Wikipedia:Bengkel/Malaysia/2024/10-09/Rujukan/Hopanoid

Beberapa hopanoid wakil: A. Diploptena, juga dipanggil 22(29)-hopena B. Diplopterol, juga dipanggil hopan-22-ol, siklomer terhidrat diploptena C. Bakteriohopanetetrol (BHT), hopanoid lanjutan biasa D. Hopana, diagenetik produk A dan B yang terhasil daripada keadaan penurunan semasa pemendapan dan kekal dalam rekod batuan. Hasil diagenetik C ialah C₃₅ hopana lanjutan.

Hopanoid ialah subkelas pelbagai triterpenoid dengan rangka hidrokarbon yang sama dengan sebatian hopana. Oleh itu, kumpulan molekul pentasiklik ini merujuk kepada hopena ringkas, hopanol dan hopana, tetapi juga terbitan yang berfungsi secara meluas seperti bakteriohopanepoliol (BHP) dan hopanoid yang terikat secara kovalen pada lipid A.

Hopanoid pertama yang diketahui, hidroksihopanon, telah diasingkan oleh dua ahli kimia di Galeri Nasional, London yang bekerja pada kimia gam damar, resin semula jadi yang digunakan sebagai varnis untuk lukisan. Walaupun hopanoid sering diandaikan hanya dihasilkan dalam bakteria, nama mereka sebenarnya berasal dari banyaknya sebatian hopanoid dalam resin tumbuhan dari genus Hopea. Seterusnya, genus ini dinamakan sempena John Hope, Penjaga Regius pertama Taman Botani Diraja, Edinburgh.

Sejak penemuan awal mereka dalam angiosperma, hopanoid telah ditemui dalam membran plasma bakteria, liken, briofit, paku pakis, pokok tropika dan kulat. Hopanoid mempunyai struktur polisiklik stabil yang terpelihara dengan baik dalam takungan petroleum, batu dan sedimen, membolehkan produk diagenetik molekul ini ditafsirkan sebagai biopenanda kehadiran mikrob tertentu, dan berpotensi bagi keadaan kimia atau fizikal ketika masa pemendapan. Hopanoid tidak dikesan di dalam arkea.

Fungsi biologi

Kira-kira 10% daripada genom bakteria terjujuk mempunyai gen shc yang diduga mengekodkan skualena-hopena siklase dan mungkin boleh membuat hopanoid, dan telah ditunjukkan memainkan peranan yang pelbagai dalam membran plasma, dan mungkin membenarkan sesetengah organisma menyesuaikan diri dalam persekitaran yang melampau.

Oleh kerana hopanoid mengubah suai sifat membran plasma dalam bakteria, ia sering dibandingkan dengan sterol (cth., kolesterol) yang memodulasi kecairan membran dan menjalankan fungsi lain dalam eukariot. Walaupun hopanoid tidak menyelamatkan kekurangan sterol, ia dianggap meningkatkan ketegaran membran dan mengurangkan kebolehtelapan. Satu lagi perkara, gamaproteobakteria dan organisma eukariot seperti liken dan briofit telah ditunjukkan untuk menghasilkan kedua-dua sterol dan hopanoid, menunjukkan lipid ini mungkin mempunyai fungsi lain yang berbeza. Terutamanya, cara pembungkusan hopanoid ke dalam membran plasma boleh berubah bergantung pada kumpulan berfungsi yang dilampirkan. Bakteriohopanetetrol hopanoid memiliki orientasi melintang dalam dwilapisan lipid, tetapi diploptena menyetempat antara lapisan dalam dan luar, dan mungkin menebalkan membran untuk mengurangkan kebolehtelapan.

Diplopterol hopanoid menyusun membran dengan berinteraksi dengan lipid A, lipid membran biasa dalam bakteria, dengan cara yang serupa dengan cara kolesterol dan sfingolipid berinteraksi dalam membran plasma eukariot. Diplopterol dan kolesterol telah ditunjukkan untuk menggalakkan pemeluwapan dan menghalang pembentukan fasa gel dalam kedua-dua lapisan tunggal sfingomielin dan lapisan tunggal lipid A yang diubah suai glikan. Tambahan pula, kedua-dua diplopterol dan kolesterol boleh menyelamatkan peralihan fasa yang bergantung kepada pH dalam monolayer lipid A diubah suai glikan. Peranan hopanoid dalam toleransi asid pengantara membran disokong lagi oleh pemerhatian pertumbuhan terhalang asid dan keabnormalan morfologi membran plasma dalam bakteria kekurangan hopanoid dengan mutan skualena-hopena siklase.

