Сидерофор - Siderophore

Структура сидерофоров триацетилфусаринина, инкапсулирующего железо (III) в трис (гидроксамат) координационной сфере (цветовой код: красный = кислород, серый = углерод, синий = азот, темно-синий = железо).

Сидерофоры (греческий: «железный носитель») маленькие, с высоким сродством железы - хелатирующие соединения, которые секретируются микроорганизмами , такие как бактерия и грибы и служит главным образом для транспортировки железа через клеточные мембраны , хотя расширение диапазон функций сидерофора теперь быть оценен . Сидерофоры являются одними из самых сильных известных растворимых связывающих Fe 3+ агентов.

Нехватка растворимого железа

Несмотря на то, что железо является одним из самых распространенных элементов в земной коре, оно не является биодоступным. В большинстве аэробных сред, таких как почва или море, железо находится в состоянии трехвалентного железа (Fe 3+ ), которое имеет тенденцию образовывать нерастворимые твердые частицы, похожие на ржавчину. Чтобы питательные вещества были эффективными, они должны быть не только доступными, но и растворимыми. Микробы выделяют сидерофоры для удаления железа из этих минеральных фаз за счет образования растворимых комплексов Fe 3+, которые могут поглощаться активными транспортными механизмами. Многие сидерофоры представляют собой нерибосомные пептиды , хотя некоторые из них биосинтезируются независимо.

Сидерофоры также важны для некоторых патогенных бактерий для приобретения ими железа. У млекопитающих-хозяев железо прочно связано с белками, такими как гемоглобин , трансферрин , лактоферрин и ферритин . Строгий гомеостаз железа приводит к свободной концентрации около 10 -24 моль л -1 , следовательно, на патогенные бактерии оказывается большое эволюционное давление, чтобы получить этот металл. Например, возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis выделяет два сидерофоров, бациллибактин и петробактин , для удаления трехвалентного железа из железосодержащих белков. Хотя было показано, что бациллибактин связывается с белком иммунной системы сидерокалином , предполагается, что петробактин ускользает от иммунной системы и, как было показано, важен для вирулентности у мышей.

Сидерофоры являются одними из самых сильных известных связывающих Fe 3+ , причем энтеробактин является одним из самых сильных из них. Благодаря этому свойству они привлекли интерес медицинской науки к металлохелатной терапии , при этом сидерофор десфериоксамин B получил широкое распространение при лечении отравлений железом и талассемии .

Помимо сидерофоров, некоторые патогенные бактерии продуцируют гемофоры ( связывающие гем белки, поглощающие белок) или имеют рецепторы, которые связываются непосредственно с железом / гемовыми белками. У эукариот, другие стратегии для повышения растворимости железа и поглощения являются подкисление окружения (например , используемых корней растений) или внеклеточного сокращения из Fe 3+ в более растворимых Fe 2+ ионов.

Состав

Сидерофоров обычно образуют стабильную, hexadentate , восьмигранную комплекс преимущественно с Fe 3+ по сравнению с другими встречающимися в природе ионов металлов обильных, хотя , если есть меньше чем шесть донорные атомов вода может также координирует. Наиболее эффективными сидерофорами являются те, которые имеют три бидентатных лиганда на молекулу, образующие гексадентатный комплекс и вызывающие меньшее изменение энтропии, чем вызванное хелатированием одного иона трехвалентного железа с отдельными лигандами. Fe 3+ является сильной кислотой Льюиса , предпочитающей для координации сильные основания Льюиса, такие как анионные или нейтральные атомы кислорода. Микробы обычно высвобождают железо из сидерофоров путем восстановления до Fe 2+, который имеет небольшое сродство к этим лигандам.

Сидерофоры обычно классифицируются по лигандам, используемым для хелатирования трехвалентного железа. Основные группы сидерофоров включают катехолаты (феноляты), гидроксаматы и карбоксилаты (например, производные лимонной кислоты ). Лимонная кислота также может действовать как сидерофор. Большое разнообразие сидерофоров может быть связано с эволюционным давлением, оказываемым на микробы, с образованием структурно различных сидерофоров, которые не могут переноситься специфическими активными транспортными системами других микробов, или в случае дезактивации патогенов организмом-хозяином.

