УДК 661.164.22

Инсектицидная активность уреаз

Марочкин Никита Александрович – студент Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского.

Аннотация: Статья посвящена краткому литературному обзору инсектицидной активности уреаз и их влиянию на растения и грибы.

Ключевые слова: уреаза, инсектициды, канатоксин, насекомые-вредители.

Введение

Большое содержание уреаз в семенах бобовых, а также характер накопления белка во время созревания семян указывают на важную физиологическую роль этого фермента. С момента синтеза уреазы Джека Бина в 1926 году было проведено множество исследований структурных и биологических особенностей этого фермента. Тем не менее, многие вопросы все еще остаются неизученными. В различных источниках есть сведения о том, что уреазы, содержащиеся в растениях (семенах фасоли и сои), проявляют биологические свойства, не связанные с их уреолитической активностью, в частности высокую инсектицидную активность в отношении жесткокрылых (жуков) и полукрылых (клопов), что позволяет предположить, что уреазы могут участвовать в защите растений от данных вредителей. Помимо инсектицидной активности, канатоксин, изоформа уреазы Джека Бина, вызывает судороги и смерть у мышей и крыс, индуцирует непрямую гемагглютинацию (активность гемилектина) и способствует экзоцитозу в нескольких типах клеток. Не только растительные уреазы, но и некоторые микробные уреазы (обнаруженные в Bacillus pasteurii и Helicobacter pylori) способны индуцировать активацию тромбоцитов в процессе, опосредуемом метаболитами, происходящими из липооксигеназы.[1-3]

Основная часть

Уреазы принадлежат к группе многофункциональных белков, проявляющих уреолитическую активность, способны активировать тромбоциты крови и обладают инсектицидной активностью. Последнее подтверждает возможность того, что растительные уреазы играют защитную роль против фитопатогенов посредством совершенно другого механизма, не связанного с выделением аммиака.

Уреаза (амидогидролаза мочевины) представляет собой металлофермент, который катализирует гидролиз мочевины с образованием аммиака и диоксида углерода. Уреаза обнаружена в самых разнообразных организмах, включая растения, грибы и бактерии. Хотя мочевина является основным субстратом уреазы, этот фермент способен гидролизовать (хотя и слабо) другие субстраты, такие как ацетамид, формамид, N-метилмочевина, семикарбазид и гидроксимочевина. В сельском хозяйстве высокая активность уреазы вызывает значительные экологические и экономические проблемы из-за выброса аномально большого количества аммиака в атмосферу во время удобрения мочевиной. Помимо важности уреазы в обеспечении растений азотом и влияния микробных уреаз на сельское хозяйство и медицину, структура и каталитический механизм этого фермента представляют интерес из-за его значительного увеличения скорости гидролиза мочевины и присутствия никеля с активным центром, который является уникальным среди гидролитических ферментов.

С биохимической точки зрения наиболее изученной растительной уреазой является уреаза из бобов Джека (Canavalia ensiformis).[4-5]

Инсектицидная активность уреаз

Учитывая повсеместное присутствие уреаз в растениях и токсичность аммиака, долгое время считалось, что имеется защитная роль этих белков против хищников и патогенов. Однако связь между уреолитической активностью и защитой растений еще предстоит изучить. Фоллмер и команда в 2004 году проанализировали инсектицидную активность уреазы Джека Бина, эмбрионспецифической уреазы сои и уреазы из B. pasteurii, используя D. peruvianus, который является видом ковровых жуков, в качестве модели насекомых. Только растительные уреазы были токсичны при употреблении их в пищу ковровым жуком D. peruvianus. Канатоксин, в свою очередь, предварительно обработанный p-гидроксимертурибензоатом, сохраняет свою токсическую активность у млекопитающих, несмотря на полную потерю его уреолитической активности.