Hopanoid dihasilkan dalam beberapa bakteria pengikat nitrogen. Dalam aktinomiset Frankia, hopanoid dalam membran vesikel khusus pengikatan nitrogen berkemungkinan menyekat kemasukan oksigen dengan menjadikan lipid dwilapisan lebih ketat dan padat. Dalam Bradyrhizobium, hopanoid yang terikat secara kimia kepada lipid A meningkatkan kestabilan dan ketegaran membran, meningkatkan toleransi tekanan dan kemandirian intrasel dalam kekacang Aeschynomene. Dalam sianobakterium Nostoc punctiforme, sejumlah besar 2-metilhopanoid menyetempat ke membran luar struktur kemandirian yang dipanggil akinet. Dalam contoh toleransi tekanan lain, hopanoid dalam hifa udara (struktur galas spora) bakteria tanah prokariotik Streptomyces dianggap meminimumkan kehilangan air merentasi membran ke udara.

Biosintesis

Sintesis skualena

Oleh kerana hopanoid ialah terpenoid C₃₀, biosintesis bermula dengan isopentenil pirofosfat (IPP) dan dimetilalil pirofosfat (DMAP) yang digabungkan untuk membentuk rantai isoprenoid yang lebih panjang. Sintesis pelopor yang lebih kecil ini diteruskan sama ada melalui laluan mevalonat atau laluan metileritritol-4-fosfat bergantung kepada spesies bakteria, walaupun laluan kedua cenderung lebih lazim digunakan. DMAP terkondensasi dengan satu molekul IPP kepada geranil pirofosfat yang seterusnya terkondensasi dengan IPP lain untuk menghasilkan farnesil pirofosfat (FPP). Skualena sintase yang dikodkan oleh gen sqs kemudian memangkinkan pemeluwapan dua molekul FPP kepada praskualena pirofosfat (PSPP) sebelum mengoksidakan NADPH untuk membebaskan skualena. Walau bagaimanapun, sesetengah bakteria penghasil hopanoid kekurangan skualena sintase, dan sebaliknya menggunakan tiga enzim, HpnC, HpnD dan HpnE, yang dikodkan dalam operon hpn dengan banyak gen biosintesis hopanoid lain. Dalam laluan sintesis skualena alternatif yang kelihatan lebih meluas ini, HpnD membebaskan pirofosfat kerana ia memekatkan dua molekul FPP kepada PSPP, yang HpnC bertukar kepada hidroksiskualena, memakan molekul air dan membebaskan satu lagi pirofosfat. Kemudian, hidroksiskualena diturunkan kepada skualena dalam tindak balas penyahhidratan yang dibantu oleh enzim bergantungan FAD, HpnE.

Tapak aktif skualena-hopena siklase Methylococcus capsulatus yang melibatkan substrat, skualene, ditunjukkan dalam emas. Siklase digambarkan sebagai monomer.

Pengkitaran

Struktur balang alfa skualena-hopena siklase Methylococcus capsulatus. Heliks alfa ditunjukkan dalam warna biru, kawasan gelung berwarna hijau dan helaian beta berwarna merah.

Seterusnya, skualene-hopena siklase memangkinkan tindak balas kitaran yang terperinci, melibatkan skualena dalam konformasi semua kerusi yang menggalakkan secara bertenaga sebelum mencipta 5 kitaran, 6 ikatan kovalen dan 9 pusat kiral terhadap molekul dalam satu langkah. Enzim ini yang dikodkan oleh gen shc (juga dipanggil hpnF dalam sesetengah bakteria) mempunyai ciri lipatan ⍺-balang berganda bagi biosintesis terpenoid, dan terdapat dalam sel sebagai homodimer monotopik, bermakna pasangan siklase adalah tertanam masuk tetapi tidak merentangi membran plasma. Secara in vitro, enzim ini mempamerkan kekhususan substrat yang rambang, iaitu juga mengkitarkan 2,3-oksidoskualena.

Sisa-sisa aromatik dalam tapak aktif membentuk beberapa karbokation yang tidak menguntungkan pada substrat yang dipadamkan oleh polisklisasi yang cepat. Dalam sublangkah terakhir tindak balas kitaran, selepas elektron yang terdiri daripada ikatan alkena terminal pada skualena telah menyerang karbokation hopenil untuk menutup cincin E, karbokation C₂₂ mungkin dipadamkan oleh mekanisme yang membawa kepada produk hopanoid yang berbeza. Serangan nukleofilik air akan menghasilkan diplopterol, manakala penyahprotonan di karbon bersebelahan akan membentuk satu daripada beberapa isomer hopena, selalunya diploptena.

