stringtranslate.com

Археол

Археол — ​​это диэфир, состоящий из двух фитанильных цепей , связанных с положениями sn-2 и sn-3 глицерина . Как его фосфатный эфир, он является обычным компонентом мембран архей . [1]

Структура и отличие от других липидов

Структура 2,3-sn-глицерина и связь эфирной связи являются двумя ключевыми различиями между липидами, обнаруженными в археях, и липидами бактерий и эукариот . Последние используют 1,2-sn-глицерин и в основном сложноэфирные связи. [2] Природный археол имеет конфигурации 3R, 7R, 11R для трех хиральных центров в изопреноидных цепях. Существует четыре структурных вариации, способствующих сложности мембранных липидов по функциям и свойствам. Две фитанильные цепи могут образовывать 36-членное кольцо, давая макроциклический археол. Гидроксилированный археол имеет фитанильные цепи, гидроксилированные по первому третичному атому углерода , в то время как сестертерпанильный археол имеет фитанильные боковые цепи с сестертерпанильными цепями C25, замещающими C2 глицерина или оба 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 археол могут соединяться голова к голове, образуя кальдархеол (типичный тетраэфир глицерина диалкилглицерина , ГДГТ), один из наиболее распространенных тетраэфирных липидов в археях.

Биологическая роль

Синтез фосфолипида на основе археол в археях. Изопреноидные боковые цепи происходят из IPP и DMAPP, которые синтезируются через альтернативные пути MVA.

Археол был обнаружен во всех археях до сих пор, по крайней мере в следовых количествах. Он представляет 100% липидов ядра диэфира в большинстве нейтрофильных галофилов [3] и серозависимых термофилов (хотя большинство их липидов ядра являются тетраэфирными липидами). Метаногены содержат гидроксиархеол и макроциклические, отличные от стандартного археола, а археол, содержащий сестертерпанильную цепь, характерен для алкалофильных экстремальных галофилов. Примечательно, что тетраэфирные липиды также широко представлены в археях. [2]

Липосомы (сферическая везикула, имеющая по крайней мере один липидный бислой) липидов из архей обычно демонстрируют чрезвычайно низкую проницаемость для молекул и ионов, даже включая протоны. Ионная проницаемость, вызванная ионофорами (переносчиками ионов через мембраны), также довольно низкая и сопоставима только с проницаемостью яичного фосфатидилхолина (очень распространенный компонент биологической мембраны) при 37˚C, когда температура повышается примерно до 70˚C. [4] [5] По сравнению с бактериями и эукариотами , изопреноидные боковые цепи архей сильно разветвлены. Считается, что это структурное различие снижает проницаемость архей во всем диапазоне температур роста, что позволяет археям адаптироваться к экстремальным условиям. [6]

Биосинтез

Альтернативный путь MVA, используемый в клетках архей для синтеза изопреноидных цепей археол. Последние три шага (катализируемые неизвестным ферментом ??, IPK и IDI2, соответственно) отличаются от типичного пути MVA.
Геранилгеранилглицерол-1-X (X = фосфат и т. д.), промежуточный продукт в биосинтезе археол.

Биосинтез археол происходит в ходе многоступенчатого процесса, опосредованного несколькими ферментами. Проще говоря, глицерол-1-фосфат этерифицируется до двух заместителей геранилгеранила, вносимых геранилгеранилпирофосфатом . Двойные связи восстанавливаются никотинамидом и флавинами. Фосфатная группа подвергается модификации. [7] [8]

Археи используют биосинтетические пути изопреноидов, которые отличаются от путей бактерий и эукариот. Предшественниками C5 для цепей геранилгеранила являются изопентенилпирофосфат (IPP) и диметилаллилпирофосфат (DMAPP), которые производятся модифицированным путем мевалоновой кислоты . [8]

Эфирные липиды в бактериях

Хотя археол, характеризующийся эфирной связью между изопреноидной цепью и глицерином, рассматривался как биомаркер для архей, эфирные мембранные липиды также были обнаружены у некоторых аэробных и анаэробных бактерий, включая липиды с одной эфирной связью и одной эфирной связью с алкильными цепями. Многие строго аноксические бактерии и несколько аэробных видов содержат плазмалогены (Pla), которые имеют алкильную цепь, связанную с sn-1 положением глицерина через винил-эфирную связь . Подобно археям, эти липиды, как полагают, повышают устойчивость бактерий к неблагоприятным условиям. Более ошеломляющим является открытие неизопреноидных диалкилглицеролдиэфирлипидов (DGD) и разветвленных диалкилглицеролтетраэфирлипидов (brGDGT), которые образуются, подобно археолам, путем связывания алкильных цепей (но не изопреноидных цепей) с молекулами глицерина через эфирную связь. Весьма примечательно, что эти липиды отличаются от эфирных липидов архей только боковыми цепями и позициями связывания на глицерине. DGD обнаружен у термофильных бактерий, нескольких мезофильных бактерий и агрегирующих миксобактерий . [9] [10]

В 2018 году группа из Университета Гронингена сумела произвести большое количество (30% от общего количества фосфолипидов) настоящих фосфолипидов на основе археол в трансгенной E. coli . Они обнаружили, что модифицированные клетки демонстрируют более высокую толерантность к теплу и холоду. Результат основывается на их более ранней попытке 2015 года, которая произвела лишь незначительное количество. [11]

Используется как липидный биомаркер

Археол в осадках обычно возникает в результате гидролиза фосфолипидов мембран архей во время диагенеза. Благодаря своему высокому потенциалу сохранения , он часто обнаруживается и используется органическими геохимиками в качестве биомаркера активности архей, особенно для биомассы и активности метаногена. В качестве заместителя метаногена он используется Мичинари Сунамурой и др. для прямого измерения метаногенов в осадках Токийского залива [12] , а также используется Кэти Л. Х. Лим и др. в качестве индикатора метаногенеза в водонасыщенных почвах [13] . CA McCartney и др. использовали его в качестве заместителя для продукции метана у крупного рогатого скота [14] .

В то же время, он также используется для понимания древней биогеохимии. Он был использован в качестве биомаркера Ричардом Д. Панкостом и др. для реконструкции биогеохимии голоцена в омбротрофных торфяниках. [15] Пилотное исследование под руководством Яна Д. Булла и др. также использовало археол в качестве биомаркера для выявления различий между ферментирующими пищеварительными системами в передней и задней кишке древних травоядных млекопитающих. [16]

Кроме того, из-за различной кинетики деградации неповрежденных археол и кальдархеол , соотношение археол и кальдархеол было предложено в качестве показателя солености в высокогорных озерах, что является инструментом для изучения палеосолености. [17]

Археол также может гидролизоваться в некоторых случаях, при этом его боковые цепи сохраняются в виде фитана или пристана , в зависимости от окислительно-восстановительных условий. [18]

Измерение

Для анализа археол липиды обычно извлекаются с помощью традиционной процедуры Блая-Дайера [19] , за которой обычно следует фракционирование (тонкослойной или колоночной хроматографией) и дериватизация . Казухиро Демизу и др. [20] и Садами Охцубо и др. [21] предложили аналогичные процессы, включающие кислотную экстракцию Блая и Дайера, кислотную обработку и дериватизацию, при этом основные липиды в конечном итоге подвергаются хроматографии .

Для определения концентрации археол, присутствующих в образце, обычно используются хроматографические технологии, включая высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), [20] [21] [22] , газовую хроматографию (ГХ) [23] и сверхкритическую флюидную хроматографию (СФХ) [24] [25] , часто с применением масс-спектрометрии (МС) для облегчения идентификации.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Рикардо Кавиккиоли, ред. (2007), Archaea, Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press, ISBN 978-1-55581-391-8, OCLC  172964654
  2. ^ ab Koga, Y Nishihara, M Morii, H Akagawa-Matsushita, M (1993). "Эфирные полярные липиды метаногенных бактерий: структуры, сравнительные аспекты и биосинтезы". Microbiological Reviews . 57 (1): 164–82. doi :10.1128/MMBR.57.1.164-182.1993. OCLC  680443863. PMC 372904 . PMID  8464404. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ ab Gambacorta, A.; Gliozzi, A.; De Rosa, M. (1995). «Архейные липиды и их биотехнологическое применение». World Journal of Microbiology and Biotechnology . 11 (1): 115–131. doi :10.1007/BF00339140. PMID  24414415. S2CID  27015082.
  4. ^ Ямаути, Киёси; Дои, Куниюки; Киносита, Масаеши; Кии, Фумико; Фукуда, Хидеки (октябрь 1992 г.). «Архебактериальные липидные модели: высокосолеустойчивые мембраны из 1,2-дифитанилглицеро-3-фосфохолина». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1110 (2): 171–177. дои :10.1016/0005-2736(92)90355-с. ISSN  0005-2736. ПМИД  1390846.
  5. ^ Ямаути, Киёси; Дои, Кумиюки; Ёсида, Ёити; Киносита, Масаёси (март 1993 г.). «Липиды архебактерий: высокопротонно-непроницаемые мембраны из 1,2-дифитанил-sn-глицеро-3-фосфоколина». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1146 (2): 178–182. doi :10.1016/0005-2736(93)90353-2. ISSN  0005-2736. PMID  8383997.
  6. ^ Кога, Йосуке (2012). «Термическая адаптация липидных мембран архей и бактерий». Archaea . 2012 : 789652. doi : 10.1155/2012/789652 . ISSN  1472-3646. PMC 3426160. PMID 22927779  . 
  7. ^ Кафорио, Антонелла; Дриссен, Арнольд Дж. М. (2017). «Архейные фосфолипиды: структурные свойства и биосинтез» (PDF) . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1862 (11): 1325–1339. дои : 10.1016/j.bbalip.2016.12.006. PMID  28007654. S2CID  27154462.
  8. ^ ab Jain, Samta (2014). "Биосинтез липидов эфиров мембран архей". Frontiers in Microbiology . 5 : 641. doi : 10.3389 /fmicb.2014.00641 . PMC 4244643. PMID  25505460. 
  9. ^ Grossi, Vincent; Mollex, Damien; Vinçon-Laugier, Arnauld; Hakil, Florence; Pacton, Muriel; Cravo-Laureau, Cristiana (2015). «Моно- и диалкилглицериновые эфирные липиды в анаэробных бактериях: биосинтетические идеи из мезофильного сульфатредуктора Desulfatibacillum alkenivorans PF2803T». Applied and Environmental Microbiology . 81 (9): 3157–3168. Bibcode :2015ApEnM..81.3157G. doi :10.1128/AEM.03794-14. PMC 4393425 . PMID  25724965. 
  10. ^ Лоренцен, Вольфрам; Арендт, Тильман; Божуйюк, Кенан А.Дж.; Боде, Хельге Б. (2014-05-11). «Многофункциональный фермент участвует в бактериальном биосинтезе эфирных липидов». Nature Chemical Biology . 10 (6): 425–427. doi :10.1038/nchembio.1526. ISSN  1552-4450. PMID  24814673.
  11. ^ Кафорио, А; Силиакус, МФ; Экстеркейт, М; Джайн, С; Джумде, VR; Андринга, РЛХ; Кенген, SWM; Миннаард, Эй Джей; Дриссен, AJM; ван дер Ост, 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. 
  12. ^ Sunamura, Michinari; Koga, Yosuke; Ohwada, Kouichi (1999-11-01). «Измерение биомассы метаногенов в отложениях Токийского залива с использованием липидов археол». Marine Biotechnology . 1 (6): 562–568. Bibcode : 1999MarBt...1..562S. doi : 10.1007/PL00011811. ISSN  1436-2228. PMID  10612681. S2CID  36653511.
  13. ^ Лим, Кэти Л. Х.; Панкост, Ричард Д.; Хорнибрук, Эдвард Р. К.; Максфилд, Питер Дж.; Эвершед, Ричард П. (2012). «Археол: индикатор метаногенеза в водонасыщенных почвах». Archaea . 2012 : 896727. doi : 10.1155/2012/896727 . ISSN  1472-3646. PMC 3512251 . PMID  23226972. 
  14. ^ Dewhurst, RJ; Yan, T.; Bull, ID; McCartney, CA (2013-02-01). «Оценка археол как молекулярного прокси-фактора для продукции метана у крупного рогатого скота». Journal of Dairy Science . 96 (2): 1211–1217. doi : 10.3168/jds.2012-6042 . ISSN  0022-0302. PMID  23261373.
  15. ^ Pancost, Richard D.; McClymont, Erin L.; Bingham, Elizabeth M.; Roberts, Zoë; Charman, Dan J.; Hornibrook, Edward RC; Blundell, Anthony; Chambers, Frank M.; Lim, Katie LH (ноябрь 2011 г.). «Археол как биомаркер метаногена в омбротрофных болотах». Organic Geochemistry . 42 (10): 1279–1287. Bibcode : 2011OrGeo..42.1279P. doi : 10.1016/j.orggeochem.2011.07.003.
  16. ^ Gill, Fiona L.; Dewhurst, Richard J.; Dungait, Jennifer AJ; Evershed, Richard P.; Ives, Luke; Li, Cheng-Sen; Pancost, Richard D.; Sullivan, Martin; Bera, Subir (май 2010 г.). «Archaeol – a biomarker for foregut fermentation in modern and Ancient herbivorous mls?». Organic Geochemistry . 41 (5): 467–472. Bibcode :2010OrGeo..41..467G. doi :10.1016/j.orggeochem.2010.02.001.
  17. ^ Ван, Хуанье; Лю, Вэйго; Чжан, Чуаньлунь Л.; Цзян, Хунчэнь; Дун, Хайлян; Лу, Хунсюань; Ван, Цзиньсян (январь 2013 г.). «Оценка соотношения археол к кальдархеолам как показателя солености в высокогорных озерах на северо-востоке Цинхай-Тибетского плато». Органическая геохимия . 54 : 69–77. Bibcode : 2013OrGeo..54...69W. doi : 10.1016/j.orggeochem.2012.09.011.
  18. ^ Роуленд, С. Дж. (январь 1990 г.). «Производство ациклических изопреноидных углеводородов путем лабораторного созревания метаногенных бактерий». Органическая геохимия . 15 (1): 9–16. Bibcode :1990OrGeo..15....9R. doi :10.1016/0146-6380(90)90181-x. ISSN  0146-6380.
  19. ^ Bligh, EG; Dyer, WJ (август 1959). «Быстрый метод полной экстракции и очистки липидов». Canadian Journal of Biochemistry and Physiology . 37 (8): 911–917. doi :10.1139/o59-099. ISSN  0576-5544. PMID  13671378. S2CID  7311923.
  20. ^ ab Demizu, Kazuhiro; Ohtsubo, Sadami; Kohno, Shuhei; Miura, Isao; Nishihara, Masateru; Koga, Yosuke (1992). «Количественное определение метаногенных клеток на основе анализа связанных эфиром глицеролипидов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии». Журнал ферментации и биоинженерии . 73 (2): 135–139. doi :10.1016/0922-338x(92)90553-7. ISSN  0922-338X.
  21. ^ ab Ohtsubo, S (май 1993 г.). «Чувствительный метод количественной оценки ацетокластических метаногенов и оценки общего количества метаногенных клеток в естественных средах на основе анализа глицеролипидов, связанных эфирными связями». FEMS Microbiology Ecology . 12 (1): 39–50. doi : 10.1016/0168-6496(93)90023-z . ISSN  0168-6496.
  22. ^ Martz, Robert F.; Sebacher, Daniel I.; White, David C. (февраль 1983 г.). «Измерение биомассы метанобразующих бактерий в образцах окружающей среды». Journal of Microbiological Methods . 1 (1): 53–61. doi :10.1016/0167-7012(83)90007-6. ISSN  0167-7012. PMID  11540801.
  23. ^ Смит, GC; Флудгейт, GD (октябрь 1992 г.). «Химический метод оценки метаногенной биомассы». Continental Shelf Research . 12 (10): 1187–1196. Bibcode : 1992CSR....12.1187S. doi : 10.1016/0278-4343(92)90078-x. ISSN  0278-4343.
  24. ^ Хольцер, Гюнтер У.; Келли, Патрик Дж.; Джонс, Уильям Дж. (июль 1988 г.). «Анализ липидов из метаногена гидротермального источника и сопутствующего осадка источника методом сверхкритической флюидной хроматографии». Журнал микробиологических методов . 8 (3): 161–173. doi :10.1016/0167-7012(88)90017-6. ISSN  0167-7012.
  25. ^ Кинг, Джерри (2002-01-22), "Сверхкритическая флюидная технология для экстракции липидов, фракционирования и реакций", Lipid Biotechnology , CRC Press, doi :10.1201/9780203908198.ch34 (неактивен 2024-11-11), ISBN 9780824706197{{citation}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )