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.[2] 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.[21] DMAP terkondensasi dengan satu molekul IPP kepada geranil pirofosfat yang seterusnya terkondensasi dengan IPP lain untuk menghasilkan farnesil pirofosfat (FPP).[2] Skualena sintase yang dikodkan oleh gen sqs kemudian memangkinkan pemeluwapan dua molekul FPP kepada praskualena pirofosfat (PSPP) sebelum mengoksidakan NADPH untuk membebaskan skualena.[22] 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.[23] 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.[22]

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.[24][25] Enzim ini yang dikodkan oleh gen shc (juga dipanggil hpnF dalam sesetengah bakteria) mempunyai ciri lipatan ⍺-balang berganda bagi biosintesis terpenoid,[26] dan terdapat dalam sel sebagai homodimer monotopik, bermakna pasangan siklase adalah tertanam masuk tetapi tidak merentangi membran plasma.[24][27] Secara in vitro, enzim ini mempamerkan kekhususan substrat yang rambang, iaitu juga mengkitarkan 2,3-oksidoskualena.[28]

Sisa-sisa aromatik dalam tapak aktif membentuk beberapa karbokation yang tidak menguntungkan pada substrat yang dipadamkan oleh polisklisasi yang cepat.[25] 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.[4]

Kefungsian

Selepas pengkitaran, hopanoid kerap diubah suai oleh enzim biosintesis hopanoid yang dikodkan oleh gen dalam operon yang sama seperti shc dan hpn.[29] 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.[30] 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.[31] Pengubahsuaian tambahan mungkin berlaku apabila HpnO mengaminakan terminal hidroksil di BHT, menghasilkan amino bakteriohopanetriol, atau apabila glikosiltransferase HpnI menukarkan BHT kepada N-asetilglukosaminil-BHT.[32] Dalam urutan, biosintesis hopanoid berkaitan protein HpnK mengantara penyahasetilan kepada glukosaminil-BHT, dari mana protein SAM radikal HpnJ menjana eter siklitol.[32]

Yang penting, hopanoid C30 dan C35 sama boleh dimetilkan di kedudukan C2 dan C3 oleh SAM radikal metiltransferase HpnP dan HpnR, masing-masing.[33][34] Kedua-dua pemetilam ini terutamanya geostabil berbanding dengan pengubahsuaian rantaian sampingan, dan telah menarik minat ahli geobiologi selama beberapa dekad.[9]

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.[35]