Разнообразие

Примеры сидерофоров, продуцируемых различными бактериями и грибами :

Феррихром, сидерофор гидроксамата
Десферриоксамин B , сидерофор гидроксамата
Энтеробактин , катехолат сидерофор
Азотобактин, сидерофор со смешанными лигандами
Пиовердин, сидерофор со смешанными лигандами
Иерсиниабактин, сидерофор со смешанными лигандами

Гидроксамат сидерофоры

Сидерофор Организм
феррихром Ustilago sphaerogena
Десфериоксамин B

( Дефероксамин )

Streptomyces pilosus

Streptomyces coelicolor

Десфериоксамин E Streptomyces coelicolor
фузарин C Фузариоз розовый
орнибактин Burkholderia cepacia
родоторуловая кислота Rhodotorula pilimanae

Катехолат сидерофоров

Сидерофор Организм
энтеробактин кишечная палочка

кишечные бактерии

бациллибактин Bacillus subtilis

бацилла сибирской язвы

вибриобактин Холерный вибрион

Смешанные лиганды

Сидерофор Организм
азотобактин Azotobacter vinelandii
пиовердин Синегнойная палочка
иерсиниабактин Yersinia pestis

Полный список структур сидерофоров (более 250) представлен в Приложении 1 в справочнике.

Биологическая функция

Бактерии и грибы

В ответ на ограничение содержания железа в окружающей их среде гены, участвующие в производстве и поглощении сидерофоров микробами, дерепрессируются , что приводит к производству сидерофоров и соответствующих белков захвата. У бактерий Fe 2+ -зависимые репрессоры связываются с ДНК выше генов, участвующих в продукции сидерофоров при высоких концентрациях внутриклеточного железа. При низких концентрациях Fe 2+ отделяется от репрессора, который, в свою очередь, отделяется от ДНК, что приводит к транскрипции генов. У грамотрицательных и богатых AT грамположительных бактерий это обычно регулируется репрессором Fur (регулятор захвата железа), в то время как у богатых GC грамположительных бактерий (например, актинобактерий ) это DtxR (репрессор дифтерийного токсина), поэтому -called , как производство опасного токсина дифтерии по Corynebacterium дифтерии также регулируется с помощью этой системы.

За этим следует экскреция сидерофоров во внеклеточную среду, где сидерофор секвестрирует и растворяет железо. Затем сидерофоры распознаются клеточно-специфическими рецепторами на внешней мембране клетки. У грибов и других эукариот комплекс Fe-сидерофор может внеклеточно восстанавливаться до Fe 2+ , в то время как во многих случаях весь комплекс Fe-сидерофор активно транспортируется через клеточную мембрану. У грамотрицательных бактерий они переносятся в периплазму через TonB-зависимые рецепторы и переносятся в цитоплазму переносчиками ABC .

Попадая в цитоплазму клетки, комплекс Fe 3+ -сидерофор обычно восстанавливается до Fe 2+ с высвобождением железа, особенно в случае «более слабых» лигандов сидерофоров, таких как гидроксаматы и карбоксилаты. Разложение сидерофоров или другие биологические механизмы также могут высвобождать железо, особенно в случае катехолатов, таких как энтеробактин железа, потенциал восстановления которых слишком низок для восстановителей, таких как флавинадениндинуклеотид , поэтому для высвобождения железа необходимо ферментативное разложение.

