N-Mutante erhalten.…”

Entropy is Key to the Formation of Pentacyclic Terpenoids by Enzyme‐Catalyzed Polycyclization

“…[7,8] It is known that these enzymes bind and stabilize the flexible substrate in the precise orientation required for catalysis through a unique cyclization sequence, trigger carbocation formation, and stabilize carbocations against premature quenching of water molecules present in the active site. [8][9][10][11] Pre-arranging the substrate for ring closure will inevitably be associated with a high entropic penalty because of the lost internal rotational degrees of freedom. [12] It is well known that this entropic cost plays an important role in intramolecular cyclization reactions, such as macrolactonizations, [13] that have highly ordered transition-state structures.…”

Isoprenoid Biosynthesis: Ferraoxetane or Allyl Anion Mechanism for IspH Catalysis?

“…[1] These molecules are produced from two isoprenoid (C 5 ) diphosphates: isopentenyl diphosphate (IPP, 1) and dimethylallyl diphosphate (DMAPP,2). [2] In plant plastids, IPP and DMAPP are produced primarily through the 2-C-methylerythritol 4-phosphate (MEP) pathway from E-1-hydroxy-2-methyl-but-2-enyl 4-diphosphate (HMBPP, 3) in a reaction catalyzed by the enzyme IspH, and this route is also used in most bacteria, as well as in malaria parasites (Scheme 1).There is thus interest in understanding the mechanism of action of IspH since this could lead to new inhibitors of interest as anti-infective drug leads. IspH is a 4Fe-4S clustercontaining protein and catalyzes the deoxygenation of HMBPP through a 2H + /2e À reduction.…”

“…There are around 65 000 terpenes known. [1] These molecules are produced from two isoprenoid (C 5 ) diphosphates: isopentenyl diphosphate (IPP, 1) and dimethylallyl diphosphate (DMAPP,2). [2] In plant plastids, IPP and DMAPP are produced primarily through the 2-C-methylerythritol 4-phosphate (MEP) pathway from E-1-hydroxy-2-methyl-but-2-enyl 4-diphosphate (HMBPP, 3) in a reaction catalyzed by the enzyme IspH, and this route is also used in most bacteria, as well as in malaria parasites (Scheme 1).…”