Кіріспе
Микроорганизмдер бөлетін темір қосылыстары. Сидерофорлар (грекше: "темір тасымалдаушы") – бактериялар мен саңырауқұлақтар сияқты микроорганизмдер бөлетін кішкентай, темірге жоғары сәйкестікпен келіп түсетін хелаттық қосылыстар. Олар организмге темірді жинақтауға көмектеседі. Сидерофорлардың функцияларының ауқымы кеңейіп келе жатқанымен, сидерофорлар белгілі ең күшті (ең жоғары сәйкестілікке ие) Fe3+ байланыстыратын заттардың қатарында. Фитосидерофорлар – өсімдіктер өндіретін сидерофорлар.
Siderophores (Greek: "iron carrier") are small, high affinity iron chelating compounds that are secreted by microorganisms such as bacteria and fungi. They help the organism accumulate iron. Although a widening range of siderophore functions is now being appreciated, siderophores are among the strongest (highest affinity) Fe3+ binding agents known. Phytosiderophores are siderophores produced by plants.
Ерігіш темірдің жетіспеушілігі
Жер қыртысындағы ең көп кездесетін элементтердің бірі болғанына қарамастан, темір оңай биологиялық қолжетімді емес. Көптеген оттектік орталарда, мысалы, топырақ немесе теңізде, темір үшвалентті (Fe3+) күйде болады, ол қатты заттар сияқты ерімейтін тотықтар түзеді. Қоректік заттардың тиімді болуы үшін олар қолжетімді ғана емес, сонымен қатар ерігіш болуы керек. Микробтар сидерофорларды осы минералды фазалардан темірді алып, активті тасымалдау механизмдерімен сіңірілуі мүмкін ерігіш Fe3+ кешендерін түзетіндей етіп бөліп шығарады. Көптеген сидерофорлар рибосомаға тәуелді емес пептидтер болып табылады, бірақ олардың кейбіреуі тәуелсіз түрде биосинтезделеді. Сидерофорлар кейбір патогенді бактериялар үшін темірді алу үшін де маңызды. Сондықтан патогенді бактерияларға осы металды алу үшін үлкен эволюциялық қысым түседі. Мысалы, көкқызыл ауруын қоздыратын Bacillus anthracis бактериясы темір құрамындағы ақуыздан үшвалентті темір ионын алу үшін бациллибактин және петробактин екі сидерофорын бөліп шығарады. Бациллибактиннің иммундық жүйе ақуызы сидерокалинмен байланысатыны көрсетілсе, петробактин иммундық жүйеден қашып өтеді деп есептеледі және бұл егешқұйрықтарда вируленттілікке ықпал ететіні анықталды. Сидерофорлар Fe3+ иондарымен ең мықты байланысатын заттардың қатарында, ал энтеробактин олардың ең күштілерінің бірі болып табылады. Сидерофорлардан басқа, кейбір патогенді бактериялар гемофорлар (гемобин байланыстыратын белсенді заттар) өндіреді немесе темір/гемобинге тікелей байланысатын рецепторлары бар. Эукариоттарда темірдің ерігіштігі мен сіңірілуін арттырудың басқа да стратегиялары бар, мысалы, қоршаған ортаны қышқылдандыру (өсімдік тамырларында қолданылатын сияқты) немесе Fe3+ иондарын жасушадан тыс ортада ерігіш Fe2+ иондарына дейін тотықсыздандыру.
