Siderofor

Struktur av sideroforen triacetylfusarininkapslande järn(III) inom en tris(hydroxamat)-koordinationssfär (färgkod: röd = syre, grå = kol, blå = kväve, mörkblå = järn).

Sideroforer (grekiska: "järnbärare") är små, högaffinitetsjärn - kelatbildande föreningar som utsöndras av mikroorganismer som bakterier och svampar. De hjälper organismen att samla järn. Även om ett växande område av sideroforfunktioner nu uppskattas, är sideroforer bland de starkaste (högsta affinitets-) Fe3+ ^-bindemedlen som är kända. Fytosideroforer är sideroforer som produceras av växter.

Brist på lösligt järn

Trots att det är ett av de vanligaste elementen i jordskorpan, är järn inte lätt biotillgängligt. I de flesta aeroba miljöer, såsom marken eller havet, finns järn i järntillståndet ( Fe 3+ ⁾ , vilket tenderar att bilda olösliga rostliknande fasta ämnen. För att vara effektiva måste näringsämnen inte bara vara tillgängliga, de måste vara lösliga. Mikrober frisätter sideroforer för att avlägsna järn från dessa mineralfaser genom bildning av lösliga Fe ³⁺ -komplex som kan tas upp av aktiva transportmekanismer . Många sideroforer är icke-ribosomala peptider , även om flera biosyntetiseras oberoende.

Sideroforer är också viktiga för vissa patogena bakterier för deras förvärv av järn. Hos däggdjursvärdar är järn hårt bundet till proteiner som hemoglobin , transferrin , laktoferrin och ferritin . Den strikta homeostasen av järn leder till en fri koncentration på cirka 10 ⁻²⁴ mol L ⁻¹ , så det finns ett stort evolutionärt tryck på patogena bakterier för att erhålla denna metall. Till exempel mjältbrandspatogenen Bacillus anthracis två sideroforer, bacillibactin och petrobactin , för att avlägsna ferrijoner från järnhaltiga proteiner. Medan bacillibactin har visat sig binda till immunsystemets protein siderocalin , antas petrobaktin undvika immunsystemet och har visat sig vara viktigt för virulens hos möss.

Sideroforer är bland de starkaste bindemedlen till Fe ³⁺ som är kända, där enterobaktin är ett av de starkaste av dessa. På grund av denna egenskap har de tilldragit sig intresse från medicinsk vetenskap för metallkelationsterapi, med sideroforen desferrioxamine B som har fått utbredd användning i behandlingar för järnförgiftning och talassemi .

Förutom sideroforer producerar vissa patogena bakterier hemoforer ( hembindande rensande proteiner) eller har receptorer som binder direkt till järn/hemproteiner. I eukaryoter är andra strategier för att förbättra järnlöslighet och upptag försurning av omgivningen (t.ex. används av växtrötter) eller extracellulär reduktion av Fe 3+ ^till de mer lösliga Fe ²⁺ -jonerna.

Strukturera

Sideroforer bildar vanligtvis ett stabilt, hexadentat , oktaedriskt komplex företrädesvis med Fe ³⁺ jämfört med andra naturligt förekommande rikliga metalljoner, men om det finns färre än sex donatoratomer kan vatten också koordinera. De mest effektiva sideroforerna är de som har tre tvåtandade ligander per molekyl, som bildar ett hexadentatkomplex och orsakar en mindre entropisk förändring än den som orsakas av kelatbildning av en enda ferrijon med separata ligander. Fe ³⁺ är en stark Lewis-syra , som föredrar starka Lewis-baser såsom anjoniska eller neutrala syreatomer att koordinera med. Mikrober släpper vanligtvis järnet från sideroforen genom reduktion till Fe ²⁺ som har liten affinitet till dessa ligander.

Sideroforer klassificeras vanligtvis av de ligander som används för att kelera järnet. Huvudgrupperna av sideroforer inkluderar katekolater (fenolater), hydroxamater och karboxylater (t.ex. derivat av citronsyra ). Citronsyra kan också fungera som en siderofor. Den stora variationen av sideroforer kan bero på evolutionära tryck som läggs på mikrober för att producera strukturellt olika sideroforer som inte kan transporteras av andra mikrobers specifika aktiva transportsystem, eller i fallet med patogener som deaktiverats av värdorganismen.

