FepA

Många bakterier utsöndrar små järnbindande molekyler som kallas sideroforer , som binder starkt till järnjoner . FepA är ett integrerat bakteriellt yttermembranporinprotein som tillhör den yttre membranreceptorfamiljen och tillhandahåller den aktiva transporten av järn bundet av sideroforen enterobactin från det extracellulära utrymmet till periplasman av gramnegativa bakterier . FepA har också visat sig transportera vitamin B12 och koliciner B och D också. Detta protein tillhör familjen av ligandstyrda proteinkanaler .

Eftersom ingen energi är direkt tillgänglig för det yttre membranet, kommer energin för att driva transporten av ferri-enterobactin av FepA från protonmotorkraften ( elektrokemisk gradient ) som genereras av det inre membrankomplexet TonB–ExbB–ExbD. Denna kraft överförs fysiskt till FepA genom direkt interaktion mellan FepA och TonB .

Strukturera

Järnjonen på bilden är bunden av 3 katekolgrupper, som händer med molekylen enterobactin

Med användning av röntgenkristallografi visade sig strukturen av FepA vara en 724- rester 22-strängad p-cylinder . Den extracellulära sidan av cylindern innehåller slingor som fungerar som högaffinitet och högspecificitet ligandbindande ställen för ferri-enterobactin. N -terminalen bildar en mindre pluggdomän inuti den hydrofila cylindern, vilket effektivt stänger poren. Studier av FhuA, en liknande TonB -beroende yttre membrantransportör, visar att interaktionen mellan den N-terminala domänen och porens innerväggar stärks av nio saltbryggor och över 60 vätebindningar. N-terminalen har också två extracellulära slingor i poren, som tros hjälpa till i signaltransduktionen mellan ligandbindande och TonB-medierad transport, även om den exakta mekanismen inte är klar. Resterna 12 till 18 av den N-terminala domänen av FepA innefattar en region som kallas TonB-boxen, som inkluderar åtminstone en prolin- och glycinrest.

Enterobactin är en cyklisk triester av 2,3- dihydroxibensoylserin med en molekylvikt på 719 Da . Den binder järn(III)joner med hjälp av sex syreämnen från tre katekolgrupper , vilket ger en total laddning på -3. Liksom den bindande katekolen , tros enterobaktin också ha en trefaldig symmetri som dissekerar metallcentrumet.

Fungera

Järn är vanligtvis inte lättillgängligt i miljön som denna grupp av bakterier befinner sig i. Järn är dock väsentligt för att upprätthålla liv på grund av dess roll i co-enzymer av andning och DNA-syntes, så bakterier måste anpassa sig för att ha en mekanism för intag av järn . Eftersom Fe ³⁺ har en mycket låg löslighet existerar de flesta Fe ³⁺ -jonerna i bakteriernas omgivande miljö (t.ex. jord) som järnoxider eller hydroxider, och därför är antalet fritt Fe ³⁺ lågt. Därför har mikrober utvecklats till hemliga sideroforer , Fe3 ⁺ -bindande peptider, in i omgivningen och sedan aktivt transporterar Fe3 ⁺ -komplexet tillbaka in i cellen genom aktiv transport . Detta kan också ses med patogena bakterier inuti sin värd, där järn är hårt bundet av hemoglobin , transferrin , laktoferrin och ferritin , och därmed låg koncentration (10 ⁻²⁴ mol L ⁻¹ ). Här hemliggör den sideroforer som har en högre affinitet (med en bildningskonstant, eller ([ML])/([M][L]), på 10 49 ) ^till Fe ³⁺ än värdens järnbindande proteiner, och så kommer ta bort järn och transporteras sedan in i cellen. Bacillus anthracis , en grampositiv bakterie som orsakar mjältbrand , utsöndrar två sideroforer: bacillibactin och petrobactin. Escherichia coli hemligheter många järn-siderofor-transporter, men producerar bara en siderofor - enterobactin. Ferri-enterobaktinreceptorn FepA känner igen katekolatdelen av ferri-enterobaktin (FeEnt) och transporterar den över det yttre membranet från det extracellulära utrymmet in i periplasman. Bindningen tros vara i två faser, ett snabbt steg som känner igen FeEnt och ett långsammare steg som kan vara det första steget i translokation - förbereda komplexet för translokation. Båda stegen sker oberoende av TonB–ExbB–ExbD-komplexet och den protondrivkraft det tillhandahåller. I periplasman binds FeEnt av FepB och skickas till de inre membranproteinerna FepG och FepD genom aktiv transport, med energin som tillhandahålls av ATP-hydrolys katalyserad av cytoplasmatisk FepC. I cytoplasman hydrolyserar Fes enterobactin esteras och detta klyver enterobactin och frisätter Fe ³⁺ som därefter kommer att reduceras av samma protein, Fes, till Fe ²⁺ .

Möjliga mekanismer

När enterobaktin binder järn(III) förändrar detta både molekylens 3-dimensionella konformation och ändrar laddningen från neutral till negativ 3. FepA-bindningsstället, som bildas av de extracellulära slingorna, är sammansatt av positivt laddade aminosyror. Kombinationen av laddningsspecificitet och storleksbegränsning av fatet gör FepA-importen mycket specifik för ferri-enterobactin.

Transportmekanismen har beskrivits som liknande ett luftsluss. När liganden är bunden, antas det att poren tillsluts på den extracellulära sidan, vilket förhindrar att något kommer ut genom poren. FepA interagerar sedan med TonB genom en 5 aminosyror konsensussekvens, vilket inducerar en förändring av den N-terminala öppningen av en kanal till den periplasmatiska sidan. Detta skulle tillåta FepA att transportera ferri-enterobactin utan att tillåta joner och små molekyler att passera i någon riktning.

När liganden är bunden av FepA ändras konformationen av den N-terminala domänen för att öppna poren. Det finns kontroverser om hur utrymmet öppnas inuti fatet för att låta liganden passera igenom. Antingen stannar den N-terminala pluggdomänen kvar i cylindern och genomgår konformationsförändringar för att skapa en por eller så faller den tillfälligt ur cylindern. Det har antagits att det är energetiskt meningslöst att ta bort hela den N-terminala domänen för translokation, eftersom detta kräver brytning av saltbryggorna och många vätebindningar, men eftersom tunnan är vattenfylld skulle den energi som krävs skulle vara mycket mindre än man tidigare trott.

Rollen för N-terminalen avslöjas genom att använda en deletionsmutation av den N-terminala pluggen; proteinet kunde fortfarande föras in i membranet, men fungerar som en icke-selektiv por för större molekyler, uppvisad genom ökad permeabilitet av cellen för maltotetraos , maltopentaos, ferrikrom , såväl som flera antibiotika inklusive albomycin , vankomycin och bacitracin . Detta måste dock behandlas med försiktighet, eftersom cylinderformen kan ändras i avsaknad av N-terminalpluggen.