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洞察可卡因生物合成的进化

<p>古柯植物(Erythroxylum coca)和可卡因的分子结构(灰色:碳,蓝色:氮,红色:氧气,白色:氢气)MPI用于化学生态学/ D'Auria,Jirschitzka关于植物如何生产可卡因知之甚少,生物化学家在马克斯普朗克研究所着手更好地了解这一过程,发现一种名为甲基酮降解酶(MecgoR)的酶是催化可卡因生物合成的酶可卡因是世界上最常用(和滥用)植物衍生药物之一,但我们几乎没有关于植物如何生产这种复杂生物碱的现代信息来自德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的研究人员刚刚发现了南美洲古柯植物中可卡因形成的一个关键反应,并确定了这种酶的负责任酶被证明属于aldo-keto-reductase蛋白家族揭示了可卡因生物合成进化的一些令人兴奋的新见解生物碱构成一个非常大的gr天然含氮化合物对人体生物有不同影响大量植物生产的生物碱具有很强的药理作用,可用作毒素,兴奋剂,药物或娱乐性药物,包括咖啡因,尼古丁,吗啡,奎宁,士的宁,阿托品和可卡因阿托品,用于扩张眼睛的瞳孔,上瘾的药物可卡因都是托烷生物碱,具有两个独特的,相互连接的五元和七元环植物通常产生托烷和其他生物碱,以防止食草动物和其他敌人已知7种植物家族中的物种产生托烷生物碱,包括十字花科(芥菜科),茄科(茄科或马铃薯科)和赤霉科(古柯科)这些家族彼此并不密切相关例如,它是假设赤藓科和茄科的最后一个共同祖先生活在大约1.2亿年前但是如何类似的是这些家庭中的托烷生物碱生物合成途径</p><p>在进化过程中是否有一条原始的tropane生物碱途径在大多数其他植物家族中丢失了</p><p>或者,tropane生物碱生物合成是否在几个不同的场合独立出现</p><p>马克斯普朗克化学生态研究所生物化学系项目负责人John D'Auria一直在研究古柯植物,其中含有可卡因毒素南美洲的土着部落一直在种植古柯并咀嚼叶子</p><p>至少8000年的兴奋剂和抑制饥饿的特性虽然在过去的40年里没有研究过可卡因的形成,但颠茄(茄科)中相关的托烷类生物碱阿托品的生物合成是完全成熟的倒数第二步,酮功能被还原成醇残留这个关键反应是由颠茄中的短链脱氢酶/还原酶(SDR)蛋白家族的一种酶催化的</p><p>这组酶在动物中也有许多酒精降解脱氢酶免疫标记(绿色区域) )MecgoR,催化可卡因生物合成的倒数第二步的酶图片显示了在一个交叉教派中酶的强烈积累一个非常年轻的E古柯叶的离子,仍然在成长的茎尖周围卷曲Bar:化学生态学的01 mm MPI / D'Auria,Jirschitzka为了找到可卡因生物合成中相应的酶,Jan Jirschitzka,该组的博士生,搜索古柯植物的基因组寻找类似SDR的蛋白质然而,他克隆和表达的所有SDR基因都没有对可卡因形成的关键反应表现出任何活动所以他使用了更经典的方法 - 鉴定可卡因 - 在古柯叶提取物中合成酶活性,纯化负责任的蛋白质,分离多肽,并且 - 在部分测序后 - 克隆相应的基因“我们获得了两个非常有趣的结果,”研究所所长Jonathan Gershenzon说道“类似的酶反应在阿托品合成中 - 将酮基转化为醇残基 - 是由古柯植物中完全不同的酶催化的,与之相比在茄科中,即通过醛酮还原酶(AKR)“该酶被命名为甲基酮降解酶(MecgoR)AKR酶在植物中以及哺乳动物,两栖动物,酵母,原生动物和细菌中是已知的</p><p> 它们参与类固醇激素的形成,例如,第二个结果是MecgoR基因以及蛋白质在古柯植物的非常年轻的叶子中具有高活性,但另一方面不在根阿托品中</p><p>根据这些结果,马克斯普朗克的研究人员得出结论,古柯和颠茄中的托烷生物碱途径完全独立地进化,阐明了MecgoR催化的过氧化物,它是在颠茄的根部合成的,从那里被转运到植物的绿色器官中</p><p>可卡因生物合成中的步骤取得了重大成功,但研究人员现在正在继续研究可卡因途径中的其他重要步骤</p><p>另外有趣的是了解可卡因如何以如此高的量储存在叶组织中这种生物碱可占最多10%未成熟古柯叶的干重,任何一种特定生物碱积累的惊人数量资料来源:马克斯普朗克研究所图片:Chemica的MPI l Ecology / D'Auria,

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