Mångfald

Exempel på sideroforer som produceras av olika bakterier och svampar :

Ferrikrom, en hydroxamatsiderofor

Desferrioxamine B , en hydroxamatsiderofor

Enterobactin , en katekolatsiderofor

Azotobactin, en siderofor med blandad ligand

Pyoverdine, en siderofor med blandad ligand

Yersiniabactin, en siderofor med blandad ligand

Hydroxamatsideroforer

Siderofor	Organism
ferrikrom	Ustilago sphaerogena
desferrioxamin B ( deferoxamin )	Streptomyces pilosus Streptomyces coelicolor
desferrioxamin E	Streptomyces coelicolor
fusarinin C	Fusarium roseum
ornibactin	Burkholderia cepacia
rhodotorulsyra	Rhodotorula pilimanae

Katekolatera sideroforer

Siderofor	Organism
enterobaktin	Escherichia coli tarmbakterier
bacillibaktin	Bacillus subtilis Bacillus anthracis
vibriobactin	Vibrio cholerae

Blandade ligander

Siderofor	Organism
azotobactin	Azotobacter vinelandii
pyoverdine	Pseudomonas aeruginosa
yersiniabactin	Yersinia pestis

Aminokarboxylatligander

Siderofor	Organism
Mugininsyra	Hordeum vulgare korn
Nikotianamin	ris

En omfattande lista över sideroforstrukturer (över 250) presenteras i bilaga 1 som referens.

Biologisk funktion

Bakterier och svampar

avtrycks gener involverade i mikrobsideroforproduktion och -upptag, vilket leder till tillverkning av sideroforer och lämpliga upptagsproteiner. I bakterier binder Fe2 ⁺ -beroende repressorer till DNA uppströms till gener involverade i sideroforproduktion vid höga intracellulära järnkoncentrationer. Vid låga koncentrationer dissocierar Fe ²⁺ från repressorn, som i sin tur dissocierar från DNA:t, vilket leder till transkription av generna. Hos gramnegativa och AT-rika grampositiva bakterier regleras detta vanligtvis av Fur (ferric uptake regulator) repressorn, medan det hos GC-rika grampositiva bakterier (t.ex. Actinomycetota ) är DtxR (difteritoxinrepressor), så -kallas som produktionen av det farliga difteritoxinet av Corynebacterium diphtheriae regleras också av detta system.

Detta följs av utsöndring av sideroforen i den extracellulära miljön, där sideroforen verkar för att binda och solubilisera järnet. Sideroforer känns sedan igen av cellspecifika receptorer på cellens yttre membran. Hos svampar och andra eukaryoter kan Fe-sideroforkomplexet reduceras extracellulärt till Fe ²⁺ , medan i många fall hela Fe-sideroforkomplexet transporteras aktivt över cellmembranet. Hos gramnegativa bakterier transporteras dessa in i periplasman via TonB-beroende receptorer och överförs till cytoplasman av ABC-transportörer .

Väl i cellens cytoplasma reduceras Fe ^{3+ -sideroforkomplexet vanligtvis till Fe 2+} för att frigöra järnet, speciellt i fallet med "svagare" sideroforligander såsom hydroxamat och karboxylater. Sideroforsönderdelning eller andra biologiska mekanismer kan också frigöra järn, speciellt i fallet med katekolater såsom ferri-enterobactin, vars reduktionspotential är för låg för reduktionsmedel såsom flavinadenindinukleotid, varför enzymatisk nedbrytning behövs för att frigöra järnet.

Växter

Deoxymuginsyra, en fytosiderofor.

