Carboxysomer ( polyedriske legemer ) er mikrorum i bakterieceller, der indeholder carbonfikserende enzymer [ 1] . De er mangefacetterede enkeltlags proteinlegemer med en polyedrisk form fra 80 til 140 nanometer i diameter. De er en stor del af CO2 - koncentrationsmekanismen, der hjælper med at overvinde ineffektiviteten af ribulosediphosphatcarboxylase (Rubisco) , det vigtigste enzym , der begrænser hastigheden af carbonfiksering i Calvin-cyklussen . Disse organeller findes i alle cyanobakterier og mange kemotrofe CO2-fikserende bakterier [ 2 ] .
Carboxysomer er et eksempel på en stor gruppe af mikrorum, der har forskellige funktioner, men en lignende struktur baseret på homologien af to familier af membranproteiner [3] .
Carboxysomer blev først påvist ved elektronmikroskopi i 1956 i cyanobakterien Phormidium uncinatum [2] [4] , og senere i 1960'erne blev lignende polyedriske objekter fundet i andre cyanobakterier [5] . I 1961 blev disse strukturer kaldt polyedriske legemer , og i de næste par år blev de opdaget i nogle kemotrofe bakterier, der fikserer kuldioxid (for eksempel Halothiobacillus , Acidithiobacillus , Nitrobacter og Nitrococcus ). På grund af carboxysomernes lighed med fagpartikler har forskere længe været skeptiske over for ideen om, at de kan være funktionelle bakteriecelleorganeller. Denne skepsis gik dog hurtigt over, da Jessup Shively og hans samarbejdspartnere ved Clemson University i 1973 isolerede carboxysomer fra Thiobacillus neapolitanus , hvorefter de viste sig at indeholde Rubisco og mangle DNA [6] . Forfatterne foreslog at navngive disse organeller carboxysomer , da nye organeller var involveret i kulstoffiksering [7] .
Strukturelt er carboxysomer tyve -hedra eller kvasi - icosaeder , sædvanligvis omkring 80 til 120 nanometer i diameter [8] . Carboxysomet har en ydre membran sammensat af flere tusinde underenheder af et protein, der indkapsler to enzymer, kulsyreanhydrase og ribulosediphosphatcarboxylase [9] .
Der er to typer carboxysomer: α-carboxysomer og β-carboxysomer, som adskiller sig i deres proteinsammensætning. α-carboxysomer indeholder type I Rubisco, som er fordelt i flere lag, og generne, der er ansvarlige for syntesen af carboxysomproteiner, er organiseret i én operon . β-carboxysomer indeholder type II Rubisco, som mangler små regulatoriske underenheder og er organiseret i en tæt parakrystallinsk struktur ved hjælp af et særligt protein, og dets gener danner flere uafhængige klynger. Cyanobakterier med α-carboxysomer lever i et miljø, hvor mængden af opløst kuldioxid ikke er begrænset (f.eks. oligotrofisk havvand ), mens cyanobakterier med β-carboxysomer lever, hvor opløst kuldioxid i miljøet er begrænset ( bakteriemåtter , flodmundinger , alkaliske søer med en høj tæthed af fotosyntetiske organismer) [10] .
Røntgendiffraktionsanalyse viste, at den ydre skal af carboxysomet består af hexagonale proteiner [9] . Hos forskellige bakteriearter er α-carboxysomer bygget af et forskelligt antal proteintyper, fra 8 til 11. Den væsentligste strukturelle funktion i α-carboxysomer udføres af CsoS1A, CsoS1B og CsoS1C proteiner, dog er porerne i dem for lille for at sikre substratdiffusion. Disse er små proteiner, der varierer i vægt fra 10 til 11 kDa. CsoS1D-proteinet har porer, der er i stand til at åbne og lukke, som tjener til at lette indtrængen af substratet ( bicarbonat og ribulose-1,5-bisphosphat ) og udgangen af reaktionsprodukterne ( 3-phosphoglycerat ). Positivt ladede argininrester letter diffusionen af det negativt ladede produkt og substrat. Andre mindre komponenter er femkantede CsoS4AB-proteiner placeret i hjørnerne af icosahedron. Rubisco-fiksering udføres gennem interaktionen af carboxysom-skalproteiner med dens lille underenhed.
Generelt har karboxysomet form som en kæmpe fodbold , syet af seks- og femkanter [8] . Ud over de vigtigste kan carboxysomer omfatte mange yderligere proteiner, der har en lignende form, men en anden struktur. For eksempel kan flere hjørner af et sådant hexagonalt protein være større eller mindre end de andre. Det menes, at disse proteiner er ansvarlige for den fysiske interaktion mellem carboxysomer med hinanden [11] . Sådanne carboxysomer er blevet fundet i a-cyanobakterier, såsom Synechococcus sp. eller kemoautotrof Halothiobacillus neapolitanus , en række svovloxiderende bakterier af slægten Thiobacillus , Halothiobacillus , Acidithiobacillus og Thiomonas , samt i nitrifiers af slægten Nitrobacter , Nitrosomonas og Nitrococcus af nitrococcus og nitrococcus . Tilstedeværelsen af denne række af carboxysomer i slægten af actinobakterier Acidimicrobium er modtagelig [12] .
Strukturelle proteiner af denne type carboxysomer er opdelt i strukturelle proteiner i det ydre lag (CcmK2-4, CcmL og CcmO) og proteiner i det indre lag - CcmM-58, CcmM-35, Rubisco II, caA, CcmN og CcmO. 58 kDa CcmM-58-proteinet bærer ved sin N-terminal en sekvens, der er homolog med y - carbonsyreanhydrase , og 35 kDa CcmM-35 C-terminalen bærer tre kopier af proteindomænet, der er identisk med den lille Rubisco-underenhed. Begge disse proteiner bidrager væsentligt til pakningen af det carbonfikserende enzym i carboxysomet. Som nævnt ovenfor er der behov for et femkantet protein for at opbygge et carboxysom, der dækker hjørnerne af icoesahedron. I β-carboxysomer udføres denne funktion af CcmL. I modsætning til α-carboxysomer har β-carboxysomer en tolagsstruktur, som tydeligt ses ved hjælp af elektronmikroskopi, og er noget større (175 nm i diameter mod 120 nm). Sådanne carboxysomer er blevet fundet i β-cyanobakterier såsom S. elongatus og Synechocystis [12] .
Carboxysomer er en del af en effektiv koncentrationsmekanisme, der tillader autotrofe bakterier effektivt at assimilere CO2 under stort set alle forhold. Bicarbonat (HCO 3 − ) transporteres ind i cellen ved aktiv transport og kommer derefter ind i carboxysomet. Der accelererer kulsyreanhydrase og et pH-skift omdannelsen af HCO 3 − til CO 2 , som af Rubisco fikseres som 3-phosphoglycerat. Således skabes en lokal stigning i koncentrationen af kuldioxid i stedet for den højeste koncentration af Rubisco. Antallet af celler indeholdende carboxysomer stiger i takt med, at mængden af uorganisk kulstof (HCO 3 − , CO 2 ) i mediet falder [10] [13] .
Ud over de sædvanlige carboxysomer, der indeholder carbonfikserende enzymer, er der mindst syv typer af disse viruslignende strukturer, der udfører forskellige funktioner. Nogle af disse er blevet fundet i ikke-fotosyntetiske bakterier, hvor de har været involveret i forskellige katalytiske reaktioner forbundet med kulstoffrigivelse, nitrogenmetabolisme og energiproduktion . For eksempel bruger Escherichia coli , Klebsiella , Clostridium , Fusobacterium , Shigella , Listeria og Yersinia disse mikrorum til at frigive kulstof til energi ved at nedbryde 1,2-propandiol , ethanolamin eller begge dele [14] . Det er bemærkelsesværdigt, at Salmonella enterica , når den voksede på propandiol, formåede at vise tilstedeværelsen i carboxysomer af nøgleenzymet i denne proces - dioldehydrotase . Da alle disse bakterier mangler fiksering af uorganisk kulstof, blev det besluttet at betegne de mikrorum, der findes i dem, som enterosomer [13] . Det er også bemærkelsesværdigt, at dannelsen af enterosomer i bakterier forekommer på tidspunktet for infektion af dyr eller mennesker, hvilket direkte indikerer deres forhold til mikroorganismens patogenicitet .
Indirekte blev carboxysomernes betydning for cellen bekræftet af undersøgelser, hvor carboxysomer i cyanobakterier blev mærket med grønne fluorescerende proteinmolekyler . Det viste sig, at carboxysomer er arrangeret i lige linjer, hvilket bidrager til deres lige fordeling under celledeling [15] .
Mange virale kapsider er også sammensat af sekskantede og femkantede proteiner. Elektronkryotomografiundersøgelser bekræftede den ca. tyve-sidede geometri af carboxysomet og visualiserede enzymmolekylerne indeni, placeret i flere koncentriske lag [16] [17] . Derudover kan de ikke-tyve-sidede former af nogle carboxysomer forklares inden for en variation af teorien om heterogene tynde membraner [18] . Da carboxysomer strukturelt minder meget om vira i udseende og struktur, og på grund af de tidlige rapporter om DNA-isolering fra dem, er mange videnskabsmænd blevet fristet til at forbinde carboxysomernes oprindelse med bakteriofager . Imidlertid har efterfølgende undersøgelser tilbagevist disse konklusioner, da det viste sig, at DNA, der angiveligt var isoleret fra icosaedriske legemer, faktisk viste sig at være en del af den bakterielle nukleoid [3] [14] .
Forskere mener, at carboxysomer opstod under udviklingen af cyanobakterier som en tilpasning til en lavere koncentration af CO 2 , især da CO 2 diffunderer ti tusinde gange langsommere i vand end i luft, og dets opløselighed er meget afhængig af pH. Derudover er Rubisco ekstremt følsom over for høje koncentrationer af ilt , som er en direkte konkurrent til dets aktive center , så spørgsmålet om dets isolation og beskyttelse var særligt akut. Sammen med carboxysomer fandt udviklingen af meget specifikke transportører og pumper til HCO 3 - ionen sted . Koncentrationsmekanismer som CO 2 har gjort det muligt for cyanobakterier med succes at udvikle et stort antal økologiske nicher og spredes i næsten alle akvatiske levesteder [12] .
| Strukturen af en bakteriecelle | |
|---|---|
| Cellevæg |
|
| ydre skal |
|
| Formen |
|