Структура и механизм работы фитоендесатуразы в рисе: путь к витамину А

Недостаток витамина А в пище — глобальная проблема здоровья, ведущая к слепоте и смерти, особенно в развивающихся странах. Ключевой предшественник витамина А — бета-каротин, пигмент, придающий оранжевый цвет моркови и сладкому картофелю. Однако в зерне риса, основном продукте питания в Азии, бета-каротин отсутствует, хотя он есть в листьях растения.

От бесцветного фитоена к каротиноидам

Один из первых предшественников бета-каротина — бесцветный и нерастворимый в воде фитоен. Он находится в липидном бислое пластидных органелл. Фермент фитоендесатураза (PDS) превращает фитоен в следующий промежуточный продукт синтеза, уже имеющий желтоватый цвет.

Исследование структуры фермента

Учёные из Университета Фрайбурга (проф. Питер Байер и проф. Оливер Айнсле) впервые определили трёхмерную структуру PDS риса и механизм преобразования фитоена. Для этого доктор Сандра Геммекер и Антон Брауземанн выделили высокоочищенный фермент, кристаллизовали его и получили 3D-изображение с помощью рентгеноструктурного анализа.

Механизм работы фермента

Исследователи обнаружили, что PDS частично погружена в липидный бислой пластид и содержит гидрофобный туннель, ведущий внутрь фермента.

1. Молекула фитоена входит в этот туннель и достигает реакционного центра.
2. В центре происходит превращение одной половины молекулы фитоена в следующий каротиноидный промежуточник.
3. Продукт выходит из туннеля и попадает в соседнюю молекулу PDS, где превращение завершается.
4. Хинол (вспомогательная молекула) регенерирует фермент, проникая через тот же туннель и забирая избыточные электроны, подготавливая PDS к новому циклу.

Применение открытия: гербициды и биотехнология

Если PDS не функционирует (например, из-за действия гербицида), всходы растения становятся бледными и белесыми, и оно погибает. Учёные использовали это свойство: при выделении PDS они добавили молекулу гербицида норфлуразон (разработан в 1970-х). Норфлуразон деактивирует фермент, что приводит к "обесцвечиванию" и гибели растения.

• Знание о положении этого "обесцвечивающего" гербицида в структуре фермента может помочь в разработке новых агентов.
• Теперь, зная структуру, можно целенаправленно изменять последовательность фермента с помощью биотехнологических методов, чтобы дать культурным растениям преимущество перед сорняками.