Karboksisomit ( polyhedraaliset kappaleet ) ovat bakteerisolujen mikroosastoja , jotka sisältävät hiiltä sitovia entsyymejä [1] . Ne ovat monitahoisia yksikerroksisia proteiinikappaleita , joiden halkaisija on 80-140 nanometriä . Ne ovat suuri osa hiilidioksidin konsentraatiomekanismia, joka auttaa voittamaan ribuloosidifosfaattikarboksylaasin (Rubisco) tehottomuuden, pääentsyymin , joka rajoittaa hiilen sitoutumisnopeutta Calvinin syklissä . Nämä organellit löytyy kaikista syanobakteereista ja monista kemotrofisista hiilidioksidia sitovista bakteereista [ 2 ] .
Karboksisomit ovat esimerkki suuresta ryhmästä mikroosastoja, joilla on erilaiset toiminnot, mutta samanlainen rakenne, joka perustuu kahden membraaniproteiiniperheen homologiaan [ 3] .
Karboksisomit havaittiin ensimmäisen kerran elektronimikroskopialla vuonna 1956 syanobakteerissa Phormidium uncinatum [2] [4] , ja myöhemmin 1960-luvulla samanlaisia monitahoisia esineitä löydettiin muista syanobakteereista [5] . Vuonna 1961 näitä rakenteita kutsuttiin monitahoisiksi kappaleiksi , ja muutaman seuraavan vuoden aikana ne löydettiin joistakin hiilidioksidia sitovista kemotrofisista bakteereista (esimerkiksi Halothiobacillus , Acidithiobacillus , Nitrobacter ja Nitrococcus ). Koska karboksysomit ovat samankaltaisia faagihiukkasten kanssa, tutkijat ovat pitkään olleet skeptisiä ajatuksesta, että ne voivat olla toimivia bakteerisoluorganelleja. Tämä skeptisyys kuitenkin meni nopeasti ohi, kun Jessup Shively ja hänen työtoverinsa Clemsonin yliopistossa eristivät karboksysomeja Thiobacillus neapolitanuksesta , minkä jälkeen niiden osoitettiin sisältävän Rubiscoa ja niistä puuttui DNA [6] . Kirjoittajat ehdottivat näiden organellien nimeämistä karboksysomeiksi , koska uudet organellit osallistuivat hiilen kiinnittymiseen [7] .
Rakenteellisesti karboksysomit ovat kahdenkymmenen hedran tai kvasi - ikosaedrin muotoisia , yleensä halkaisijaltaan noin 80-120 nanometriä [8] . Karboksisomilla on ulkokalvo, joka koostuu useista tuhansista proteiinin alayksiköistä, jotka kapseloivat kaksi entsyymiä, hiilihappoanhydraasin ja ribuloosidifosfaattikarboksylaasin [9] .
Karboksisomeja on kahta tyyppiä: α-karboksysomit ja β-karboksysomit, jotka eroavat proteiinikoostumuksestaan. α-karboksysomit sisältävät tyypin I Rubiscoa, joka on jakautunut useisiin kerroksiin, ja karboksisomiproteiinien synteesistä vastaavat geenit on järjestetty yhdeksi operoniksi . β-karboksysomit sisältävät tyypin II Rubiscoa, josta puuttuu pieniä säätelyalayksiköitä ja joka on organisoitunut erityisen proteiinin avulla tiheäksi parakiteiseksi rakenteeksi ja jonka geenit muodostavat useita itsenäisiä klustereita. Syanobakteerit, joissa on α-karboksysomeja, elävät ympäristössä, jossa liuenneen hiilidioksidin määrää ei ole rajoitettu (esimerkiksi oligotrofiset valtamerivedet ), kun taas syanobakteerit, joissa on β-karboksysomeja, elävät, missä liuenneen hiilidioksidin määrä ympäristössä on rajallinen ( bakteerimatot , jokien suistot ). , alkaliset järvet, joissa on suuri tiheys fotosynteettisiä organismeja) [10] .
Röntgendiffraktioanalyysi osoitti, että karboksysomin ulkokuori koostuu heksagonaalisista proteiineista [9] . Eri bakteerilajeissa α-karboksysomeja rakennetaan eri proteiinityypeistä, 8 - 11. α-karboksysomien pääasiallisen rakenteellisen toiminnon suorittavat CsoS1A-, CsoS1B- ja CsoS1C-proteiinit, mutta niiden huokoset ovat liian pieniä. pieni substraatin diffuusion varmistamiseksi. Nämä ovat pieniä proteiineja, joiden paino vaihtelee 10-11 kDa. CsoS1D-proteiinissa on avautuvia ja sulkeutuvia huokosia, jotka helpottavat substraatin ( bikarbonaatti ja ribuloosi-1,5-bisfosfaatti ) sisäänpääsyä ja reaktiotuotteiden ( 3-fosfoglyseraatti ) poistumista. Positiivisesti varautuneet arginiinitähteet helpottavat negatiivisesti varautuneen tuotteen ja substraatin diffuusiota . Muita pieniä komponentteja ovat viisikulmaiset CsoS4AB-proteiinit, jotka sijaitsevat ikosaedrin kulmissa. Rubisco-kiinnitys tapahtuu karboksysomin kuoriproteiinien ja sen pienen alayksikön vuorovaikutuksen kautta.
Yleensä karboksysomi on jättimäisen jalkapallon muotoinen, joka on ommeltu kuudesta ja viisikulmiosta [8] . Pääasiallisten lisäksi karboksysomit voivat sisältää monia muita proteiineja, joilla on samanlainen muoto, mutta erilainen rakenne. Esimerkiksi tällaisen kuusikulmaisen proteiinin useat kulmat voivat olla suurempia tai pienempiä kuin muut. Uskotaan, että nämä proteiinit ovat vastuussa karboksysomien fysikaalisesta vuorovaikutuksesta keskenään [11] . Tällaisia karboksysomeja on löydetty a-syanobakteereista, kuten Synechococcus sp. tai kemoautotrofi Halothiobacillus neapolitanus , useita rikkiä hapettavia bakteereja suvuista Thiobacillus , Halothiobacillus , Acidithiobacillus ja Thiomonas , sekä suvun Nitrobacter nitrifioijissa , Nitrosomonas ja Nitrococcusdyrni the gentrobzoccusdyrni the gentrobzoccusdyrni ja . Tämän karboksysomien valikoiman esiintyminen Actinobacteria Acidimicrobium -suvun sisällä on herkkä [12] .
Tämän tyyppisten karboksysomien rakenneproteiinit jaetaan ulkokerroksen rakenneproteiineihin (CcmK2-4, CcmL ja CcmO) ja sisäkerroksen proteiineihin - CcmM-58, CcmM-35, Rubisco II, caA, CcmN ja CcmO. 58 kDa:n CcmM-58-proteiinin N-päässä on sekvenssi, joka on homologinen y -karbonianhydraasin kanssa, ja 35 kDa:n CcmM-35:n C-päässä on kolme kopiota proteiinidomeenista, jotka ovat identtisiä Rubiscon pienen alayksikön kanssa. Molemmat nämä proteiinit myötävaikuttavat merkittävästi hiiltä sitovan entsyymin pakkaamiseen karboksysomiin. Kuten edellä mainittiin, karboksysomin rakentamiseen tarvitaan viisikulmainen proteiini, joka peittäisi ikoesaedrin kulmat. P-karboksysomeissa tämän toiminnon suorittaa CcmL. Toisin kuin a-karboksysomeilla, β-karboksysomeilla on kaksikerroksinen rakenne, joka näkyy selvästi elektronimikroskopialla, ja ne ovat jonkin verran suurempia (halkaisijaltaan 175 nm vs. 120 nm). Tällaisia karboksysomeja on löydetty β-syanobakteereista, kuten S. elongatus ja Synechocystis [12] .
Karboksisomit ovat osa tehokasta keskittymismekanismia, jonka avulla autotrofiset bakteerit voivat imeä hiilidioksidia tehokkaasti lähes kaikissa olosuhteissa. Bikarbonaatti (HCO 3 − ) kuljetetaan soluun aktiivisella kuljetuksella ja menee sitten karboksysomiin. Siellä hiilihappoanhydraasi ja pH-muutos nopeuttavat HCO 3 − :n muuttumista CO 2 :ksi , jonka Rubisco kiinnittää 3-fosfoglyseraattina. Siten hiilidioksidipitoisuuden paikallinen lisäys syntyy Rubiscon korkeimman pitoisuuden tilalle. Karboksisomeja sisältävien solujen määrä kasvaa, kun epäorgaanisen hiilen (HCO 3 − , CO 2 ) määrä väliaineessa pienenee [10] [13] .
Tavallisten hiiltä sitovia entsyymejä sisältävien karboksysomien lisäksi näitä viruksen kaltaisia rakenteita on ainakin seitsemän tyyppiä, jotka suorittavat erilaisia tehtäviä. Jotkut näistä on löydetty ei-fotosynteettisistä bakteereista, joissa ne ovat osallistuneet erilaisiin katalyyttisiin reaktioihin, jotka liittyvät hiilen vapautumiseen, typen aineenvaihduntaan ja energian tuotantoon . Esimerkiksi Escherichia coli , Klebsiella , Clostridium , Fusobacterium , Shigella , Listeria ja Yersinia käyttävät näitä mikroosastoja vapauttamaan hiiltä energiaksi hajottamalla 1,2-propaanidiolia , etanoliamiinia tai molempia [14] . On huomionarvoista, että Salmonella enterica onnistui propaanidiolilla kasvaessaan osoittamaan tämän prosessin avainentsyymin - diolidehydrotaasin - läsnäolon karboksysomeissa . Koska kaikilta näistä bakteereista puuttuu epäorgaanisen hiilen kiinnitys, niistä löydetyt mikroosastot päätettiin nimetä enterosomeiksi [13] . On myös huomionarvoista, että enterosomien muodostuminen bakteereissa tapahtuu eläinten tai ihmisten tartunnan aikana, mikä osoittaa suoraan niiden suhteen mikro-organismin patogeenisyyteen .
Epäsuorasti karboksysomien merkitys solulle vahvistettiin tutkimuksilla, joissa syanobakteerien karboksysomit leimattiin vihreillä fluoresoivilla proteiinimolekyyleillä . Kävi ilmi, että karboksysomit ovat järjestetty suoriksi viivoiksi, mikä edistää niiden tasaista jakautumista solun jakautumisen aikana [15] .
Monet viruskapsidit koostuvat myös kuusikulmaisista ja viisikulmaisista proteiineista. Elektronikryotomografiatutkimukset vahvistivat karboksysomin noin 20-sivuisen geometrian ja visualisoivat sisällä olevat entsyymimolekyylit, jotka sijaitsevat useissa samankeskisissä kerroksissa [16] [17] . Lisäksi joidenkin karboksysomien ei-kaksikymmentäsivuiset muodot voidaan selittää heterogeenisten ohuiden kalvojen teorian muunnelmalla [18] . Koska karboksysomit ovat rakenteellisesti hyvin samankaltaisia kuin virukset ulkonäöltään ja rakenteeltaan ja koska varhaiset ilmoitukset DNA:n eristämisestä niistä, monet tutkijat ovat houkutelleet yhdistämään karboksysomien alkuperän bakteriofaagiin . Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin kumonneet nämä johtopäätökset, koska kävi ilmi, että ikosaedrisistä kappaleista väitetysti eristetty DNA itse asiassa osoittautui osaksi bakteerin nukleoidia [3] [14] .
Tutkijat uskovat, että karboksysomit ilmestyivät syanobakteerien evoluution aikana sopeutumiseen pienempään CO 2 -pitoisuuteen , varsinkin kun CO 2 diffundoituu vedessä kymmenentuhatta kertaa hitaammin kuin ilmassa ja sen liukoisuus riippuu suuresti pH:sta. Lisäksi Rubisco on äärimmäisen herkkä korkeille happipitoisuuksille , mikä on sen aktiivisen keskuksen suora kilpailija , joten sen eristäminen ja suojaaminen oli erityisen akuutti. Yhdessä karboksysomien kanssa tapahtui erittäin spesifisten kuljettajien ja pumppujen kehitys HCO 3 -ionille . Keskittymismekanismit, kuten CO 2 , ovat antaneet syanobakteerille menestyksekkäästi kehittää suuren määrän ekologisia markkinarakoja ja levitä lähes kaikkiin vesiympäristöihin [12] .
| Bakteerisolun rakenne | |
|---|---|
| Soluseinän |
|
| ulkokuori |
|
| Lomake |
|