Kefungsian

Selepas pengkitaran, hopanoid kerap diubah suai oleh enzim biosintesis hopanoid yang dikodkan oleh gen dalam operon yang sama seperti shc dan hpn. Sebagai contoh, protein SAM radikal HpnH menambah kumpulan adenosina kepada diploptena, membentuk adenosilhopana, hopanoid C₃₅ lanjutan, yang kemudiannya boleh difungsikan lagi oleh produk gen hpn yang lain. HpnG memangkinkan penyingkiran adenina daripada adenosilhopana untuk membuat ribosil hopane yang bertindak balas untuk membentuk bakteriohopanetetrol (BHT) dalam tindak balas yang dibantu oleh enzim yang belum diketahui. Pengubahsuaian tambahan mungkin berlaku apabila HpnO mengaminakan terminal hidroksil di BHT, menghasilkan amino bakteriohopanetriol, atau apabila glikosiltransferase HpnI menukarkan BHT kepada N-asetilglukosaminil-BHT. Dalam urutan, biosintesis hopanoid berkaitan protein HpnK mengantara penyahasetilan kepada glukosaminil-BHT, dari mana protein SAM radikal HpnJ menjana eter siklitol.

Yang penting, hopanoid C₃₀ dan C₃₅ sama boleh dimetilkan di kedudukan C₂ dan C₃ oleh SAM radikal metiltransferase HpnP dan HpnR, masing-masing. Kedua-dua pemetilam ini terutamanya geostabil berbanding dengan pengubahsuaian rantaian sampingan, dan telah menarik minat ahli geobiologi selama beberapa dekad.

Dalam laluan biosintetik yang eksklusif dalam sesetengah bakteria, enzim tetrahimanol sintase memangkinkan penukaran hopanoid diploptena kepada pentasiklik triterpenoid tetrahimanol. Dalam eukariot seperti Tetrahymena, tetrahimanol sebaliknya disintesis terus daripada skualena oleh siklase tanpa homologi kepada bakteria tetrahimanol sintase.

Dalam paleobiologi

Hopanoid telah dianggarkan sebagai produk semula jadi yang paling banyak di Bumi, kekal dalam pecahan organik semua sedimen, bebas daripada umur, asal usul atau alam semula jadi. Jumlah keseluruhan di Bumi dianggarkan sebagai 10 x 10¹⁸ gram (10¹² tan) pada 1992. Biomolekul seperti DNA dan protein terdegradasi semasa diagenesis, tetapi lipid polisiklik kekal dalam persekitaran sepanjang skala masa geologi oleh kerana strukturnya yang bersatu dan stabil. Walaupun hopanoid dan sterol dikurangkan kepada hopana dan sterana semasa pemendapan, produk diagenetik ini masih boleh menjadi biopenanda berguna, atau fosil molekul, untuk mengkaji evolusi bersama kehidupan awal dan Bumi.

Pada masa ini, fosil triterpenoid yang tidak dipertikaikan tertua yang dikesan ialah okenana Mesoproterozoik, sterana dan metilhopana daripada lembangan berusia 1.64 Ga (bilion tahun) di Australia. Walau bagaimanapun, analisis jam molekul menganggarkan bahawa sterol terawal mungkin dihasilkan sekitar 2.3 Ga yang lalu, kira-kira masa yang sama dengan Peristiwa Pengoksidaan Besar, dengan sintesis hopanoid timbul lebih awal lagi.

Atas beberapa sebab, hopanoid dan skualene-hopena siklase telah dihipotesiskan sebagai lebih purba daripada sterol dan oksidoskualena siklase. Pertama, diplopterol disintesis apabila air memadamkan karbokation C₂₂ yang terbentuk semasa pempolisiklikan. Ini menunjukkan bahawa hopanoid boleh dibuat tanpa oksigen molekul, dan boleh berfungsi sebagai pengganti sterol sebelum atmosfera mengumpul oksigen, yang bertindak balas dengan skualene dalam tindak balas yang dimangkinkan oleh skualena monooksigenase semasa biosintesis sterol. Tambahan pula, skualena mengikat skualena-hopena siklase dalam konformasi semua kerusi bertenaga rendah, manakala oksidoskualene dikitar dalam konformasi kerusi-bot-kerusi-bot yang lebih tegang. Skualena-hopena siklase juga memaparkan lebih banyak pergaulan substrat kerana ia mengitar oksidoskualena secara in vitro, menyebabkan sesetengah saintis membuat hipotesis bahawa ia merupakan pendahulu evolusi kepada oksidoskualena siklase. Para saintis lain telah mencadangkan bahawa skualena-hopena dan oksidoskualena siklase menyimpang daripada leluhur yang sama, sejenis siklase bakteria yang diduga yang akan menghasilkan produk malabarikanoid trisiklik atau damaranoid tetrasiklik.

2-metilhopanoid

Struktur 2-α-metilhopana dengan karbon struktur asas hopana dinomborkan mengikut tatanama lazim. Kumpulan metil pada kedudukan C₂ ditunjukkan dengan warna merah.

Sebagai biopenanda sianobakteria

Cadangan

2-metilhopana, sering dikira sebagai indeks 2-α-metilhopana, pertama kali dicadangkan sebagai biopenanda fotosintesis oksigen oleh Roger Summons dan rakan sekerja berikutan penemuan lipid pendahulu, 2-metilhopanol, dalam kultur dan tikar sianobakteria. Penemuan seterusnya 2-α-metilhopana yang disangka daripada sianobakteria fotosintesis dalam syal 2.7 Ga dari Pilbara Craton di Australia Barat mencadangkan jurang 400 Ma (juta tahun) antara evolusi metabolisme oksigen dan Peristiwa Pengoksidaan Besar. Walau bagaimanapun, penemuan ini kemudiannya ditolak kerana potensi pencemaran oleh hidrokarbon moden.

Kehadiran sianobakteria putatif berdasarkan 2-metilhopana yang banyak telah digunakan untuk menjelaskan pemendapan syal hitam semasa Peristiwa Anoksia Lautan Aptia dan Kenomania–Turonia (OAE) dan tanda isotop¹⁵N yang berkaitan menunjukkan pengikatan N₂. Sebaliknya, nilai indeks 2-α-metilhopana secara relatifnya rendah merentasi sedimen Frasnia dan Famenia yang serupa yang sepadan dengan kejadian Kellwasser,walaupun tahap yang lebih tinggi telah dilaporkan dalam bahagian Famenia Bawah kemudian.

Pertikaian

Status 2-metilhopanoid sebagai biopenanda sianobakteria telah dicabar oleh beberapa penemuan mikrobiologi. Geobacter sulfurreducens telah diperhatikan mensintesis pelbagai hopanol, walaupun bukan 2-metil-hopanol, apabila ditanam dalam keadaan anaerobik yang ketat. Tambahan pula, fototrof anoksigen Rhodopseudomonas palustris didapati menghasilkan 2-metil-BHP hanya dalam keadaan anoksia. Penemuan terakhir ini juga membawa kepada pengenalpastian gen pengekodan utama metiltransferase HpnP. hpnP kemudiannya dikenal pasti dalam asidobakteria dan banyak alfaproteobakteria, dan analisis filogenetik gen menyimpulkan bahawa ia berasal dari alfaproteobakteria dan diperoleh oleh sianobakteria dan asidobakteriota melalui pemindahan gen mendatar.

Dalam kalangan sianobakteria, pengeluaran hopanoid secara amnya terhad kepada sianobakteria daratan. Dalam kalangan sianobakteria marin, eksperimen kultur yang dijalankan oleh Helen Talbot dan rakan sekerja membuat kesimpulan bahawa hanya dua spesies marin– Trichodesmium dan Crocosphaera–menghasilkan bakteriohopanepoliol. Pencarian berasaskan gen kemudian untuk hpnP dalam genom sianobakteria tersedia dan genom dipasang metagenom (MAG) membuat kesimpulan yang sama, mengenal pasti gen dalam ~30% spesies daratan dan air tawar, dan hanya satu daripada 739 genom sianobakteria marin dan MAG. Selain itu, Nostoc punctiforme menghasilkan jumlah terbesar 2-metilhopanoid apabila dibezakan kepada akinet. Struktur sel tahan sejuk dan pengeringan ini tidak aktif, dan oleh itu, tidak aktif berfotosintesis, seterusnya mencabar perkaitan antara 2-metilhopana dan fotosintesis oksigenik.