Құрылымы
Сидерофорлар әдетте басқа табиғи түрде көп кездесетін металл иондарына қарағанда Fe3+ ионымен тұрақты, алты тісті, октаэдрлі кешен құрайды, бірақ егер алты донорлық атомнан аз болса, су да координациялана алады. Ең тиімді сидерофорлар – молекуласына үш бидентатты лиганд кіретін, алты тісті кешен құрап, жеке лигандтармен бір темір ионын хелаттауға байланысты туындайтын энтропиялық өзгерістен гөрі кіші энтропиялық өзгеріске алып келетіндері. Fe3+ – күшті Льюис қышқылы, ол күшті Льюис негіздерін, мысалы, аниондық немесе бейтарап оттегі атомдарын координациялауды ұнатады. Микробтар әдетте темірді сидерофордан Fe2+ ионына дейін тотығу арқылы босатады, оның бұл лигандтарға жақындығы төмен. Сидерофорлардың кең ассортименті микробтарға эволюциялық қысым түсіруімен байланысты болуы мүмкін, бұл оларды басқа микробтардың белсенді тасымалдау жүйелерімен тасымалдана алмайтын, құрылымдық жағынан әртүрлі сидерофорларды өндіруге итермелейді, немесе патогендердің иесінің организмімен деактивацияланған жағдайында. Сидерофорлар клетканың сыртқы мембранасындағы клеткаға тән рецепторлармен танылады. Саңырауқұлақтар мен басқа да эукариоттарда Fe-сидерофор кешені клетка сыртында Fe2+ ионына дейін тотығуы мүмкін, ал көптеген жағдайларда бүкіл Fe-сидерофор кешені жасуша мембранасы арқылы белсенді түрде тасымалданады. Грамтеріс бактерияларда олар TonB-тәуелді рецепторлар арқылы периплазмаға тасымалданады және ABC транспортерлері арқылы цитоплазмаға беріледі. Клетка цитоплазмасына енгеннен кейін Fe3+ сидерофор кешені әдетте темірді босату үшін Fe2+ ионына дейін тотығады, әсіресе гидроксаматтар мен карбоксилаттар сияқты «әлсіз» сидерофор лигандтарының жағдайында. Сидерофорлардың ыдырауы немесе басқа да биологиялық механизмдер темірді босатуы мүмкін, классикалық мысал – дезоксимугинеялық қышқыл. Фитосидерофорлар саңырауқұлақтар мен бактериялардың сидерофорларынан ерекшеленеді, оларда екі α-аминокарбоксилат байланысу орталығы және бір α-гидроксикарбоксилат тобы бар. Бұл соңғы бидентатты функция фитосидерофорларға темір(III) ионына жоғары селективтілікті қамтамасыз етеді. Темірге жетіспейтін топырақта өскенде, шөптесін өсімдіктердің тамырлары сидерофорларды тамыршаға бөліп шығарады. Темір(III) ионын байланыстырғанда, темір-фитосидерофор кешені протондық симпорт механизмін пайдалана отырып, цитоплазмалық мембрана арқылы тасымалданады. Содан кейін темір(III) кешені темір(II) ионына дейін тотығады және темір никотиаминге беріледі, ол фитосидерофорға өте ұқсас болғамен, темір(II) ионына селективті және тамырлармен бөлінетін емес. Никотиамин флоэма арқылы өсімдіктің барлық бөліктеріне темірді тасымалдайды.
Pseudomonas aeruginosa-да келаттау
Темір Pseudomonas aeruginosa бактериясы үшін маңызды қоректік зат болып табылады, алайда қоршаған ортада темірге қол жеткізу оңай емес. Бұл мәселені шешу үшін P. aeruginosa темірді байланыстырып, тасымалдауға арналған сидерофорлар шығарады. Бірақ сидерофорларды өндірген бактерия міндетті түрде темірді тікелей пайдаланбайды. Керісінше, жасушалық популяцияның барлық мүшелері темір-сидерофор кешендеріне тең мүмкіндікпен қол жеткізе алады. Сидерофорлар өндірісі бактериядан энергия жұмсауды талап етеді. Осылайша, сидерофор өндірісін өзіне құрбандық ететін қасиет ретінде қарастыруға болады, себебі ол жергілікті топқа пайдалы, бірақ жеке тұлға үшін шығынды. Бұл құрбандық динамикасы жасушалық популяцияның әрбір мүшесінің сидерофор өндірісіне бірдей үлес қосуын қажет етеді. Бірақ кейде бактерияларда сидерофордың аз мөлшерін өндіретін мутациялар пайда болуы мүмкін. Бұл мутациялар эволюциялық артықшылық береді, өйткені бактерия энергия шығындарын болдырмай, сидерофор өндірісінен пайда көре алады. Осылайша, өсуге көбірек энергия жұмсауға болады. Осы сидерофорларды тиімді өндіретін жасушалық популяция мүшелері көбінесе «ыңғайласушылар» деп аталады, ал сидерофорды аз немесе мүлдем өндірмейтін мүшелері көбінесе «алдаушылар» деп аталады. Зерттеулер көрсеткендей, ыңғайласушылар мен алдаушылар бірге өскенде, ыңғайласушылардың тіршілікке қабілеті төмендейді, ал алдаушылардың тіршілікке қабілеті артады. Тіршілікке қабілеттегі өзгерістің шамасы темір тапшылығының артуымен бірге артатыны байқалады. Тіршілікке қабілеттің артуымен алдаушылар ыңғайласушыларды озастыра алады, бұл жеткілікті сидерофор өндірісінің болмауына байланысты топтың тіршілікке қабілетінің жалпы төмендеуіне әкеледі.
