Chitinázy ( EC 3.2.1.14 ) jsou enzymy , které katalyzují degradaci chitinu , působí nejčastěji jako endoenzymy odštěpující chitooligosacharidy dlouhé 2–6 N-acetylglukosaminových zbytků [1] . Chitinázy patří do skupiny O-glykosidických hydroláz , které přerušují glykosidickou vazbu mezi dvěma nebo více sacharidovými zbytky nebo mezi sacharidovou a nesacharidovou složkou. Takové hydrolázy jsou seskupeny do rodin na základě jejich aminokyselinové sekvence. V současné době je známo 110 rodin těchto enzymů [2] , většina chitináz patří do rodin GH18 a GH19 [3] , jedna (patřící do hmyzu z řádu Coleoptera Gastrophysa atrocyanea ) patří do rodiny GH48. Jejich nejdůležitější vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 1.
Všechny organismy obsahující chitin produkují chitinázy, které pravděpodobně potřebují pro morfogenezi buněčné stěny nebo exoskeletu [3] . Mnoho bakteriálních druhů rodů Bacillus , Pseudomonas a Streptomyces je schopno využívat chitin jako jediný zdroj uhlíku díky sekreci chitináz [4] [5] [6] . Kromě toho je produkce chitináz mnoha organismy důležitým ochranným faktorem proti expozici různým patogenům . Chitinázy patří do třídy proteinů PR-3 [3] . Podle své aminokyselinové sekvence se PR-3 proteiny dále dělí do čtyř tříd. Chitinázy třídy I obsahují doménu podobnou heveinu vázající chitin a vysoce konzervovanou centrální oblast oddělenou od domény heveinu pantovou oblastí. Chitinázy třídy II jsou podobné chitinasám třídy I, ale postrádají heveinovou doménu. Chitinázy třídy III nevykazují žádnou významnou homologii s chitinasami jiných tříd. Chitinázy třídy IV jsou podobné chitinasám třídy I, ale v této třídě enzymů chybí významné oblasti.
Charakteristika | Chitinázy rodiny GH18 | Chitinázy rodiny GH19 | Chitináza z rodiny GH48 [7] |
---|---|---|---|
Rodina patřící do klanu glykosylhydroláz | GH-K | blízko GH-I | GH-M |
Šíření | Chitinázy bakterií , hub , virů , zvířat , rostlinné chitinázy třídy III a IV | Rostlinné chitinázy třídy I, II a IV , chitinázy Streptomyces | Chitináza patřící do řádu hmyzu Coleoptera Gastrophysa atrocyanea |
Struktura katalytické domény | (β/α) 8 -barel | Typ lysozymu (α+β) | (α/α) 6 |
Hydrolýza glykosidických vazeb | Zachování konformace [8] | S konformační inverzí [9] | S konformační inverzí |
Zlomená vazba | GlcNAc-GlcNAc a GlcNAc-GlcN [9] | GlcNAc-GlcNAc a GlcN-GlcNAc [10] | — |
citlivost na inhibitory | Citlivý na allosamidin [11] | Necitlivý na allosamidin | — |
Důležitou roli v klasifikaci chitináz a chitinolytických komplexů hrají tzv. chitin-binding domains (ChBDs), které patří do různých rodin modulů vázající sacharidy (CBM). Mezi rodinami obsahujícími chitin -vazebné domény lze rozlišit 4 hlavní: CBM12, CBM14, CBM18, CBM19 (viz tabulka 2).
CBM působí jako pojivo pro různé polysacharidové substráty, které jsou často ve vodě nerozpustné. Sekvence kódující CBM mohou být buď v genu pro chitinázu, nebo mohou mít svůj vlastní ORF , jehož produktem je odpovídající protein vázající sacharid [12] .
CBM rodina | Počet aminokyselinových zbytků | Struktura | Šíření | Poznámky |
---|---|---|---|---|
CBM1 | ~40 | cysteinový uzel | Chitináza třídy III Cht1 mikromycety Hypocrea virens | |
CBM2 | ~100 | β-sendvič | Obsahuje bakteriální enzymy | |
CBM5 | ~60 | Unikátní | Obsahuje bakteriální enzymy | |
CBM12 | 40-60 | Unikátní | Jako součást bakteriálních enzymů. | Většina modulů této rodiny patří k vazbě chitinu |
CBM14 | ~70 | Unikátní, obsahuje sekvenci podobnou heveinu | Hydroidní polypy , háďátka , korýši , pavoukovci , hmyz , hlavonožci , kostnaté ryby , myš , člověk | Rodina obsahuje četné domény vázající chitin. Byly nalezeny moduly jak připojené ke katalytické chitinázové doméně, tak ty, které jsou součástí proteinů bez katalytické funkce, v izolovaném stavu (1 CBM je samostatný protein) nebo jako součást více repetic |
CBM18 | ~40 | Hevein sekvence | Rostliny, houby | Většina modulů rodiny patří k chitin-vázajícím. Byly nalezeny moduly jak připojené ke katalytické chitinázové doméně, tak ty, které jsou součástí proteinů bez katalytické funkce, v izolovaném stavu (1 CBM je samostatný protein) nebo jako součást více repetic |
CBM19 | 60-70 | — | Houby (včetně kvasinek Saccharomyces cerevisiae ) | Moduly rodiny se vyznačují pouze funkcí vázání chitinu |
CBM33 | — | — | Protein vázající chitin bakterie Serratia marcescens | |
CBM37 | ~100 | — | Enzymy bakterie Ruminococcus albus | Funkce vázání chitinu není nezbytná |
V procesu degradace chitinu bakteriemi se účastní několik enzymů , které tvoří chitinolytický komplex. Depolymerázy štěpí chitin na chitooligosacharidy, N-acetylglukosamin a chitobiózu ; v důsledku práce deacetyláz vzniká chitosan . Chitooligosacharidy jsou pak transportovány do periplazmatického prostoru , možná přes specifické poriny vnější membrány , kde jsou štěpeny na N-acetylglukosamin chitodextrinázami. Chitobióza , pronikající do periplazmatického prostoru přes nespecifické poriny , je částečně štěpena na N-acetylglukosamin periplazmatickými N-acetylglukosaminidázami, částečně transportována do buněčné cytoplazmy , kde je štěpena cytoplazmatickými N-acetylglukosaminidázami za vzniku dalšího množství N-acetylglukosaminu. Na druhé straně je N-acetylglukosamin postupně přenášen do cytoplazmy a zapojen do buněčného metabolismu [13] .
Přítomnost chitináz byla zjištěna v obrovském množství živých organismů. Mnoho z nich, jako je hmyz , korýši nebo houby , obsahuje chitin ; ostatní - bakterie , vyšší rostliny , obratlovci - neobsahují chitin .
Všechny organismy obsahující chitin produkují chitinázy, které pravděpodobně potřebují pro morfogenezi buněčné stěny nebo exoskeletu [3] . Mnoho bakteriálních druhů rodů Bacillus , Pseudomonas a Streptomyces je schopno využívat chitin jako jediný zdroj uhlíku díky sekreci chitináz [4] [5] . Kromě toho je produkce chitináz mnoha organismy důležitým ochranným faktorem proti expozici různým patogenům .
U členovců se chitinázy účastní procesů línání a trávení . Produkty hydrolýzy chitinu se zpravidla podílejí na syntéze nové kutikuly [14] . Model růstu buněčné stěny houby navržený Bartnicki-Garciou (1973) [15] naznačuje úlohu lytických enzymů při udržování rovnováhy mezi syntézou buněčné stěny a lýzou během růstu apikálního mycelia . Důkaz o společné práci chitináz a chitinsyntáz byl získán jako výsledek objevu aktivity těchto enzymů v procesech klíčení spor u Mucor mucedo [16] , exponenciálního růstu u Mucor rouxii [17] a Candida albicans [18 ] , stejně jako objev aktivity chitinázy i chitinsyntázy ve stejné frakci izolované z buněčné stěny M. mucedo [19] . Sahai a kol. (1993) [20] prokázali, že chitinázy jsou přítomny při bobtnání a klíčení spor , tvorbě sporangií , jakož i při mechanickém poškození u Choanephora cucurbitarum a dalších zygomycet .
Díky aktivitě chitináz probíhá ve zralých plodnicích Corpinus lagopus proces autolýzy . Chitinolytické enzymy jsou detekovány krátce po začátku uvolňování spór . Spolu s jinými lytickými enzymy se chitinázy nacházejí ve vakuolách ; jejich funkce v intracelulárním trávení není jasná. Aktivita enzymu se objevuje krátce před začátkem autolýzy hymenálních plotének [21] . Když se metabolická aktivita v senescentních buňkách zpomalí, chitináza pasivně vstupuje do buněčné stěny . Bylo prokázáno, že mnoho enzymů zapojených do procesu autolýzy , včetně chitináz, se váže na subapikální stěny Neurospora crassa a Aspergillus nidulans [22] . Tato data naznačují, že chitinázy se účastní procesu větvení hyf . Plísňové chitinázy tedy hrají důležitou roli v procesech, jako je apikální růst, bobtnání a klíčení spor , uvolňování spór , buněčné dělení a větvení mycelia [23] .
Značně zajímavá je vyhlídka na použití těchto enzymů jako ochranných činidel proti patogenním organismům obsahujícím chitin, jako jsou houby a hmyz . Odolnosti vůči patogenům lze dosáhnout degradací jejich životně důležitých struktur, jako je peritrofická membrána nebo hmyzí kutikula , buněčná stěna plísní , nebo uvolňováním látek, které způsobují ochrannou reakci o něco později [24] .
První studie bakteriálních chitinolytických enzymů jako možného faktoru antagonismu pocházejí z počátku 60. let 20. století, kdy bylo publikováno několik prací o antifungální aktivitě půdních chitinolytických bakterií rodů Bacillus a Pseudomonas [25] [26] . Bylo zjištěno, že buněčná stěna houby , která obsahuje chitin jako hlavní strukturální složku, může být zničena bakteriálními chitinasami. Následné experimenty využívající purifikované chitinázy, chitináza-negativní mutanty a chitináza-pozitivní transformanty jasně prokázaly účast chitináz na mykolýze [27] [28] [29] [30] . K dnešnímu dni se ukázalo, že koncové úseky houbových hyf jsou zvláště citlivé na působení bakteriálních chitináz , protože právě v těchto částech mycelia se syntetizují chitinová vlákna [31] .
Skutečná role bakteriálních chitináz v mykolytickém procesu však není zcela jasná. Bylo zjištěno, že mechanismus, kterým se provádí inhibice růstu hub chitinasami, není v žádném případě vždy prováděn kvůli jejich chitinolytické aktivitě. V tomto ohledu je pozoruhodné, že bakteriální chitinázy patřící do rodiny 18 nemají žádnou antifungální aktivitu. Navíc není zcela jasné, zda rozdíl ve struktuře nebo enzymatické aktivitě chitináz souvisí s jejich potenciální antifungální aktivitou. Mnoho studií využívajících indukovanou mutagenezi , navržených ke stanovení obecných vlastností antifungální aktivity chitinázy, neodhalilo žádný jasný vzorec. Mutantní chitinázy I. třídy ze semen kaštanu, které nevykazovaly chitinolytickou aktivitu, tedy vykazovaly větší antifungální aktivitu než chitinázy divokého typu [32] . Antifungální aktivita chitináz tabákové třídy I byla třikrát vyšší v přítomnosti domény vázající chitin [8] . Tyto výsledky ukázaly, že velká role v antifungální aktivitě patří aktivitě vázající chitin, a nikoli aktivitě chitinázy. Naopak chitin vázající doména chitinázy žita I. třídy nevykazovala žádnou antifungální aktivitu, zatímco přítomnost katalytické domény stejné chitinázy vedla k inhibici růstu kontrolního houbového patogenu [33] . Ve studiích Andersena et al. (1997) [34] použili mutantní chitinasu II. třídy ječmene postrádající chitinolytickou aktivitu a ukázali, že antifungální aktivita klesla o 85 % ve srovnání s divokým typem. Chitinázy s doménou vázající chitin (třídy I a II) mají antifungální mechanismus, který je odlišný od mechanismu chitináz, které tuto doménu nemají. V přítomnosti intaktní domény vázající chitin je antifungální aktivita prováděna především díky vazbě chitinu enzymem [3] .
Bakterie navíc vyžadují další faktory pro lýzu mycelia hub [26] . V důsledku četných in vitro experimentů [35] [36] bylo prokázáno, že půdní bakterie se významně liší ve svých mykolytických vlastnostech. De Boer a kol. (1998) [35] navrhli, že tak širokou škálu rozdílů lze vysvětlit zapojením antibiotik do mykolýzy . Bakterie obvykle produkují několik typů endo- a exochitináz. Roberts a Selitrennikov (1988) [37] zjistili, že endochitinázy mají silnější účinek na růst mycelia než exochitinázy. Maximálního antifungálního účinku však bylo dosaženo působením komplexu, který zahrnoval endo- i exochitinázu.
Objev fenoménu mykolýzy prováděný chitinolytickými bakteriemi podnítil další výzkum tohoto procesu s cílem možného využití těchto kmenů pro ochranu rostlin . Rhizosférické bakterie se dostaly do zorného pole takových studií, protože jsou lépe přizpůsobeny podmínkám prostředí, ve kterých fytopatogenní houby infikují kořeny rostlin .
Různí výzkumníci prokázali, že kmeny s antifungální aktivitou zavedenou in vitro snižují příznaky chorob rostlin ve skleníkových podmínkách [31] [38] [39] . Použití takových kmenů v terénu se však ukázalo jako mnohem méně úspěšné [40] . K vyřešení tohoto problému jsou zapotřebí další informace o ekologické funkci bakterií produkujících chitinasu a roli, kterou hraje jejich mykolytická aktivita v přírodních podmínkách.
I při intenzivním používání fungicidů dosahují ztráty na výnosech kulturních rostlin způsobené fytopatogenními houbami 15 % [23] . Proto každé řešení vedoucí ke snížení následků tohoto problému stojí za zvážení; zároveň to sníží současné rozšířené používání pesticidů . Biokontrola mnoha chorob rostlin způsobených houbami koreluje s produkcí chitináz. Bakterie produkující chitinasy a (nebo) glukanasy tedy vykazují in vitro antagonismus proti houbám [41] [42] , zatímco rostlinné chitinázy a chitinasy ze streptomycet spolu s β-(1,3)-glukanasami inhibují růst hub a ničí jejich buněčná stěna [43] . Význam chitinázové aktivity byl také prokázán použitím bakteriálních kmenů , které nemají schopnost produkovat chitinázy v důsledku mutací. Například mutant Enterobacter agglomerans Tn 5 , postrádající chitinolytickou aktivitu, není schopen působit jako antagonistický kmen pro ochranu bavlny a exprese genu chiA způsobuje produkci endochitináz v transformovaném kmeni E. coli (Migula), což umožňuje tento kmen inhibuje růst Rhizoctonia solani na semenech bavlníku. Podobná technologie využívající inzerci Tn5 během mutageneze transpozonu prokázala roli extracelulárních proteáz Stenotrophomonas maltophila W81 při ochraně cukrové řepy před Pythium ultimum . Produkce potenciálních činidel biologické kontroly může být dosažena použitím technologií genetického inženýrství. Rekombinantní kmen E. coli exprimující gen chiA ze S. marcescens účinně působil proti onemocněním způsobeným Sclerotium rolfsii a R. solani [44] [45] . Sundheim [27] [46] a Sitrit et al. (1993) [47] ukázali, že gen chitinázy ze S. marcescens byl exprimován v Pseudomonas sp. a u rostlinného symbionta Rhizobium meliloti . Modifikovaný kmen Pseudomonas vykazoval antagonistickou aktivitu proti patogenům , jako je F. oxysporum a Gauemannomyces graminis . Antifungální aktivita transgenního kmene Rhizobium , který je v symbióze s kořeny vojtěšky , je potvrzena lýzou špiček hyf R. solani , prováděnou extraktem z uzlíku.
Slibným směrem je využití mykoparazitů pro biokontrolu. Nejvíce studovanými mykoparazity jsou různé druhy Trichoderma a také Gliocladium virens . Jako potenciální antagonisté byly popsány také Ampelomyces quisqualis , Coniothyrium minitans , Laetisaria arvalis , Pythium nunn , Talaromyces flavus a Sporidesmium sclerotivorum [48] [49] [50] .
Hydrolázy ( EC 3): glykosyl hydrolázy ( EC 3.2.1) | |
---|---|
|