Även om det finns tillräckligt med järn i de flesta jordar för växttillväxt, är växtjärnbrist ett problem i kalkrik jord , på grund av den låga lösligheten av järn(III)hydroxid . Kalkrik jord står för 30 % av världens jordbruksmark. Under sådana förhållanden graminväxter (gräs, spannmål och ris) fytosideroforer i jorden, ett typiskt exempel är deoxymuginsyra. Fytosideroforer har en annan struktur än de hos svamp- och bakteriesideroforer som har två a-aminokarboxylatbindande centra, tillsammans med en enda a-hydroxikarboxylatenhet. Denna senare tvåtandade funktion ger fytosideroforer en hög selektivitet för järn(III). När de odlas i en jord med brist på järn, utsöndrar rötter från graminväxter sideroforer i rhizosfären. Vid rensande av järn(III) transporteras järn-fytosideroforkomplexet över det cytoplasmatiska membranet med hjälp av en protonsymportmekanism . Järn(III)-komplexet reduceras sedan till järn(II) och järnet överförs till nikotianamin , som även om det är mycket likt fytosideroforerna är selektivt för järn(II) och utsöndras inte av rötterna. Nikotianamin translokerar järn i floem till alla växtdelar.

Kelatering i Pseudomonas aeruginosa

Järn är ett viktigt näringsämne för bakterien Pseudomonas aeruginosa , men järn är inte lättillgängligt i miljön. För att övervinna detta problem P. aeruginosa sideroforer för att binda och transportera järn. Men bakterien som producerade sideroforerna får inte nödvändigtvis den direkta fördelen av järnintaget. Snarare är det lika troligt att alla medlemmar av den cellulära populationen kommer åt järn-sideroforkomplexen. Produktionen av sideroforer kräver också att bakterien förbrukar energi. Således kan sideroforproduktion ses som en altruistisk egenskap eftersom den är fördelaktig för den lokala gruppen men kostsam för individen. Denna altruistiska dynamik kräver att varje medlem av den cellulära populationen bidrar lika mycket till sideroforproduktion. Men ibland kan mutationer uppstå som resulterar i att vissa bakterier producerar mindre mängder siderofor. Dessa mutationer ger en evolutionär fördel eftersom bakterien kan dra nytta av sideroforproduktion utan att drabbas av energikostnaden. Därmed kan mer energi allokeras till tillväxt. Medlemmar av den cellulära populationen som effektivt kan producera dessa sideroforer kallas vanligtvis för samarbetspartners; medlemmar som producerar lite eller inga sideroforer kallas ofta för fuskare. Forskning har visat att när samarbetspartners och fuskare odlas tillsammans, har samarbetspartners en minskning i kondition medan fuskare har en ökning i kondition. Det observeras att omfattningen av förändringen i konditionen ökar med ökande järnbegränsning. Med en ökad kondition kan fuskarna konkurrera ut samarbetspartnerna; detta leder till en total minskning av gruppens kondition på grund av brist på tillräcklig sideroforproduktion.

Ekologi

Sideroforer blir viktiga i den ekologiska nisch som definieras av låg järntillgång, järn är en av de kritiska tillväxtbegränsande faktorerna för praktiskt taget alla aeroba mikroorganismer. Det finns fyra stora ekologiska livsmiljöer: mark och ytvatten, marint vatten, växtvävnad (patogener) och djurvävnad (patogener).

Jord och ytvatten

Jorden är en rik källa till bakterie- och svampsläkten. Vanliga grampositiva arter är de som tillhör Actinomycetales och arter av släktena Bacillus , Arthrobacter och Nocardia . Många av dessa organismer producerar och utsöndrar ferrioxaminer som leder till tillväxtfrämjande av inte bara de producerande organismerna utan även andra mikrobiella populationer som kan utnyttja exogena sideroforer. Jordsvampar inkluderar Aspergillus och Penicillium producerar övervägande ferrikromer. Denna grupp av sideroforer består av cykliska hexapeptider och är följaktligen mycket resistenta mot miljöförstöring i samband med det breda utbudet av hydrolytiska enzymer som finns i humusjord. Jordar som innehåller ruttnande växtmaterial har pH-värden så låga som 3–4. Under sådana förhållanden har organismer som producerar hydroxamatsideroforer en fördel på grund av den extrema syrastabiliteten hos dessa molekyler. Den mikrobiella populationen i sötvatten liknar den i jord, och många bakterier tvättas ut från jorden. Dessutom innehåller sötvattensjöar stora populationer av arter Pseudomonas , Azomonas , Aeromonos och Alcaligenes .

Marint vatten

Till skillnad från de flesta sötvattenkällor är järnhalterna i ythavsvatten extremt låga (1 nM till 1 μM i de övre 200 m) och mycket lägre än för V, Cr, Co, Ni, Cu och Zn. Praktiskt taget allt detta järn är i järn(III)-tillståndet och komplexbundet till organiska ligander. Dessa låga nivåer av järn begränsar den primära produktionen av växtplankton och har lett till järnhypotesen där det föreslogs att ett inflöde av järn skulle främja växtplanktontillväxt och därigenom minska atmosfärisk CO ₂ . Denna hypotes har testats vid mer än 10 olika tillfällen och i alla fall resulterade massiva blomningar. Men blomningarna höll i sig under varierande tidsperioder. En intressant observation som gjordes i några av dessa studier var att koncentrationen av de organiska liganderna ökade under en kort tidsperiod för att matcha koncentrationen av tillsatt järn, vilket antyder biologiskt ursprung och med tanke på att deras affinitet för järn eventuellt är av en siderofor eller sideroforliknande natur. Betydande nog heterotrofa bakterier också markant öka i antal i de järninducerade blomningarna. Det finns alltså ett element av synergism mellan växtplankton och heterotrofa bakterier. Växtplankton kräver järn (tillhandahålls av bakteriella sideroforer), och heterotrofa bakterier kräver icke-CO ₂ kolkällor (tillhandahålls av växtplankton).

Den utspädda naturen hos den pelagiska marina miljön främjar stora diffusiva förluster och gör effektiviteten av de normala sideroforbaserade järnupptagningsstrategierna problematisk. Men många heterotrofa marina bakterier producerar sideroforer, om än med egenskaper som skiljer sig från dem som produceras av landlevande organismer. Många marina sideroforer är ytaktiva och tenderar att bilda molekylära aggregat, till exempel akvacheliner. Närvaron av fettacylkedjan gör att molekylerna har en hög ytaktivitet och en förmåga att bilda miceller . Sålunda, när de utsöndras, binder dessa molekyler till ytor och till varandra, och bromsar därigenom diffusionshastigheten bort från den utsöndrande organismen och bibehåller en relativt hög lokal sideroforkoncentration. Växtplankton har höga järnbehov och ändå producerar majoriteten (och möjligen alla) inte sideroforer. Växtplankton kan dock erhålla järn från sideroforkomplex med hjälp av membranbundna reduktaser och säkerligen från järn(II) genererat via fotokemisk nedbrytning av järn(III)sideroforer. Således är en stor andel järn (möjligen allt järn) som absorberas av växtplankton beroende av bakteriell sideroforproduktion.

Växtpatogener

Chrysobactin

Achromobactin

De flesta växtpatogener invaderar apoplasman genom att frigöra pektolytiska enzymer som underlättar spridningen av den invaderande organismen. Bakterier infekterar ofta växter genom att ta sig in i vävnaden via stomata . Efter att ha kommit in i växten sprider de sig och förökar sig i de intercellulära utrymmena. Med bakteriella kärlsjukdomar sprids infektionen inom växterna genom xylem .

Väl inne i växten måste bakterierna kunna ta bort järn från de två huvudsakliga järntransporterande liganderna, nikotianamin och citrat. För att göra detta producerar de sideroforer, sålunda producerar den enterobakteriella Erwinia chrysanthemi två sideroforer, krysobaktin och akromobaktin. Xanthomonas -gruppen av växtpatogener producerar xanthoferrinsideroforer för att avlägsna järnet.

Liksom hos människor har växter också sideroforbindande proteiner involverade i värdförsvaret, som det stora björkpollenallergenet, Bet v 1, som vanligtvis utsöndras och har en lipokalinliknande struktur.

