Ацетолактатсинтаза и её ингибиторы в растениях¶

Ацетолактатсинтаза (АЛС, также синтаза ацетогидроксикислот, AHAS) — фермент класса лиаз, катализирующий первую общую реакцию биосинтеза разветвлённых аминокислот — валина, лейцина и изолейцина. У растений, бактерий и грибов АЛС локализуется в пластидах или цитозоле и относится к семейству тиаминдифосфат-зависимых ферментов. У высших растений фермент кодируется небольшим семейством ядерных генов и синтезируется в цитозоле в виде предшественника, транспортируемого в хлоропласты. АЛС не встречается у животных, что делает её удобной мишенью для гербицидов и антибактериальных агентов.

¶Каталитическая функция

АЛС катализирует реакцию конденсации двух молекул пирувата с отщеплением одной молекулы углекислого газа и образованием ацетолактата (2-ацетогидроксибутаноата). Реакция протекает в два этапа: сначала тиаминдифосфат-зависимое декарбоксилирование пирувата даёт связанный гидроксиэтильный интермедиат, который затем присоединяется ко второй молекуле пирувата. Ацетолактат далее превращается в α-кетокислоты, служащие предшественниками валина, лейцина и изолейцина. Поскольку эти аминокислоты необходимы для синтеза белков, ингибирование АЛС быстро останавливает рост и деление клеток.

¶Структура и регуляция

Фермент представляет собой димер или тетрамер с молекулярной массой субъединицы около 60–70 кДа. Каждая субъединица содержит N-концевой регуляторный домен и C-концевой каталитический домен. Активность АЛС регулируется по механизму отрицательной обратной связи конечными продуктами пути — валином и лейцином, связывающимися с регуляторным доменом. У растений описаны две основные изоформы, различающиеся по чувствительности к ингибиторам и по экспрессии в разных тканях.

¶Ингибиторы АЛС

Ингибиторы ацетолактатсинтазы — обширная группа соединений, блокирующих фермент и применяемых преимущественно как гербициды. Их объединяет высокая фитотоксичность при низких нормах расхода и низкая токсичность для млекопитающих, у которых данный фермент отсутствует.

Основные химические классы:

• Сульфонилуреи (хлорсульфурон, метсульфурон-метил) — высокоактивные гербициды широкого спектра действия.
• Имидазолиноны (имазапир, имазетапир) — применяются на сое, зерновых и других культурах.
• Триазолопиримидины (пенокссулам) — противозлаковые препараты.
• Пиримидинилбензоаты (биспирибак-натрий) — гербициды для риса.
• Сульфониламинокарбонилтриазолиноны — относительно новый класс.

Механизм действия: ингибиторы конкурентно или неконкурентно связываются с каталитическим доменом, блокируя связывание пирувата или стадию конденсации. Следствие — прекращение синтеза разветвлённых аминокислот, накопление токсичных интермедиатов и гибель растения.

¶Устойчивость и применение

Широкое применение ингибиторов АЛС привело к отбору устойчивых биотипов сорных растений. Известны два основных механизма резистентности: мутации в гене АЛС, снижающие сродство фермента к ингибитору, и усиленный метаболизм гербицида. Мутации, например замена пролина в положении 197, обеспечивают устойчивость сразу к нескольким классам ингибиторов. Эти же мутации используются в селекции: созданы культурные растения с изменённой АЛС, устойчивые к соответствующим гербицидам, что позволяет применять препараты без повреждения посевов.

Помимо агрономии, ингибиторы АЛС исследуются как антибактериальные и противомикробные агенты, а также как инструменты изучения биосинтеза аминокислот. Фермент остаётся одной из наиболее изученных мишеней гербицидного действия в биохимии растений.