Археол состоит из двух фитанильных цепей , связанных с положениями sn-2 и sn-3 глицерина . В виде сложного эфира фосфорной кислоты он является обычным компонентом мембран архей . [1]
Структура и контраст с другими липидами
Археол – это диэфир.
Структура 2,3-sn-глицерина и связь с эфирной связью являются двумя ключевыми различиями между липидами, обнаруженными у архей, по сравнению с липидами бактерий и эукариев . Последние используют 1,2-sn-глицерин и преимущественно сложноэфирные связи. [2] Природный археол имеет конфигурации 3R, 7R, 11R для трех хиральных центров в изопреноидных цепях. Существует четыре структурных вариации, которые усложняют функции и свойства мембранных липидов . Две фитанильные цепи могут образовывать 36-членное кольцо с образованием макроциклического археола. Гидроксилированный археол имеет фитанильные цепи, гидроксилированные по первому третичному атому углерода , тогда как сестертерпаниловый археол имеет фитанильные боковые цепи с сестертерпанильными цепями C25, замещающими глицерин у C2 или у обоих атомов углерода. Также обнаружен ненасыщенный археол с тем же углеродным скелетом, что и стандартный археол, но с одной или несколькими двойными связями в боковых цепях фитанила. [3]
Биологическая роль и синтез
Две молекулы археола могут подвергаться прямому связыванию с образованием кальдархеола (один типичный тетраэфир глицерина, диалкилглицерина , GDGT), одного из наиболее распространенных тетраэфирных липидов у архей.
Биологическая роль
Синтез фосфолипидов на основе архей у архей. Боковые цепи изопреноида происходят от IPP и DMAPP, которые синтезируются альтернативными путями MVA.
Археол до сих пор был обнаружен во всех археях, по крайней мере, в следовых количествах. Он представляет 100% липидов ядра диэфира у большинства нейтрофильных галофилов [3] и серозависимых термофилов (хотя большинство липидов ядра у них представляют собой тетраэфирные липиды). Метаногены содержат гидроксиархеол и макроциклические вещества, отличные от стандартного археола, а археол, содержащий сестертерпанильную цепь, характерен для алкалофильных крайних галофилов. Примечательно, что тетраэфирные липиды также широко присутствуют у архей. [2]
Липосомы (сферические везикулы, имеющие по крайней мере один липидный бислой) липидов архей обычно демонстрируют чрезвычайно низкую проницаемость для молекул и ионов, даже включая протоны. Ионная проницаемость, индуцируемая ионофорами (переносчиками ионов через мембраны), также довольно низка и сравнима только с проницаемостью яичного фосфатидилхолина (очень распространенного компонента биологических мембран) при 37°C, когда температура поднимается примерно до 70°C. [4] [5] По сравнению с бактериями и эукариями , изопреноидные боковые цепи археол сильно разветвлены. Считается, что это структурное различие снижает проницаемость архей во всем диапазоне температур роста, что позволяет археям адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды. [6]
Биосинтез
Альтернативный путь MVA, используемый в клетках архей для синтеза изопреноидных цепей археол. Последние три стадии (катализируемые неизвестным ферментом ??, IPK и IDI2 соответственно) отличаются от типичного пути MVA.Геранилгеранилглицерин-1-Х (Х = фосфат и т. д.), промежуточный продукт биосинтеза археол.
Биосинтез археола протекает в виде многоэтапного процесса, опосредованного несколькими ферментами. Проще говоря, глицерин-1-фосфат этерифицируется двумя геранилгеранильными заместителями, вносимыми геранилгеранилпирофосфатом . Двойные связи восстанавливаются никотинамидом и флавинами. Фосфатная группа подвержена модификации. [7] [8]
Археи используют пути биосинтеза изопреноидов, которые отличаются от бактерий и эукариев. Предшественниками C5 геранилгеранильных цепей являются изопентенилпирофосфат (IPP) и диметилаллилпирофосфат (DMAPP), которые производятся модифицированным путем мевалоновой кислоты . [8]
Эфирные липиды у бактерий
Хотя археол, характеризующийся эфирной связью между изопреноидной цепью и глицерином, считается биомаркером архей, у некоторых аэробных и анаэробных бактерий также обнаружены липиды эфирных мембран, включая липиды с одной эфирной связью и одной эфирной связью с алкильными цепями. Многие строго бескислородные бактерии и несколько аэробных видов содержат плазмалогены (Pla), алкильная цепь которых связана с положением sn-1 глицерина посредством винил-эфирной связи . Считается, что, как и в случае с архей, эти липиды повышают устойчивость бактерий к неблагоприятным средам. Еще более ошеломляющим является открытие неизопреноидных диалкилглицериндиэфирных липидов (ДГД) и разветвленных диалкилглицеринтетраэфирных липидов (brGDGT), которые образуются, подобно археолу, путем связывания алкильных цепей (но не изопреноидных цепей) с молекулами глицерина через простой эфир. связь. Весьма примечательно, что эти липиды отличаются от эфирных липидов архей только боковыми цепями и положениями связывания с глицерином. ДГД встречается у термофильных бактерий, некоторых мезофильных бактерий и агрегирующих миксобактерий . [9] [10]
В 2018 году группе из Гронингенского университета удалось получить большое количество (30% от общего количества фосфолипидов) настоящих фосфолипидов на основе археолов в трансгенной кишечной палочке . Они обнаружили, что модифицированные клетки демонстрируют более высокую устойчивость к жаре и холоду. Результат основан на их предыдущей попытке 2015 года, в результате которой было получено лишь незначительное количество. [11]
Используется в качестве липидного биомаркера.
Археолы в отложениях обычно возникают в результате гидролиза фосфолипидов мембран архей во время диагенеза. Благодаря своему высокому потенциалу сохранения , он часто обнаруживается и используется геохимиками-органиками в качестве биомаркера активности архей, особенно биомассы и активности метаногена. В качестве заместителя метаногена его используют Мичинари Сунамура и др. для прямого измерения содержания метаногенов в отложениях Токийского залива [12] , а также использовалось Кэти Л.Х. Лим и др. как индикатор метаногенеза в водонасыщенных почвах. [13] К.А. Маккартни и др. использовали его в качестве показателя производства метана у крупного рогатого скота. [14]
Между тем, его также используют для понимания древней биогеохимии. Его использовали в качестве биомаркера Ричард Д. Панкост и др. с целью реконструкции биогеохимии голоцена омбротрофных торфяников. [15] Пилотное исследование под руководством Яна Д. Булла и соавт. также использовали археол в качестве биомаркера, чтобы выявить различия между ферментирующими пищеварительными системами в передней и задней кишке древних травоядных млекопитающих. [16]
Кроме того, из-за различной кинетики разложения неповрежденных археолов и кальдархеолов соотношение археолов и кальдархеолов было предложено в качестве показателя солености в высокогорных озерах, что дает инструмент для изучения палеосолености. [17]
В некоторых случаях археол также может подвергаться гидролизу, при этом его боковые цепи сохраняются в виде фитана или пристана , в зависимости от окислительно-восстановительных условий. [18]
Измерение
Для анализа археол липиды обычно экстрагируют с помощью традиционной процедуры Блая-Дайера [19] с последующим фракционированием (посредством тонкослойной или колоночной хроматографии) и дериватизацией . Казухиро Демизу и др. [20] и Садами Оцубо и др. [21] предложили аналогичные процессы, включающие кислотную экстракцию по Блаю и Дайеру, кислотную обработку и дериватизацию, при этом основные липиды, наконец, подвергаются хроматографии .
^ Рикардо Кавиччиоли, изд. (2007), Архея, Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press, ISBN 978-1-55581-391-8, OCLC 172964654
^ Аб Кога, И. Нишихара, М. Мории, Х. Акагава-Мацусита, М. (1993). «Эфирные полярные липиды метаногенных бактерий: структура, сравнительные аспекты и биосинтез». Микробиологические обзоры . 57 (1): 164–82. дои :10.1128/MMBR.57.1.164-182.1993. OCLC 680443863. PMC 372904 . ПМИД 8464404.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ аб Гамбакорта, А.; Глиоцци, А.; Де Роза, М. (1995). «Архейные липиды и их биотехнологическое применение». Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии . 11 (1): 115–131. дои : 10.1007/BF00339140. PMID 24414415. S2CID 27015082.
^ Гросси, Винсент; Моллекс, Дэмиен; Винсон-Ложье, Арно; Хакил, Флоренция; Пактон, Мюриэл; Краво-Лоро, Кристиана (2015). «Липиды моно- и диалкилового эфира глицерина в анаэробных бактериях: идеи биосинтеза на основе мезофильного восстановителя сульфатов Desulfatibacillum alkenivorans PF2803T». Прикладная и экологическая микробиология . 81 (9): 3157–3168. Бибкод : 2015ApEnM..81.3157G. дои : 10.1128/AEM.03794-14. ПМК 4393425 . ПМИД 25724965.
^ Лоренцен, Вольфрам; Арендт, Тилман; Божуюк, Кенан Эй Джей; Боде, Хельге Б (11 мая 2014 г.). «Многофункциональный фермент участвует в биосинтезе бактериальных эфирных липидов». Химическая биология природы . 10 (6): 425–427. дои : 10.1038/nchembio.1526. ISSN 1552-4450. ПМИД 24814673.
^ Кафорио, А; Силиакус, МФ; Экстеркейт, М; Джайн, С; Джумде, VR; Андринга, РЛХ; Кенген, SWM; Миннаард, Эй Джей; Дриссен, AJM; ван дер Оост, Дж. (3 апреля 2018 г.). «Превращение Escherichia coli в архебактерию с гибридной гетерохиральной мембраной». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (14): 3704–3709. Бибкод : 2018PNAS..115.3704C. дои : 10.1073/pnas.1721604115 . ПМК 5889666 . ПМИД 29555770.
^ Сунамура, Мичинари; Кога, Ёске; Овада, Коити (1 ноября 1999 г.). «Измерение биомассы метаногенов в отложениях Токийского залива с использованием археольных липидов». Морская биотехнология . 1 (6): 562–568. Бибкод : 1999MarBt...1..562S. дои : 10.1007/PL00011811. ISSN 1436-2228. PMID 10612681. S2CID 36653511.
^ Лим, Кэти Л.Х.; Панкост, Ричард Д.; Хорнибрук, Эдвард Р.К.; Максфилд, Питер Дж.; Эвершед, Ричард П. (2012). «Археол: индикатор метаногенеза в водонасыщенных почвах». Архея . 2012 : 896727. doi : 10.1155/2012/896727 . ISSN 1472-3646. ПМЦ 3512251 . ПМИД 23226972.
^ Дьюхерст, Р.Дж.; Ян, Т.; Булл, ID; Маккартни, Калифорния (01 февраля 2013 г.). «Оценка археол как молекулярного показателя производства метана у крупного рогатого скота». Журнал молочной науки . 96 (2): 1211–1217. дои : 10.3168/jds.2012-6042 . ISSN 0022-0302. ПМИД 23261373.
^ Панкост, Ричард Д.; МакКлимонт, Эрин Л.; Бингхэм, Элизабет М.; Робертс, Зои; Чарман, Дэн Дж.; Хорнибрук, Эдвард Р.К.; Бланделл, Энтони; Чемберс, Фрэнк М.; Лим, Кэти Л.Х. (ноябрь 2011 г.). «Археол как биомаркер метаногена в омбротрофных болотах». Органическая геохимия . 42 (10): 1279–1287. Бибкод : 2011OrGeo..42.1279P. doi :10.1016/j.orggeochem.2011.07.003.
^ Джилл, Фиона Л.; Дьюхерст, Ричард Дж.; Дунгайт, Дженнифер Эй Джей; Эвершед, Ричард П.; Айвз, Люк; Ли, Ченг-Сен; Панкост, Ричард Д.; Салливан, Мартин; Бера, Субир (май 2010 г.). «Археол – биомаркер ферментации передней кишки у современных и древних травоядных млекопитающих?». Органическая геохимия . 41 (5): 467–472. Бибкод : 2010OrGeo..41..467G. doi : 10.1016/j.orggeochem.2010.02.001.
^ Ван, Хуанье; Лю, Вэйго; Чжан, Чуаньлунь Л.; Цзян, Хунчэн; Донг, Хайлян; Лу, Хунсюань; Ван, Цзиньсян (январь 2013 г.). «Оценка соотношения археол и кальдархеолов как показателя солености в высокогорных озерах на северо-востоке Цинхай-Тибетского нагорья». Органическая геохимия . 54 : 69–77. Бибкод : 2013OrGeo..54...69Вт. doi :10.1016/j.orggeochem.2012.09.011.
^ Блай, Е.Г.; Дайер, WJ (август 1959 г.). «Быстрый метод полного извлечения и очистки липидов». Канадский журнал биохимии и физиологии . 37 (8): 911–917. дои : 10.1139/o59-099. ISSN 0576-5544. PMID 13671378. S2CID 7311923.
^ аб Демизу, Кадзухиро; Оцубо, Садами; Кохно, Шухэй; Миура, Исао; Нишихара, Масатеру; Кога, Ёсуке (1992). «Количественное определение метаногенных клеток на основе анализа эфир-связанных глицеролипидов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии». Журнал ферментации и биоинженерии . 73 (2): 135–139. дои : 10.1016/0922-338x(92)90553-7. ISSN 0922-338X.
^ аб Оцубо, С (май 1993 г.). «Чувствительный метод количественного определения ацетикластических метаногенов и оценки общего количества метаногенных клеток в природных средах на основе анализа эфир-связанных глицеролипидов». ФЭМС Микробиология Экология . 12 (1): 39–50. дои : 10.1016/0168-6496(93)90023-з . ISSN 0168-6496.
^ Марц, Роберт Ф.; Себахер, Дэниел И.; Уайт, Дэвид К. (февраль 1983 г.). «Измерение биомассы метанобразующих бактерий в пробах окружающей среды». Журнал микробиологических методов . 1 (1): 53–61. дои : 10.1016/0167-7012(83)90007-6. ISSN 0167-7012. ПМИД 11540801.
^ Смит, GC; Фладгейт, Джорджия (октябрь 1992 г.). «Химический метод оценки метаногенной биомассы». Исследования континентального шельфа . 12 (10): 1187–1196. Бибкод : 1992CSR....12.1187S. дои : 10.1016/0278-4343(92)90078-x. ISSN 0278-4343.
^ Хольцер, Гюнтер У.; Келли, Патрик Дж.; Джонс, Уильям Дж. (июль 1988 г.). «Анализ липидов из метаногена гидротермальных жерл и связанных с ними жерловых отложений методом сверхкритической жидкостной хроматографии». Журнал микробиологических методов . 8 (3): 161–173. дои : 10.1016/0167-7012(88)90017-6. ISSN 0167-7012.
^ Кинг, Джерри (22 января 2002 г.), «Технология сверхкритической жидкости для экстракции, фракционирования и реакций липидов», Липидная биотехнология , CRC Press, doi : 10.1201/9780203908198.ch34, ISBN9780824706197