Растения

Хотя в большинстве почв содержится достаточно железа для роста растений, дефицит железа для растений является проблемой в известковых почвах из-за низкой растворимости гидроксида железа (III) . Известняковые почвы составляют 30% сельскохозяйственных угодий мира. В таких условиях травянистых растений (травы, зерновые и рис) секретные phytosiderophores в почву, типичный пример которых deoxymugineic кислоты . Фитосидерофоры имеют структуру, отличную от структуры сидерофоров грибов и бактерий, имеющих два центра связывания α-аминокарбоксилата вместе с одной единицей α-гидроксикарбоксилата. Эта последняя бидентатная функция обеспечивает фитосидерофоры высокой селективностью в отношении железа (III). При выращивании в почве с дефицитом железа корни злаковых растений выделяют сидерофоры в ризосферу. При поглощении железа (III) комплекс железо-фитосидерофор транспортируется через цитоплазматическую мембрану с использованием механизма протонного симпорта . Железа (III) , комплекс затем восстанавливают до железа (II) и железа передается nicotianamine , которые , хотя и очень похожи на phytosiderophores является селективным для железа (II) и не секретируется корней. Никотианамин переносит железо из флоэмы во все части растений.

Хелатирование синегнойной палочки

Железо является важным питательным веществом для бактерии Pseudomonas aeruginosa , однако доступ к нему в окружающей среде затруднен. Чтобы решить эту проблему, P. aeruginosa производит сидерофоры для связывания и транспортировки железа. Но бактерия, продуцирующая сидерофоры, не обязательно получает прямую пользу от приема железа. Скорее все члены клеточной популяции имеют равную вероятность доступа к комплексам железо-сидерофор. Производство сидерофоров также требует от бактерии затрат энергии. Таким образом, производство сидерофоров можно рассматривать как альтруистическую черту, потому что это выгодно для местной группы, но дорого для человека. Эта альтруистическая динамика требует, чтобы каждый член клеточной популяции в равной степени участвовал в производстве сидерофоров. Но иногда могут происходить мутации, в результате которых некоторые бактерии производят меньшее количество сидерофоров. Эти мутации дают эволюционное преимущество, потому что бактерия может извлечь выгоду из производства сидерофоров без затрат энергии. Таким образом, на рост можно выделить больше энергии. Члены клеточной популяции, которые могут эффективно продуцировать эти сидерофоры, обычно называют кооператорами; членов, которые производят мало сидерофоров или вообще не производят их, часто называют читерами. Исследования показали, что когда кооператоры и мошенники растут вместе, у кооператоров ухудшается физическая форма, а у мошенников - улучшается. Замечено, что величина изменения приспособленности увеличивается с увеличением ограничения железа. С повышением физической подготовки мошенники могут превзойти кооператоров; это приводит к общему снижению приспособленности группы из-за отсутствия достаточной продукции сидерофоров.

Экология

Сидерофоры становятся важными в экологической нише, определяемой низкой доступностью железа, причем железо является одним из критических факторов, ограничивающих рост практически всех аэробных микроорганизмов. Существует четыре основных экологических среды обитания: почва и поверхностные воды, морские воды, ткани растений (патогены) и ткани животных (патогены).

Почва и поверхностные воды

Почва - богатый источник бактерий и грибов. Обычными грамположительными видами являются виды, принадлежащие к Actinomycetales и виды родов Bacillus , Arthrobacter и Nocardia . Многие из этих организмов продуцируют и секретируют ферриоксамины, которые приводят к стимулированию роста не только организмов-продуцентов, но и других микробных популяций, которые способны использовать экзогенные сидерофоры. Почвенные грибы включают Aspergillus и Penicillium, которые преимущественно продуцируют феррихромы. Эта группа сидерофоров состоит из циклических гексапептидов и, следовательно, обладает высокой устойчивостью к деградации в окружающей среде, связанной с широким спектром гидролитических ферментов, присутствующих в гуминовых почвах. Почвы, содержащие разлагающийся растительный материал, имеют значение pH всего 3–4. В таких условиях организмы, продуцирующие гидроксамат сидерофоры, имеют преимущество из-за чрезвычайной кислотной стабильности этих молекул. Микробная популяция пресной воды похожа на микробную популяцию почвы, действительно, многие бактерии вымываются из почвы. Кроме того, пресноводные озера содержат большие популяции видов Pseudomonas , Azomonas , Aeromonos и Alcaligenes .

Морская вода

В отличие от большинства пресноводных источников, уровни железа в поверхностной морской воде чрезвычайно низки (от 1 нМ до 1 мкМ в верхних 200 м) и намного ниже, чем у V, Cr, Co, Ni, Cu и Zn. Практически все это железо находится в состоянии железа (III) и находится в комплексе с органическими лигандами. Эти низкие уровни железа ограничивают первичную продукцию фитопланктона и привели к гипотезе железа, в которой было высказано предположение, что приток железа будет способствовать росту фитопланктона и, таким образом, уменьшать содержание CO 2 в атмосфере . Эта гипотеза проверялась более чем в 10 различных случаях, и во всех случаях приводило к массовому цветению. Однако цветение продолжалось в течение различных периодов времени. Интересное наблюдение, сделанное в некоторых из этих исследований, заключалось в том, что концентрация органических лигандов увеличивалась за короткий промежуток времени, чтобы соответствовать концентрации добавленного железа, что подразумевает биологическое происхождение и ввиду их сродства к железу, возможно, являющегося сидерофором. или сидерофороподобная природа. Примечательно, что количество гетеротрофных бактерий также заметно увеличивалось в индуцированном железом цветении. Таким образом, существует элемент синергизма между фитопланктоном и гетеротрофными бактериями. Фитопланктону требуется железо (обеспечиваемое бактериальными сидерофорами), а гетеротрофным бактериям необходимы источники углерода, отличные от CO 2 (обеспечиваемые фитопланктоном).

Разбавленная природа пелагической морской среды способствует большим диффузионным потерям и затрудняет эффективность обычных стратегий поглощения железа на основе сидерофоров. Однако многие гетеротрофные морские бактерии действительно производят сидерофоры, хотя и обладают свойствами, отличными от тех, которые производятся наземными организмами. Многие морские сидерофоры являются поверхностно-активными и склонны образовывать молекулярные агрегаты, например аквахелины. Наличие жирной ацильной цепи придает молекулам высокую поверхностную активность и способность образовывать мицеллы . Таким образом, при секреции эти молекулы связываются с поверхностями и друг с другом, тем самым замедляя скорость диффузии от секретирующего организма и поддерживая относительно высокую локальную концентрацию сидерофоров. Фитопланктон требует большого количества железа, но большинство из них (а возможно, и все) не продуцируют сидерофоры. Однако фитопланктон может получать железо из комплексов сидерофоров с помощью мембраносвязанных редуктаз и, конечно, из железа (II), образующегося в результате фотохимического разложения сидерофоров железа (III). Таким образом, большая часть железа (возможно, всего железа), поглощаемого фитопланктоном, зависит от продукции бактериальных сидерофоров.

Патогены растений

Хризобактин
Ахромобактин

Большинство патогенов растений проникают в апоплазму , высвобождая пектолитические ферменты, которые способствуют распространению инвазивного организма. Бактерии часто заражают растения, проникая в ткани через устьица . Попав в растение, они распространяются и размножаются в межклеточных пространствах. При бактериальных сосудистых заболеваниях инфекция распространяется внутри растений через ксилему.

Попав в растение, бактерии должны уметь поглощать железо из двух основных транспортирующих железо лигандов, никотианамина и цитрата. Для этого они производят сидерофоры, таким образом, энтеробактериальная Erwinia chrysanthemi производит два сидерофоров, хризобактин и ахромобактин. Группа патогенов растений Xanthomonas продуцирует сидерофоры ксантоферрина для удаления железа.

Как и у человека, растения также обладают белками, связывающими сидерофор, участвующими в защите хозяина, такими как главный аллерген пыльцы березы Bet v 1, которые обычно секретируются и обладают липокалиноподобной структурой.