Pseudomonas aeruginosa-да пиовердин мен сидерофор өндірісі
Жақында жүргізілген зерттеуде Pseudomonas aeruginosa бактериясында пиовердин (PVD) – сидерофордың бір түрінің өндірісі зерттелді. Бұл зерттеу жүйелі тәсіл арқылы PVD биосинтезінің – вируленттілік факторының – құрылысын, модельдеуін және динамикалық симуляциясын жүргізуге бағытталған. Бұл тәсіл PVD синтезінің метаболизмік жолы кворумдық сезімталдық (QS) құбылысымен реттеледі деп есептейді, ол бактерияларға популяция тығыздығына байланысты өз мінез-құлқында үйлесімділікке қол жеткізуге мүмкіндік беретін жасушалық байланыс жүйесі. Зерттеу көрсеткендей, бактериялардың өсуімен бірге QS сигналдық молекулаларының клеткадан тыс концентрациясы да артады, осылайша P. aeruginosa PAO1-дің табиғи мінез-құлқына ұқсас жағдай жасалады. Бұл зерттеуді жүргізу үшін P. aeruginosa метаболизмік желісінің моделі iMO1056 моделі, P. aeruginosa PAO1 штаммының геномдық аннотациясы және PVD синтезінің метаболизмік жолы негізінде құрылды. Бұл модельге PVD синтезі, тасымалдау реакциялары, алмасу және QS сигналдық молекулалары кірді. Нәтижеде алынған CCBM1146 моделі QS құбылысының P. aeruginosa метаболизміне, QS сигналының қарқындылығына байланысты PVD биосинтезіне тікелей әсер ететінін көрсетті. Бұл жұмыс – QS гендік реттеу желісі мен P. aeruginosa метаболиттік желісін біріктіретін алғашқы in silico модель, ол Pseudomonas aeruginosa-да пиовердин және сидерофорлардың өндірісіне кворумдық сезім құбылысының қалай әсер ететінін егжей-тегжейлі көрсетеді.
Экология
Сидерофорлар темірдің жетіспеуімен сипатталатын экологиялық ортада маңызды рөл атқарады, себебі темір – дерлік барлық аэробикалық микроорганизмдердің өсуін шектейтін ең маңызды факторлардың бірі. Олардың негізгі экологиялық мекендері төрт: топырақ және жер беті сулары, теңіз суы, өсімдік тіндері (патогендер) және жануар тіндері (патогендер).
