Myrosinase

Myrosinase und Glucosinolate werden in unterschiedlichen Zellen gespeichert. Bei Befall durch Krankheitserreger und Insekten kommen Substrat und Enzym zusammen, und das Glucosinolat wird zu einer toxischen Verbindung zur Abwehr umgesetzt. Der Forschungsstand zum pflanzlichen Myrosinase-Abwehrsystem wird zusammenfassend dargestellt, einschließlich der Struktur der Genfamilie, der Regulation der Genexpression, der zellulären Lokalisation der Myrosinase, Myrosinasen anderer Organismen außerhalb der Pflanze, Ursprung und Evolution des Glucosinolat-/Myrosinase-Systems sowie dessen mögliche Funktionen usw. Wird Pflanzengewebe der Senfgewächse geschädigt, kommt das Glucosinolat direkt mit der Myrosinase in Kontakt und wird zu Isothiocyanat, Nitril und weiteren toxischen Substanzen hydrolysiert, um die Pflanze vor weiterem Fraßschaden durch Herbivoren zu schützen.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Myrosinase.

Struktur

Myrosinase liegt als Dimer vor, wobei jede Untereinheit 60–70 kDa umfasst. Eine Röntgenstrukturanalyse (Röntgenkristallographie) der aus Senfblättern isolierten Myrosinase zeigte, dass die beiden Untereinheiten über ein Zinkatom verbunden sind; zudem werden Salzbrücken, Disulfidbrücken, Wasserstoffbrückenbindungen und Glykosylierung als stabilitätsfördernde Faktoren angesehen – insbesondere unter Bedingungen eingeschränkten Pflanzenwachstums sowie bei Angriff und ausgeprägter Gewebeschädigung. Ein Merkmal vieler β-Glucosidasen ist das Vorhandensein katalytischer Glutamatreste im aktiven Zentrum; in der Myrosinase sind jedoch zwei davon durch jeweils einen Glutaminrest ersetzt. Es wurde gezeigt, dass Ascorbinsäure die Funktion der Glutamatreste hinsichtlich der Enzymaktivität ersetzen kann.

Mechanismus

Myrosinase katalysiert die chemische Reaktion

ein Thioglucosid + H2O ein Zucker + ein Thiol

Damit sind die beiden Substrate des Enzyms Glucosinolate und H2O, und die beiden Produkte sind Zucker und Thiole. In Anwesenheit von Wasser spaltet die Myrosinase die Glucosegruppe von Glucosinolaten ab. Die verbleibenden Moleküle werden anschließend rasch zu Thiocyanat, Isothiocyanat oder Nitril umgewandelt. Diese sind wirksame Substanzen der pflanzlichen Abwehr. Myrosinase hydrolysiert Glucosinolate zu unterschiedlichen Produkten, abhängig von verschiedenen physiologischen Bedingungen wie pH-Wert und dem Vorhandensein bestimmter Kofaktoren. Es wurde beobachtet, dass alle bekannten Reaktionen dieselben initialen Schritte teilen. Zunächst spaltet die Myrosinase die β-Glucosinolat-Bindung unter Freisetzung von D-Glucose. Das gebildete Aglykon durchläuft eine spontane, Rosen-ähnliche Umlagerung unter Abspaltung von Sulfat. Der letzte Schritt dieses Mechanismus wird am stärksten durch die physiologischen Bedingungen beeinflusst, unter denen die Reaktion abläuft. Bei neutralem pH ist Isothiocyanat das Hauptprodukt. Unter sauren Bedingungen (pH <3) sowie in Anwesenheit von Eisen(II)-Ionen oder des Epithiospecifier-Proteins ist die Bildung von Nitril begünstigt.

Funktionen

Es ist allgemein bekannt, dass Myrosinase und ihr natürliches Substrat, das Glucosinolat, Bestandteil der pflanzlichen Abwehrreaktion sind. Wird eine Pflanze von Pathogenen, Insekten oder anderen Herbivoren angegriffen, nutzt sie Myrosinase, um die ursprünglich weitgehend unbedenklichen Glucosinolate in toxische Produkte wie Isothiocyanat, Thiocyanat und Nitril umzuwandeln.

Pflanzliche Kompartimentierung

Das Glucosinolat-Myrosinase-Abwehrsystem ist in Pflanzen auf einzigartige Weise organisiert. Pflanzen speichern Glucosinolate durch Kompartimentierung, sodass diese erst bei einem Angriff freigesetzt und aktiviert werden. Myrosinase wird überwiegend in Form von Myrosingranula in den Vakuolen spezifischer Parenchymzellen, sogenannter Myrosinzellen, gespeichert; es gibt jedoch auch Berichte über Proteinkörperchen bzw. Vakuolen sowie zytoplasmatische Enzyme, die zur Membranbindung neigen. Senfölglycoside werden in benachbarten, jedoch getrennten „S-Zellen“ gespeichert. Wird die Pflanze durch Gewebeschädigung verletzt, kommt Myrosinase mit Glucosinolat in Kontakt und aktiviert dieses rasch zu einer wirksamen antibakteriellen Form. Das wirksamste dieser Produkte ist Isothiocyanat, gefolgt von Thiocyanat und Nitril.

Evolution

Zu den Pflanzen, bei denen bekannt ist, dass sie das Myrosinase-Glucosinolat-Abwehrsystem evolviert haben, zählen: Weißer Senf (Sinapis alba), Gartenkresse (Lepidium sativum), Wasabi (Wasabia japonica), Daikon/Rettich (Raphanus sativus) sowie mehrere Vertreter der Familie der Kreuzblütler, darunter Gelbsenf (Brassica juncea), Raps (Brassica napus) und gängige Nahrungskreuzblütler wie Brokkoli, Blumenkohl, Kohl, Weißkohl und Grünkohl. Der bittere Nachgeschmack vieler dieser Gemüse lässt sich in der Regel auf die Hydrolyse von Glucosinolaten während der Zubereitung bzw. bei der Zerstörung des pflanzlichen Rohmaterials zurückführen. Papayasamen nutzen diese Abwehrmethode, das Fruchtfleisch selbst jedoch nicht.

Referenz