Djurpatogener

Patogena bakterier och svampar har utvecklat metoder för överlevnad i djurvävnad. De kan invadera mag-tarmkanalen ( Escherichia , Shigella och Salmonella ), lungan ( Pseudomonas , Bordatella , Streptococcus och Corynebacterium ), huden ( Staphylococcus ) eller urinvägarna ( Escherichia och Pseudomonas ). Sådana bakterier kan kolonisera sår ( Vibrio och Staphylococcus ) och vara ansvariga för septikemi ( Yersinia och Bacillus ). Vissa bakterier överlever under långa tidsperioder i intracellulära organeller, till exempel Mycobacterium . (se bordet). På grund av denna ständiga risk för bakteriell och svampinvasion har djur utvecklat ett antal försvarslinjer baserade på immunologiska strategier, komplementsystemet, produktionen av järn-sideroforbindande proteiner och det allmänna "uttaget" av järn.

Typ av infektion	Organism	Siderofor
Dysenteri	Shigella sp.	Aerobactin
Tarminfektioner	Escherichia coli	Enterobactin
Tyfus	Salmonella sp.	Salmochelin
Plåga	Yersinia sp.	Yersiniabactin
Kolera	Vibrio sp.	Vibriobactin
Lunginfektioner	Pseudomonas sp.	Pyoverdins
Kikhosta	Bordetella sp.	Alcaligin
Tuberkulos	Mycobacterium tuberculosis	Mykobaktiner
Hud- och slemhinnorinfektioner	Staphylococcus sp.	Staphyloferrin A
Mjältbrand	Bacillus anthracis	Petrobaktin

Det finns två huvudtyper av järnbindande proteiner närvarande i de flesta djur som ger skydd mot mikrobiell invasion - extracellulärt skydd uppnås av transferrinfamiljen av proteiner och intracellulärt skydd uppnås av ferritin. Transferrin finns i serumet vid cirka 30 μM och innehåller två järnbindningsställen, var och en med extremt hög affinitet för järn. Under normala förhållanden är det cirka 25–40 % mättat, vilket innebär att allt fritt tillgängligt järn i serumet omedelbart avlägsnas – vilket förhindrar mikrobiell tillväxt. De flesta sideroforer kan inte ta bort järn från transferrin. Däggdjur producerar också laktoferrin, som liknar serumtransferrin men har en ännu högre affinitet för järn. Laktoferrin finns i sekretoriska vätskor, såsom svett, tårar och mjölk, vilket minimerar bakterieinfektioner.

Ferritin finns i cellernas cytoplasma och begränsar den intracellulära järnnivån till cirka 1 μM. Ferritin är ett mycket större protein än transferrin och kan binda flera tusen järnatomer i en icke-toxisk form. Sideroforer kan inte direkt mobilisera järn från ferritin.

Förutom dessa två klasser av järnbindande proteiner är ett hormon, hepcidin, involverat i att kontrollera frisättningen av järn från absorberande enterocyter, järnlagrande hepatocyter och makrofager. Infektion leder till inflammation och frisättning av interleukin-6 (IL-6) som stimulerar hepcidinuttryck. Hos människor resulterar IL-6-produktion i lågt serumjärn, vilket gör det svårt för invaderande patogener att infektera. Sådan järnutarmning har visats begränsa bakterietillväxt på både extracellulära och intracellulära platser.

Förutom taktik för "järnborttagning" producerar däggdjur ett järn-sideroforbindande protein, siderochelin. Siderochelin är en medlem av lipokalinfamiljen av proteiner, som även om den är olika i sekvens uppvisar en mycket konserverad strukturell veck, en 8-strängad antiparallell β-cylinder som bildar ett bindningsställe med flera intilliggande β-strängar. Siderocalin (lipokalin 2) har 3 positivt laddade rester som också finns i den hydrofoba fickan, och dessa skapar ett bindningsställe med hög affinitet för järn(III)-enterobactin. Siderocalin är ett potent bakteriostatiskt medel mot E. coli . Som ett resultat av infektion utsöndras det av både makrofager och hepatocyter, varvid enterobaktin avlägsnas från det extracellulära utrymmet.