Топырақ пен жер бетіндегі су
Топырақ бактериялар мен саңырауқұлақтар тұқымдастарының бай көзі болып табылады. Көбінесе кездесетін Грам-позитивті түрлер – актиномицеттерге және Bacillus, Arthrobacter және Nocardia тұқымдастарына жататын түрлер. Бұл организмдердің көпшілігі ферриоксаминдерді өндіріп, сыртқа бөліп шығарады, бұл оларды өндірген организмдердің ғана емес, сонымен қатар экзогенді сидерофорларды пайдалана алатын басқа микробтық популяциялардың өсуін де жақсартады. Топырақтағы саңырауқұлақтардың ішінде Aspergillus және Penicillium түрлері негізінен феррихромдарды өндіреді. Бұл сидерофорлар тобы циклдік гексапептидтерден тұрады, сондықтан гумусты топырақта кездесетін гидролиздік ферменттердің кең спектріне байланысты қоршаған ортаның ыдырауына өте төзімді. Өсімдік қалдықтары бар топырақтың pH көрсеткіші 3–4 дейін төмендеуі мүмкін. Мұндай жағдайларда, гидроксамат сидерофорларын өндіретін организмдер осы молекулалардың жоғары қышқылдық тұрақтылығының арқасында артықшылыққа ие болады. Тұщы судың микробтық популяциясы топырақтың популяциясына ұқсас, себебі көптеген бактериялар топырақтан шайылып келеді. Сонымен қатар, тұщы су көлдерінде Pseudomonas, Azomonas, Aeromonas және Alcaligenes түрлерінің көптеген популяциялары кездеседі. Сидерофорлар қоршаған ортаға бөлінгендіктен, бактерия жейтін жыртқыштар, соның ішінде Caenorhabditis elegans оларды анықтай алады, нәтижесінде нематодалар бактериялық жемге қарай жылжуы мүмкін.
Теңіз суы
Көптеген тұщы су көздерінен өзгеше, теңіздің беткі суындағы темір деңгейі өте төмен (жоғарғы 200 м-де 1 нМ-ден 1 мкМ-ге дейін) және V, Cr, Co, Ni, Cu және Zn деңгейлерінен әлдеқайда төмен. Бұл темірдің барлығы дерлік темір(III) күйінде болады және органикалық лигандтармен кешенделген. Темірдің төмен деңгейі фитопланктонның бастапқы өндірісін шектейді және темір гипотезасына алып келді, онда темірдің келуі фитопланктонның өсуін күшейтеді және осылайша атмосфералық CO2-нің мөлшерін азайтады деп болжанды. Бұл гипотеза 10-нан астам тәжірибеде сыналып, барлық жағдайда кең ауқымды гүлденулерге әкелді. Дегенмен, гүлденулер әртүрлі уақыт аралығында сақталды. Осы зерттеулердің кейбіреулерінде байқалған қызықты жайт – органикалық лигандтардың концентрациясы, қосылған темірдің концентрациясына теңесу үшін қысқа мерзім ішінде артқандығы, бұл олардың биологиялық тегін және темірге деген туыстығын сидерофор немесе сидерофорға ұқсас табиғатты көрсетеді. Маңыздысы, темірдің әсерінен туындаған гүлденулерде гетеротрофты бактериялардың саны да айтарлықтай артқан. Осылайша, фитопланктон мен гетеротрофты бактериялар арасындағы синергия элементі пайда болады. Фитопланктонға темір қажет (бактериялық сидерофорлармен қамтамасыз етіледі), ал гетеротрофты бактерияларға көміртекті емес көміртек көздері қажет (фитопланктонмен қамтамасыз етіледі). Пелагикалық теңіз ортасының сиретілгендігі үлкен диффузиялық шығындарға алып келеді және қалыпты сидерофорға негізделген темір сіңіру стратегияларының тиімділігін күмәнді етеді. Алайда, көптеген гетеротрофты теңіз бактериялары, құрлықтағы организмдерден өзгеше қасиеттерімен, сидерофорлар өндіреді. Көптеген теңіз сидерофорлары беттік белсенді және молекулалық агрегаттарды, мысалы, аквахелиндерді құрайды. Майлы ацил тізбегінің болуы молекулаларды жоғары беттік белсенділікке және мицеллаларды құру қабілетіне ие етеді. Осылайша, секрецияланған кезде бұл молекулалар беттерге және бір-біріне байланысып, секрециялаған организмнен таралу жылдамдығын баяулатып, салыстырмалы түрде жоғары жергілікті сидерофор концентрациясын сақтайды. Фитопланктонның темірге жоғары талаптары бар, бірақ олардың көпшілігі (немесе барлығы) сидерофорлар өндірмейді. Дегенмен, фитопланктон мембранаға байланысқан редуктазалардың көмегімен сидерофор кешендерінен және әрине, темір(III) сидерофорларының фотохимиялық ыдырауынан туындаған темір(II) арқылы темір ала алады. Осылайша, фитопланктон сіңіретін темірдің үлкен бөлігі (немесе барлық темір) бактериялық сидерофор өндірісіне байланысты.