Tafsiran lain

Penyelidikan yang menunjukkan bahawa bakteria pengoksida nitrit (NOB) Nitrobacter vulgaris meningkatkan pengeluaran 2-metilhopanoid 33 kali ganda apabila ditambah dengan kobalamin telah meneruskan penjelasan bukan sianobakteria buat kelimpahan 2-metilhopana yang diperhatikan yang dikaitkan dengan OAE Kapur. Felix Elling dan rakan sekerja mencadangkan bahawa peredaran terbalik membawa air dalam yang kaya dengan ammonia dan kobalt ke permukaan, masing-masing menggalakkan pengoksidaan nitrit aerob dan sintesis kobalamin. Model ini juga menangani kekurangan ketara 2-metilhopana yang dikaitkan dengan kejadian sapropel Mediterranean dan dalam sedimen Laut Hitam moden. Disebabkan kedua-dua persekitaran mempunyai aliran atasan yang jauh lebih sedikit, NOB penghasil 2-metilhopanoid seperti N. vulgaris dikalahkan oleh NOB dengan afiniti nitrit dan bakteria anamoks yang lebih tinggi.

Tinjauan alam sekitar oleh Jessica Ricci dan pengarang bersama menggunakan metagenom dan perpustakaan klon mendapati korelasi yang ketara antara komuniti mikrob yang berkaitan dengan tumbuhan dan kehadiran hpnP, berdasarkan mana mereka mencadangkan bahawa 2-metilhopanoid ialah biopenanda bagi komuniti mikrob sesil tinggi dalam osmolariti, dan rendah oksigen serta nitrogen tetap.

3-metilhopanoid

3-metilhopanoid secara sejarah telah dikaitkan dengan metanotrofi aerob berdasarkan eksperimen kultur, dan kejadian bersama dengan metanotrof aerobik dalam persekitaran. Oleh itu, kehadiran 3-metilhopana, bersama-sama dengan penyusutan¹³C, dianggap sebagai penanda metanotrofi aerobik purba. Walau bagaimanapun, bakteria asid asetik telah diketahui dalam beberapa dekad turut menghasilkan 2-metilhopanoid. Selain itu, berikutan pengenalpastian hpnR mereka, gen yang bertanggungjawab dalam pemetilan hopanoid di kedudukan C₃, Paula Welander dan Roger Summons mengenal pasti homolog hpnR yang diduga dalam ahli alfa-, beta-, dan gamaproteobakteria, aktinomisetota, nitrospirota, filum calon NC10 dan asidobakterium, serta dalam tiga metagenom. Oleh itu, Welander dan Summons membuat kesimpulan bahawa 3-metilhopanoid secara semata-mata tidak boleh menjadi bukti metanotrofi aerobik.

Aplikasi

Industri

Mekanisme elegan di sebalik aktiviti protonase skualena-hopena siklase telah dihargai dan disesuaikan oleh jurutera kimia di Universiti Stuttgart, Jerman. Kejuruteraan tapak aktif mengakibatkan kehilangan keupayaan enzim untuk membentuk hopanoid, tetapi membolehkan pemangkinan asid Brønsted bagi pengkitaran stereoselektif monoterpenoid geraniol, epoksigeraniol dan sitronelal.

Pertanian

Penggunaan hopanoid dan pembancuh nitrogen penghasil hopanoid pada tanah telah dicadangkan dan dipatenkan sebagai teknik biobaja yang meningkatkan rintangan alam sekitar simbion mikrob yang berkaitan dengan tumbuhan, termasuk bakteria pengikat nitrogen yang penting untuk mengubah nitrogen atmosfera kepada bentuk larut yang tersedia buat tanaman.

Ubat

Semasa kajian kemudian mengenai interaksi antara diplopterol dan lipid A dalam Methylobacterium extorquens, pengangkutan pelbagai ubat didapati sebagai proses yang bergantung kepada hopanoid. Mutan skualena-hopena siklase perolehan semula jadi yang mampu mengeluarkan efluks berbilang ubat, sebuah mekanisme rintangan dadah dibantu protein pengangkutan integral, kehilangan keupayaan untuk melakukan kedua-dua pengangkutan berbilang ubat serta sintesis hopanoid. Penyelidik menunjukkan ini mungkin disebabkan oleh pengawalan langsung protein pengangkutan oleh hopanoid atau secara tidak langsung dengan mengubah susunan membran dengan cara yang mengganggu sistem pengangkutan.