Phytoen-Desaturase

Phytoen-Desaturasen sind an der Carotinoid-Biosynthese beteiligte Enzyme aus der Gruppe der Desaturasen. Sie katalysieren die Dehydrogenierung von 15-cis-Phytoen. Unterschieden wird zwischen bakteriellen und pilzliche Phytoen Desaturasen (CRTI) und pflanzlichen und cyanobakteriellen Phytoen Desaturasen (PDS). CRTI katalysiert die Umwandlung von Phytoen direkt zu all-trans-Lycopin.^[3] Die komplette Umwandlung in Pflanzen und Bakterien erfolgt über vier Enzyme (PDS, ζ-Carotin Isomerase, ζ-Carotin Desaturase, Cis-Trans Isomerase),^[4] von denen PDS den ersten Schritt zum ζ-Carotin katalysiert.^[5]

Pflanzliche Phytoen Desaturase
Kristallografische Struktur der Phytoen Desaturase aus Reis.[1]
Vorhandene Strukturdaten: 5MOG
Masse/Länge Primärstruktur	491 Aminosäuren
Kofaktor	FAD
Bezeichner
Gen-Name(n)	PDS
Externe IDs	UniProt A2XDA1
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	1.3.5.5, Oxidoreduktase
Reaktionsart	Dehydrogenierung
Substrat	15-cis-Phytoen
Produkte	9,15,9'-tri-cis-ζ-Carotin
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon	Pflanzen

Bakterielle Phytoen Desaturase
Kristallografische Struktur der Phytoen Desaturase aus Pantoea ananatis.[2]
Vorhandene Strukturdaten: 4DGK
Masse/Länge Primärstruktur	501 Aminosäuren
Bezeichner
Gen-Name(n)	CRTI
Externe IDs	UniProt Q07356
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	1.3.99.31, Oxidoreduktase
Reaktionsart	Dehydrogenierung
Substrat	15-cis-Phytoen
Produkte	all-trans-z-Lycopin
Vorkommen
Homologie-Familie	Hovergen
Übergeordnetes Taxon	Bakterien

Biochemie

Die Umwandlung von Phytoen in Pflanzen und Cyanobakterien (links) im Vergleich zur Umwandlung in Bakterien und Pilzen (rechts).

Bei der Umwandlung von 15-cis-Phytoen in all-trans-Lycopin werden insgesamt vier neue Doppelbindungen ins Substrat-Molekül eingeführt.^[4] Die Oxidation des Phytoens erfolgt dabei unter Reduktion von FAD, welches sowohl in bakteriellen^[6] als auch in pflanzlichen^[1] Phytoen Desaturasen enthalten ist. Während CRTI den gesamten biochemischen Pfad zu Lycopin darstellt, erfolgt bei PDS lediglich die Katalyse zu 9,15,9'-tri-cis-ζ-Carotin. Dabei werden an Position 11 und 11' der symmetrischen Kohlenstoffkette zwei neue Doppelbindungen eingeführt und an Positionen 9 und 9' die Doppelbindungen von trans nach cis isomerisiert. Die bei dieser Reaktion entfernten Elektronen werden über FAD an Plastochinon abgeführt^[7] und über terminale Oxidasen letztlich zur Sauerstoff-Reduktion genutzt.

Verwendung

Einige Herbizide wie Norflurazon, Diflufenican und Picolinafen wirken durch Hemmung der PDS.^[8] Dabei blockiert das Herbizid die Bindestelle von Plastochinon innerhalb des Enzyms.^[1] Da das Ausschalten des PDS-Gens in Pflanzen ein Ausbleichen der Pflanze bewirkt,^[9] wurde dieser Effekt zur Präsentation von effizienter Genomeditierung mittels CRISPR/Cas9 genutzt.^[10][11]

Im Goldenen Reis wurde neben einer Phytoensynthase und Lycopincyclase aus der Narzisse das Gen einer bakteriellen Phytoen Desaturase in das Reisgenom integriert.^[12]