Как растения производят кокаин
Кокаин — один из наиболее распространённых (и злоупотребляемых) наркотиков, однако о том, как растения производят этот сложный алкалоид, почти нет современных данных. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) обнаружили ключевую реакцию в образовании кокаина у южноамериканского растения кока и идентифицировали ответственный за неё фермент. Этот фермент относится к семейству альдо-кето-редуктаз, что раскрывает новые данные об эволюции биосинтеза кокаина.
Алкалоиды в жизни человека
Алкалоиды — обширная группа природных азотсодержащих соединений с разнообразным воздействием на организм человека. Многие растительные алкалоиды обладают сильным фармакологическим эффектом и используются как токсины, стимуляторы, лекарства или рекреационные наркотики, включая кофеин, никотин, морфин, хинин, стрихнин, атропин и кокаин. Атропин (используется для расширения зрачков) и вызывающий зависимость кокаин являются тропановыми алкалоидами, которые содержат два характерных взаимосвязанных пяти- и семичленных кольца.
Растения обычно производят тропановые и другие алкалоиды для защиты от травоядных и других врагов. Известно, что виды из семи семейств растений производят тропановые алкалоиды, включая Brassicaceae (капустные), Solanaceae (паслёновые) и Erythroxylaceae (кокаиновые). Эти семейства не являются близкородственными. Например, предполагается, что последний общий предок Erythroxylaceae и Solanaceae жил около 120 миллионов лет назад. Но насколько схожи пути биосинтеза тропановых алкалоидов у этих семейств? Был ли единый исходный путь, утраченный большинством других семейств в ходе эволюции? Или биосинтез тропановых алкалоидов возникал независимо в разных случаях?
Атропин и кокаин: два тропановых алкалоида, два вида растений, два разных фермента
Джон Д'Аурия, руководитель проекта в отделе биохимии Института, изучал растение кока, из которого получают наркотик кокаин. Коренные народы Южной Америки культивируют коку и жуют её листья не менее 8000 лет из-за их стимулирующих и подавляющих голод свойств.
Хотя образование кокаина не исследовалось последние 40 лет, биосинтез родственного тропанового алкалоида атропина у белладонны (Solanaceae) хорошо изучен. На предпоследнем этапе кетонная функция восстанавливается до спиртового остатка. Эта ключевая реакция катализируется ферментом из семейства короткоцепочечных дегидрогеназ/редуктаз (SDR) у белладонны. В эту группу ферментов также входят многие алкоголь-деградирующие дегидрогеназы у животных.
Чтобы найти соответствующий фермент в биосинтезе кокаина, аспирант Ян Йиршицка проанализировал геном растения кока в поисках SDR-подобных белков. Однако ни один из клонированных и экспрессированных им генов SDR не проявлял активности в ключевой реакции образования кокаина. Поэтому он использовал более классический подход: идентифицировал ферментативную активность, синтезирующую кокаин, в экстрактах листьев коки, очистил ответственный белок, выделил полипептид и после частичного секвенирования клонировал соответствующий ген.
Кокаин в молодых листьях, атропин в корнях
«Мы получили два очень интересных результата, — говорит директор института Джонатан Гершензон. — Аналогичная реакции в синтезе атропина (превращение кетогруппы в спиртовой остаток) катализируется в растениях кока совершенно другим ферментом по сравнению с Solanaceae, а именно альдо-кето-редуктазой (AKR)». Фермент был назван метилэкгононредуктазой (MecgoR). Ферменты AKR известны у растений, а также у млекопитающих, амфибий, дрожжей, простейших и бактерий. Они участвуют, например, в образовании стероидных гормонов. Второй результат заключается в том, что ген MecgoR, как и белок, высокоактивен в очень молодых листьях растений кока, но не в корнях. Атропин же синтезируется исключительно в корнях белладонны, откуда транспортируется в зелёные органы растения. На основе этих результатов исследователи пришли к выводу, что пути биосинтеза тропановых алкалоидов у коки и белладонны эволюционировали совершенно независимо.
Выяснение катализируемого MecgoR этапа биосинтеза кокаина представляет собой крупный успех, но исследователи продолжают изучать другие важные этапы пути образования кокаина. Также интересно узнать, как кокаин накапливается в тканях листа в таких больших количествах. Этот алкалоид может составлять до 10% сухого веса незрелого листа коки — феноменальное количество для накопления какого-либо одного конкретного алкалоида.