Medicinska tillämpningar

Sideroforer har tillämpningar inom medicin för järn- och aluminiumöverbelastningsterapi och antibiotika för förbättrad målinriktning. Att förstå de mekanistiska vägarna för sideroforer har lett till möjligheter att designa småmolekylära hämmare som blockerar sideroforbiosyntes och därför bakterietillväxt och virulens i järnbegränsande miljöer.

Sideroforer är användbara som läkemedel för att underlätta järnmobilisering hos människor, speciellt vid behandling av järnsjukdomar, på grund av deras höga affinitet för järn. En potentiellt kraftfull tillämpning är att använda sideroforers järntransportförmågor för att transportera läkemedel in i celler genom framställning av konjugat mellan sideroforer och antimikrobiella medel. Eftersom mikrober bara känner igen och använder vissa sideroforer, förväntas sådana konjugat ha selektiv antimikrobiell aktivitet. Ett exempel är cefalosporinantibiotikumet cefiderocol .

Mikrobiell järntransport (siderofor)-medierad läkemedelstillförsel använder sig av erkännandet av sideroforer som järntillförselmedel för att få mikroben att assimilera sideroforkonjugat med vidhäftade läkemedel. Dessa läkemedel är dödliga för mikroben och får mikroben att apoptosera när den assimilerar sideroforkonjugatet. Genom tillägget av de järnbindande funktionella grupperna av sideroforer i antibiotika har deras styrka ökat kraftigt. Detta beror på bakteriernas sideroformedierade järnupptagningssystem.

Jordbruksapplikationer

Poaceae (gräs) inklusive jordbruksmässigt viktiga arter som korn och vete kan effektivt binda järn genom att släppa ut fytosideroforer via roten till den omgivande jordens rhizosfär . Kemiska föreningar som produceras av mikroorganismer i rhizosfären kan också öka tillgängligheten och upptaget av järn. Växter som havre kan assimilera järn via dessa mikrobiella sideroforer. Det har visats att växter kan använda sideroforerna av hydroxamattyp ferrikrom, rhodotorulsyra och ferrioxamin B; sideroforerna av katekoltyp, agrobaktin; och de blandade liganden katekol-hydroxamat-hydroxisyrasideroforer biosyntetiserade av saprofytiska rotkoloniserande bakterier. Alla dessa föreningar produceras av rhizosfäriska bakteriestammar, som har enkla näringsbehov, och som finns i naturen i jordar, lövverk, sötvatten, sediment och havsvatten.

Fluorescerande pseudomonader har erkänts som biokontrollmedel mot vissa jordburna växtpatogener. De producerar gulgröna pigment ( pyoverdiner ) som fluorescerar under UV-ljus och fungerar som sideroforer. De berövar patogener det järn som krävs för deras tillväxt och patogenes.

Andra metalljoner kelaterade

Sideroforer, naturliga eller syntetiska, kan kelatera andra metalljoner än järnjoner. Exempel inkluderar aluminium , gallium , krom , koppar , zink , bly , mangan , kadmium , vanadin , zirkonium , indium , plutonium , berkelium , kalifornium och uran .

Relaterade processer

Alternativa sätt att assimilera järn är ytreduktion, sänkning av pH, användning av hem eller extraktion av proteinkomplexerad metall. Nya data tyder på att järnkelaterande molekyler med liknande egenskaper som sideroforer, producerades av marina bakterier under fosfatbegränsande tillväxtförhållanden. I naturen binder fosfat till olika typer av järnmineraler, och därför antogs det att bakterier kan använda sideroforliknande molekyler för att lösa upp sådana komplex för att komma åt fosfatet.

Se även

• jonofor
• Oxalsyra

Vidare läsning

• Neilands JB (1952). "Ett kristallint organiskt järnpigment från en rostsvamp (Ustilago sphaerogena)". J. Am. Chem. Soc. 74 (19): 4846–4847. doi : 10.1021/ja01139a033 .