Патогены животных

Патогенные бактерии и грибы разработали средства выживания в тканях животных. Они могут поражать желудочно-кишечный тракт ( Escherichia , Shigella и Salmonella ), легкие ( Pseudomonas , Bordatella , Streptococcus и Corynebacterium ), кожу ( Staphylococcus ) или мочевыводящие пути ( Escherichia и Pseudomonas ). Такие бактерии могут колонизировать раны ( Vibrio и Staphylococcus ) и вызывать сепсис ( Yersinia и Bacillus ). Некоторые бактерии в течение длительного времени выживают во внутриклеточных органеллах, например Mycobacterium . (см. таблицу). Из-за этого постоянного риска бактериальной и грибковой инвазии у животных выработался ряд линий защиты, основанных на иммунологических стратегиях, системе комплемента, выработке белков, связывающих железо-сидерофор, и общем «изъятии» железа.

Тип инфекции Организм Сидерофор
Дизентерия Shigella sp. Аэробактин
Кишечные инфекции кишечная палочка Энтеробактин
Брюшной тиф Salmonella sp. Салмохелин
Чума Yersinia sp. Иерсиниабактин
Холера Vibrio sp. Вибриобактин
Легочные инфекции Pseudomonas sp. Пиовердиньш
Захлебывающийся кашель Bordetella sp. Алкалигин
Туберкулез Микобактерии туберкулеза Микобактины
Инфекции кожи и слизистых оболочек Staphylococcus sp. Стафилоферрин А
Сибирская язва бацилла сибирской язвы Петробактин

У большинства животных присутствуют два основных типа железосвязывающих белков, которые обеспечивают защиту от микробной инвазии: внеклеточная защита достигается за счет белков семейства трансферринов, а внутриклеточная защита достигается за счет ферритина. Трансферрин присутствует в сыворотке в количестве приблизительно 30 мкМ и содержит два сайта связывания железа, каждый из которых имеет чрезвычайно высокое сродство к железу. В нормальных условиях он насыщен примерно на 25–40%, что означает, что любое свободно доступное железо в сыворотке немедленно удаляется, что предотвращает рост микробов. Большинство сидерофоров не способны удалять железо из трансферрина. Млекопитающие также производят лактоферрин, который похож на сывороточный трансферрин, но обладает еще более высоким сродством к железу. Лактоферрин присутствует в секреторных жидкостях, таких как пот, слезы и молоко, тем самым сводя к минимуму бактериальную инфекцию.

Ферритин присутствует в цитоплазме клеток и ограничивает уровень внутриклеточного железа примерно до 1 мкМ. Ферритин представляет собой белок гораздо большего размера, чем трансферрин, и способен связывать несколько тысяч атомов железа в нетоксичной форме. Сидерофоры не могут напрямую мобилизовать железо из ферритина.

В дополнение к этим двум классам железосвязывающих белков, гормон, гепсидин, участвует в контроле высвобождения железа из абсорбирующих энтероцитов, хранящих железо гепатоцитов и макрофагов. Инфекция приводит к воспалению и высвобождению интерлейкина-6 (IL-6), который стимулирует экспрессию гепсидина. У людей выработка IL-6 приводит к низкому уровню сывороточного железа, что затрудняет проникновение патогенов. Было продемонстрировано, что такое истощение запасов железа ограничивает рост бактерий как во внеклеточных, так и внутриклеточных местах.

В дополнение к тактике «отмены железа» млекопитающие продуцируют белок, связывающий железо-сидерофор, сидерохелин. Сидерохелин является членом семейства белков липокалина, которые, хотя и разнообразны по последовательности, демонстрируют высококонсервативную структурную складку, 8-мицепочечный антипараллельный β-бочонок, который образует сайт связывания с несколькими соседними β-цепями. Сидерокалин (липокалин 2) имеет 3 положительно заряженных остатка, также расположенных в гидрофобном кармане, и они создают сайт связывания с высоким сродством для железо (III) -энтеробактина. Сидерокалин - сильнодействующее бактериостатическое средство против кишечной палочки . В результате инфекции он секретируется как макрофагами, так и гепатоцитами, энтеробактин выводится из внеклеточного пространства.

Медицинские приложения

Сидерофоры находят применение в медицине для лечения перегрузки железом и алюминием, а также в антибиотиках для улучшения нацеливания. Понимание механизмов действия сидерофоров открыло возможности для разработки низкомолекулярных ингибиторов, которые блокируют биосинтез сидерофоров и, следовательно, рост бактерий и вирулентность в железо-ограничивающих средах.

Сидерофоры полезны в качестве лекарств для облегчения мобилизации железа у людей, особенно при лечении заболеваний, связанных с железом, из-за их высокого сродства к железу. Одним из потенциально эффективных приложений является использование способности сидерофоров переносить железо для переноса лекарств в клетки путем приготовления конъюгатов между сидерофорами и антимикробными агентами. Поскольку микробы распознают и используют только определенные сидерофоры, ожидается, что такие конъюгаты обладают избирательной антимикробной активностью. Примером может служить цефалоспориновый антибиотик цефидерокол .


Доставка лекарств, опосредованная микробным транспортом железа (сидерофором), использует распознавание сидерофоров как агентов доставки железа, чтобы микроб ассимилировал конъюгаты сидерофоров с прикрепленными лекарственными средствами. Эти препараты смертельны для микроба и вызывают апоптоз микроба, когда он ассимилирует конъюгат сидерофоров. Благодаря добавлению железосвязывающих функциональных групп сидерофоров в антибиотики их эффективность значительно увеличилась. Это связано с опосредованной сидерофором системой захвата железа бактериями.

Применение в сельском хозяйстве

Poaceae (травы), включая важные для сельского хозяйства виды, такие как ячмень и пшеница , способны эффективно связывать железо, высвобождая фитосидерофоры через корень в ризосферу окружающей почвы . Химические соединения, продуцируемые микроорганизмами в ризосфере, также могут увеличивать доступность и усвоение железа. Такие растения, как овес, способны усваивать железо через эти микробные сидерофоры. Было продемонстрировано, что растения могут использовать феррихром сидерофоров гидроксаматного типа, родоторуловую кислоту и ферриоксамин B; сидерофоры катехолового типа, агробактин; и сидерофоры со смешанным лигандом катехол-гидроксамат-гидроксикислота, биосинтезируемые сапрофитными бактериями, колонизирующими корни. Все эти соединения продуцируются штаммами ризосферных бактерий, которые имеют простые пищевые потребности и встречаются в природе в почве, листве, пресной воде, отложениях и морской воде.

Флуоресцентные псевдомонады были признаны агентами биоконтроля против определенных почвенных патогенов растений. Они производят желто-зеленые пигменты ( пиовердины ), которые флуоресцируют в УФ-свете и действуют как сидерофоры. Они лишают патогенов железа, необходимого для их роста и патогенеза.

Ионы других металлов хелатированы

Сидерофоры, природные или синтетические, могут хелатировать ионы металлов, кроме ионов железа. Примеры включают алюминий , галлий , хром , медь , цинк , свинец , марганец , кадмий , ванадий , цирконий, индий , плутоний , берклий, калифорний и уран .

Связанные процессы

Альтернативными способами усвоения железа являются восстановление поверхности, снижение pH, утилизация гема или экстракция металла, связанного с белком. Последние данные свидетельствуют о том, что хелатирующие железо молекулы со свойствами, подобными сидерофорам, были продуцированы морскими бактериями в условиях ограничения роста фосфатов. В природе фосфат связывается с различными типами минералов железа, и поэтому было высказано предположение, что бактерии могут использовать молекулы, подобные сидерофорам, для растворения такого комплекса, чтобы получить доступ к фосфату.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Нейландс Дж. Б. (1952). «Кристаллический железоорганический пигмент из ржавого гриба (Ustilago sphaerogena)». Варенье. Chem. Soc. 74 (19): 4846–4847. DOI : 10.1021 / ja01139a033 .