Өсімдік патогендері
Өсімдік патогендерінің көпшілігі апоплазмаға еніп, оны басып алған организмнің таралуын жеңілдететін пектолиттік ферменттерді шығарады. Бактериялар көбінесе өсімдіктерді тірі ағзаға қоректік заттар арқылы кіру арқылы жұқтырады. Өсімдікке енгеннен кейін олар жасушааралық кеңістікте таралып көбейеді. Бактериялық тамырлық аурулары кезінде инфекция ксилема арқылы өсімдіктерде таралады. Өсімдікке кірген соң бактериялар темірді екі негізгі темір тасымалдаушы лигандтан – никотианамин мен цитраттан – ала алады. Бұл үшін олар сидерофорлар шығарады, сондықтан энтеробактериялық Erwinia chrysanthemi екі сидерофор – хризобактин және ахромобактин шығарады. Өсімдік патогендерінің ксантомоноз тобы темірді жұту үшін ксантоферрин сидерофорларын өндіреді. Адамдардағыдай, өсімдіктерде де сидерофорларды байлайтын, иесінің қорғанысына қатысатын белоктар бар, мысалы, қайыңның ірі тозаңы аллергені, Bet v 1, олар әдетте бөлініп шығарылады және липокалин тәрізді құрылымға ие. Инфекция түрі Организмі Siderophore Дизентерия Shigella sp. Аэробактин Ішек инфекциялары Escherichia coli Enterobactin Тиф Salmonella sp. Сальмохелин Жұқпалы ауру Yersinia sp. Yersiniabactin Холера Vibrio sp. Вибриобактин Өкпе инфекциясы Pseudomonas sp. Пиовердиндер Жүректің құсуы Bordetella sp. Алкалигин Туберкулез Mycobacterium tuberculosis Микобактиндер Тері мен шырышты қабықтың инфекциялары Staphylococcus sp. Стафилоферрин А Антракс Bacillus anthracis Петробактин Көптеген жануарларда микробтық инвазиядан қорғайтын темірге байлаушы белоктардың екі негізгі түрі бар – жасушадан тыс қорғаныс трансферрин белоктарының тобы арқылы, ал жасуша ішіндегі қорғаныс ферритин арқылы жүзеге асырылады. Трансферрин сарысуда шамамен 30 мкМ мөлшерде болады және екі темір байланысу орны бар, олардың әрқайсысы темірге өте жоғары жақындықпен байланысады. Қалыпты жағдайда ол шамамен 25-40% қаныққан, яғни сарысудағы кез келген еркін темір бірден байланысып, микробтардың өсуіне жол бермейді. Көптеген сидерофорлар темірді трансферриннен ала алмайды. Сондай-ақ, сүтқоректілер лактоферрин өндіреді, ол сарысудағы трансферринге ұқсас, бірақ темірге деген жақындығы одан да жоғары. Лактоферрин тер, көз жасы және сүт сияқты секреторлық сұйықтықтарда болады, осылайша бактериялық инфекцияны барынша азайтады. Ферритин жасушалардың цитоплазмасында болады және жасушаішілік темір деңгейін шамамен 1 мкМ-ге дейін шектейді. Ферритин – трансферринге қарағанда әлдеқайда үлкен ақуыз, ол бірнеше мың темір атомдарын уытты емес түрде байланыстыра алады. Сидерофорлар ферритиннен темірді тікелей жұмылдыра алмайды. Осы екі темірді байлайтын ақуыздан басқа, гепцидин гормоны сіңіруші энтероциттерден, темірді сақтайтын гепатоциттерден және макрофагтардан темірді шығаруды бақылауға қатысады. Инфекция қабынуға және гепцидин экспрессиясын ынталандыратын интерлейкин 6 (IL 6) бөлінуіне әкеледі. Адамда IL 6 өндірісі сарысудағы темірдің төмендеуіне әкеледі, бұл инфекция жұқтырған патогендерге қиындық туғызады. Мұндай темірдің жетіспеуі бактериялардың жасушадан тыс және жасуша ішіндегі өсіміне шектеу қоятыны дәлелденген. Сидерофорлар адамдарда темірді жұмылдыруды жеңілдетуде дәрі ретінде пайдалы, әсіресе темірге деген жоғары жақындығына байланысты темір ауруларын емдеуде. Бір қуатты қолдану – сидерофорлар мен микробқа қарсы агенттер арасындағы конъюгаттарды дайындау арқылы дәрілерді жасушаларға тасымалдау үшін сидерофорлардың темір тасымалдау қабілетін пайдалану. Микробтар белгілі бір сидерофорларды ғана таниды және пайдаланады, сондықтан мұндай конъюгаттар іріктеп антимикробтық белсенділікке ие болады деп күтіледі. Микробиологиялық темір тасымалы (сидерофор) арқылы дәрі-дәрмектерді жеткізу сидерофорларды темір жеткізуші агенттер ретінде тануды пайдаланады, осылайша микроб сидерофорлардың конъюгаттарын қосылған дәрі-дәрмектермен сіңіреді. Бұл дәрілер микроб үшін қауіпті және сидерофор конъюгатын сіңірген кезде микробтың апоптозын тудырады. Флуоресцентті псевдомонадтар кейбір топырақтағы өсімдік патогендеріне қарсы биобақылау агенттері ретінде танылды. Олар УФ-сәулеленуде флуоресценцияланатын және сидерофорлар ретінде жұмыс істейтін сары-жасыл пигменттер (пиовердиндер) өндіреді. Олар патогендерді олардың өсуі мен патогенезіне қажетті темірден айырады.
There are two major types of iron binding proteins present in most animals that provide protection against microbial invasion – extracellular protection is achieved by the transferrin family of proteins and intracellular protection is achieved by ferritin. Transferrin is present in the serum at approximately 30 μM, and contains two iron binding sites, each with an extremely high affinity for iron. Under normal conditions it is about 25–40% saturated, which means that any freely available iron in the serum will be immediately scavenged – thus preventing microbial growth. Most siderophores are unable to remove iron from transferrin. Mammals also produce lactoferrin, which is similar to serum transferrin but possesses an even higher affinity for iron. Lactoferrin is present in secretory fluids, such as sweat, tears and milk, thereby minimising bacterial infection. Ferritin is present in the cytoplasm of cells and limits the intracellular iron level to approximately 1 μM. Ferritin is a much larger protein than transferrin and is capable of binding several thousand iron atoms in a nontoxic form. Siderophores are unable to directly mobilise iron from ferritin. In addition to these two classes of iron binding proteins, a hormone, hepcidin, is involved in controlling the release of iron from absorptive enterocytes, iron storing hepatocytes and macrophages. Infection leads to inflammation and the release of interleukin 6 (IL 6 ) which stimulates hepcidin expression. In humans, IL 6 production results in low serum iron, making it difficult for invading pathogens to infect. Such iron depletion has been demonstrated to limit bacterial growth in both extracellular and intracellular locations. Siderophores are useful as drugs in facilitating iron mobilization in humans, especially in the treatment of iron diseases, due to their high affinity for iron. One potentially powerful application is to use the iron transport abilities of siderophores to carry drugs into cells by preparation of conjugates between siderophores and antimicrobial agents. Because microbes recognize and utilize only certain siderophores, such conjugates are anticipated to have selective antimicrobial activity. Microbial iron transport (siderophore) mediated drug delivery makes use of the recognition of siderophores as iron delivery agents in order to have the microbe assimilate siderophore conjugates with attached drugs. These drugs are lethal to the microbe and cause the microbe to apoptosise when it assimilates the siderophore conjugate. Fluorescent pseudomonads have been recognized as biocontrol agents against certain soil borne plant pathogens. They produce yellow green pigments (pyoverdines) which fluoresce under UV light and function as siderophores. They deprive pathogens of the iron required for their growth and pathogenesis.
Басқа металл иондары хелаттанған
Табиғи немесе синтетикалық сидерофорлар темір иондарынан өзге металл иондарын да хелаттай алады. Мысалы, алюминий, галлий, индий, беркелий, калифорний және уран.