Для канатоксина также была описана противогрибковая активность, до открытия его гомологии с уреазой джека бина. Он ингибирует рост фитопатогенных грибов Macrophamina phaseolina, Sclerotium rofstii и Colletotrichum gloesporioides.[6-10]

Заключение

Уреазы прошли долгий путь с момента своего открытия в 1880-х годах. Их история полна как неудачных попыток, так и приятных новинок. Например, потребовалось более восьмидесяти лет, чтобы превратить первый кристалл фермента (уреазу) в полноценную трехмерную структуру, в то время как каталитический механизм уреолиза все еще обсуждается. Уреазы из растительных и микробных источников относятся к группе многофункциональных белков, проявляющих не только способность к уреолизу, но и токсическое действие на насекомых и способность активировать тромбоциты крови. Данные исследования помогают понять, что сейчас существует множество идей по синтезу новейших инсектицидных препаратов, которые будут более специфичны к насекомым-вредителям и безопасны для растений.

Список литературы

  1. Aronson AI, Shai Y. Why Bacillus thuringiensis insecticidal toxins are so effective: unique features of their mode of action. FEMS Microbiol Lett. 2001 Feb 5;195(1):1-8. doi: 10.1111/j.1574-6968.2001.tb10489.x.
  2. Cesareo SD, Langton SR. Kinetic properties of Helicobacter pylori urease compared with jack bean urease. FEMS Microbiol Lett. 1992 Nov 15;78(1):15-21. doi: 10.1016/0378-1097(92)90281-r. PMID: 1468614.
  3. Ghazaleh FA, Francischetti IM, Gombarovits ME, Carlini CR. Stimulation of calcium influx and platelet activation by canatoxin: methoxyverapamil inhibition and downregulation by cGMP. Arch Biochem Biophys. 1997 Mar 15;339(2):362-7. doi: 10.1006/abbi.1997.9898. PMID: 9056269.
  4. Carlini CR, Guimarães JA. Isolation and characterization of a toxic protein from Canavalia ensiformis (jack bean) seeds, distinct from concanavalin A. Toxicon. 1981;19(5):667-75. doi: 10.1016/0041-0101(81)90104-5. PMID: 7302956.
  5. Carlini CR, Grossi-de-Sá MF. Plant toxic proteins with insecticidal properties. A review on their potentialities as bioinsecticides. Toxicon. 2002 Nov;40(11):1515-39. doi: 10.1016/s0041-0101(02)00240-4. PMID: 12419503.
  6. Follmer C, Pereira FV, Da Silveira NP, Carlini CR. Jack bean urease (EC 3.5.1.5) aggregation monitored by dynamic and static light scattering. Biophys Chem. 2004 Sep 1;111(1):79-87. doi: 10.1016/j.bpc.2004.03.009. PMID: 15450378.
  7. Follmer C, Carlini CR. Effect of chemical modification of histidines on the copper-induced oligomerization of jack bean urease (EC 3.5.1.5). Arch Biochem Biophys. 2005 Mar 1;435(1):15-20. doi: 10.1016/j.abb.2004.12.001. PMID: 15680902.
  8. Ribeiro-DaSilva G, Prado JF. Increased insulin circulating levels induced by canatoxin in rats. Toxicon. 1993 Sep;31(9):1131-6. doi: 10.1016/0041-0101(93)90128-6. PMID: 8266345.
  9. Carlini CR, Oliveira AE, Azambuja P, Xavier-Filho J, Wells MA. Biological effects of canatoxin in different insect models: evidence for a proteolytic activation of the toxin by insect cathepsinlike enzymes. J Econ Entomol. 1997 Apr;90(2):340-8. doi: 10.1093/jee/90.2.340. PMID: 9145031.
  10. Cox GM, Mukherjee J, Cole GT, Casadevall A, Perfect JR. Urease as a virulence factor in experimental cryptococcosis. Infect Immun. 2000 Feb;68(2):443-8. doi: 10.1128/IAI.68.2.443-448.2000. PMID: 10639402; PMCID: PMC97161.

Интересная статья? Поделись ей с другими: