У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо

У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо
10.01.07 | Биология, Химия, Александр Марков | Комментировать
http://elementy.ru/news/430429
Железо входит в состав 86% белков микроба
Ferroplasma acidiphilum, обитателя пиритовых месторождений. Удаление атомов железа из белковых молекул приводит к нарушению их структуры и потере
функциональности. Возможно, у древнейших живых
организмов, развивавшихся, согласно одной из теорий, в микрополостях кристаллов пирита, все белки
изначально держались на «железных заклепках», как
у ферроплазмы. Позже, по мере освоения новых местообитаний, эти древние белки заменялись другими,
не содержащими железа.
Известно, что в состав многих белков входят ионы различных металлов (железа, меди, кобальта, магния, цинка,
Минерал пирит (FeS2), по мнению некоторых биологов,
молибдена, кальция, марганца и др.). Такие белки назымог сыграть важную роль в возникновении жизни блавают металлопротеинами. Они выполняют разнообразные
годаря своим каталитическим свойствам (фото с сайта
функции, в том числе каталитические (так называемые
www.hpwt.de)
металлоферменты) и транспортные (например, гемоглобин). У всех изученных в этом отношении организмов
металлопротеины составляют лишь небольшую часть от общего разнообразия белков. Неожиданное открытие,
сделанное германскими, испанскими и британскими микробиологами, показало, что на заре жизни ситуация,
возможно, была обратной.
Шесть лет назад в биореакторе опытного металлургического завода в Туле был обнаружен удивительный
микроб, относящийся к надцарству архей (Archaea) и получивший название Ferroplasma acidiphilum.
В отличие от большинства других архей и бактерий, ферроплазма лишена жесткой клеточной стенки и размножается почкованием.
Ферроплазма живет в очень кислых (pH 1,3–2,2, оптимально 1,7) водах, насыщенных растворенным железом и другими металлами. В природе такие условия встречаются
в окрестностях месторождений сульфидных руд (например,
пирита). Ферроплазма — облигатный автотроф, то есть сама производит органику из углекислого газа (подобно растениям), а питаться готовыми органическими веществами
не может. В отличие от растений, источником энергии для
фиксации СО2 ферроплазме служит не солнечный свет, а
химическая реакция окисления двухвалентного железа
(Fe2+ → Fe3+).
В ходе дальнейших исследований у ферроплазмы обнаружилось еще несколько необычных особенностей.
В частности, в 2005 году было установлено, что один из ее
ферментов (альфа-глюкозидаза) является железосодержащим металлоферментом, в то время как у всех остальных
организмов ферменты этого класса (гликозид-гидролазы)
никакого железа не содержат. Это побудило команду микробиологов — первооткрывателей ферроплазмы проверить
и другие белки странного микроорганизма на предмет содержания в них железа и других металлов.
Результат оказался более чем удивительным. При помощи
сложных химических методов из микробов выделили все
Ферроплазма в процессе почкования (почки показабелки и разделили их на фракции по молекулярной массе и
ны стрелками). Масштаб: 500 нанометров. Фото из
статьи с первоописанием микроба (O.V.Golyshina
электрическому заряду (получилось около 400 достаточно
et al., 2000)
хорошо обособленных фракций, соответствующих индивидуальным белкам); затем при помощи еще более сложных
методов проводилось индивидуальное «опознание» каждого белка. Из 189 белков, которые удалось иденти-
фицировать, лишь 26 не содержали железа. Остальные 163 (86%) оказались железосодержащими металлопротеинами. Самое удивительное, что аналоги большинства из этих белков, встречающиеся у других организмов,
не содержат железа (в том числе многие белки, участвующие в манипуляциях с нуклеиновыми кислотами:
ДНК-лигазы, транспозазы, эндонуклеазы, интегразы и др.).
Железо в белках ферроплазмы не является какой-то необязательной или второстепенной примесью. Исследователи показали, что аккуратное удаление железа из этих белков приводит к сильному изменению их вторичной структуры (денатурации) и потере функциональной активности. Похоже на то, что почти все белки ферроплазмы, по образному выражению авторов статьи, держатся на «железных заклепках» («iron rivet»).
Естественно, сразу возник вопрос о причинах такого обилия железосодержащих металлопротеинов
у ферроплазмы. Возможно, это общее свойство всей группы микроорганизмов, к которой относится ферроплазма? Или, может быть, оно характерно именно для микробов, обитающих в кислых, насыщенных растворенным железом водах? Для ответа на этот вопрос исследователи выделили теми же методами металлосодержащие белки из ближайшего родственника ферроплазмы — архебактерии Picrophilus torridus, а также из неродственного, но обитающего в таких же условиях микроорганизма — бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans.
Из этих микробов удалось выделить лишь 29 и 28 металлопротеинов соответственно, из которых только половина содержала железо. Самое главное, что все железосодержащие металлопротеины этих двух микробов оказались обычными, широко распространенными металлопротеинами, которые и у многих других организмов
тоже содержат железо.
В заключительной части статьи авторы высказывают весьма смелую гипотезу — настолько смелую, что даже
удивительно читать такое в журнале Nature. Они предполагают, что ситуация, наблюдаемая у ферроплазмы,
является случайно сохранившимся отголоском древнейших этапов развития жизни. Согласно одной из популярных теорий, жизнь могла зародиться в микрополостях кристаллов пирита, в условиях, очень близких к тем,
в которых ныне обитает ферроплазма. Главным отличием таких биотопов является очень кислая среда и
изобилие растворенного железа, которое в других, менее экзотических местообитаниях, обычно в большом
дефиците.
Древнейшие формы жизни поначалу активно использовали для осуществления необходимых химических реакций простые неорганические катализаторы, в первую очередь соединения железа и серы. Постепенно эти
катализаторы замещались более эффективными органическими, то есть белками, и вполне естественно предположить, что первые белки включали в себя атомы железа как неотъемлемые структурные и функциональные компоненты. В дальнейшем, когда живые организмы стали осваивать другие биотопы, они сразу же
столкнулись с резким дефицитом доступного железа, и отбор стал способствовать замене старых железосодержащих белков другими, не нуждающимися в железе для выполнения своих функций. В конце концов железо сохранилось только в тех белках, которые без него совсем уж никак обойтись не могут.
Согласно версии авторов статьи, обилие железосодержащих металлопротеинов у ферроплазмы объясняется
тем, что предки этого микроба никогда не покидали кислых, богатых железом вод, и вся их эволюция протекала в условиях железного изобилия. Другие микроорганизмы, обитающие сегодня в похожих условиях, вероятно, попали туда вторично, и на каких-то этапах своей эволюции они сталкивались с дефицитом железа. Те
немногочисленные белки ферроплазмы, в которых железа все-таки нет, возможно, достались ей от этих новых
соседей в результате горизонтального (межвидового) обмена генами, что у прокариот — обычное дело.
Впрочем, есть одно обстоятельство, заставляющее усомниться в столь глубокой древности ферроплазмы и ее
металлопротеинов. Дело в том, что этот микроорганизм является аэробным, для окисления железа ему необходим кислород, тогда как древнейшие этапы эволюции жизни, согласно общепринятым представлениям,
протекали в бескислородных условиях.
Источник: Manuel Ferrer, Olga V. Golyshina, Ana Beloqui, Peter N. Golyshin, Kenneth N. Timmis. The cellular
machinery of Ferroplasma acidiphilum is iron-protein-dominated // Nature. 2007. V. 445. P. 91–94.