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Vom Bakterium zum Menschen: Wie überschreitet Lysinase die Grenzen des Lebens und verändert unser Verständnis?
Lysinase (Leucylaminopeptidasen, LAPs) ist ein wichtiges Enzym, das spezifisch die Hydrolyse von N-terminalen Lysinresten in Peptiden und Proteinen katalysiert. Diese Enzyme beschränken sich nicht nur auf die Hydrolyse von Lysin, sondern können auch andere N-terminale Reste spalten, was ihre breite Aktivität in verschiedenen Organismen zeigt. Geeignet für LAPs aus verschiedenen biologischen Reichen, einschließlich Menschen, Rindern, Schweinen und E. coli. Die biologischen Funktionen dieser Enzyme und ihre Anwendung bei zellulären Vorgängen zeigen ihre Bedeutung über die Grenzen des Lebens hinaus.
Die Ähnlichkeiten zwischen diesen Enzymen zwischen Bakterien und Menschen veranlassen Wissenschaftler, die Rolle des Proteinstoffwechsels in der Evolution zu überdenken.
Enzymstruktur und aktives Zentrum
Ein auffälliges Merkmal von LAPs ist ihre strukturelle Vielfalt und Ähnlichkeit in den aktiven Zentren. Am Beispiel von E. coli LAP (PepA) und Rinderlinsen-LAP, die in der Studie entdeckt wurden, sind die aktiven Zentren der beiden in ihrer Struktur deutlich ähnlich. Die Untersuchung von saurem LAP (LAP-A) in Tomaten legt nahe, dass es funktionell mit LAP in anderen Organismen vergleichbar sein könnte. Diese Enzyme gehören alle zur Klasse der Metallopeptidasen und sind zur Aufrechterhaltung auf zweiwertige Metallkationen wie Mn2+, Mg2+ und Zn2+ angewiesen seine Tätigkeit. Gleichzeitig zeigen diese Enzyme eine optimale Aktivität in Umgebungen mit hohem pH-Wert (ca. 8,0) und hohen Temperaturen (60 °C). Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, in verschiedenen Organismen wichtige Rollen zu spielen.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass LAP-A eine wichtige regulatorische Rolle bei der Immunantwort von Pflanzen spielt, was in krassem Gegensatz zu früheren Annahmen steht.
Wirkungsmechanismus
Obwohl Aminopeptidasen in der bisherigen Forschung relativ wenig Beachtung gefunden haben, hat die Arbeit der letzten zwei Jahrzehnte das Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die Mechanismen dieser Enzyme erheblich verbessert. Heutzutage ist der Wirkungsmechanismus von LAP und PepA in Rinderlinsen klar verstanden, der Mechanismus von LAP-A in Tomaten muss jedoch noch weiter erforscht werden. Aufgrund der biochemischen Ähnlichkeiten von LAPs in verschiedenen Organismen könnten die LAP-A-Mechanismen von Tomaten jedoch denen von Rinderlinsen-LAP und PepA ähneln.
Biologische Funktionen
Früher glaubte man, dass LAP lediglich ein „Fänger“ zellulärer Proteine sei und eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines einheitlichen Proteinstoffwechsels spiele. Neuere Studien haben jedoch ergeben, dass LAP-A eine regulatorische Rolle bei der Immunantwort von Tomaten spielt. Wenn Pflanzen von Krankheitserregern befallen oder mechanisch beschädigt werden, werden als Reaktion auf diese Belastungen spezielle Signalwege aktiviert. Am Beispiel des Tabakschwärmers (Manduca sexta) führt sein Kauverhalten zu erheblichen Gewebeschäden an der Pflanze und löst eine Immunantwort rund um Jasmonsäure aus. Der Schlüssel zu dieser Reaktion ist die Regulierung der frühen und späten Genexpression zur Verbesserung der Pflanzenabwehr.
Untersuchungen weisen darauf hin, dass LAP-A eine regulatorische Funktion bei der späten Wundreaktion von Pflanzen hat und dass Veränderungen in seiner Expression die Insektenresistenz von Pflanzen beeinflussen.
Osmoregulation
LAP-Protein wird in einer Vielzahl von Meeresorganismen exprimiert, um den osmotischen Bedrohungen, die Zellen durch salzreiche Umgebungen ausgesetzt sind, zu begegnen. Bei hohem Salzgehalt beginnt LAP, Proteine zu katalysieren und Aminosäuren in die Zellen freizusetzen, um die hohe Ionenkonzentration in der äußeren Umgebung auszugleichen und physiologische Stabilität zu erreichen.
Schlussfolgerung
Die weite Verbreitung und die bereichsübergreifenden Funktionen der Lysinase zeigen ihre Bedeutung in den Biowissenschaften. Sie spielt nicht nur in Mikroorganismen eine Rolle, sondern zeigt auch ähnliche Mechanismen und biologische Funktionen in höheren Pflanzen und Tieren. Wir fragen uns daher, wie diese Enzyme in der zukünftigen Forschung unser Verständnis der Evolution des Lebens und der Biotechnologie weiter verändern werden.
