Эйхгорн Г. (ред.) Неорганическая биохимия. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 203-

99. Candlin R., Harding М. M., J. Chem. Soc. (А), 1970, 384.

100. Fraser К. A., Harding М. M., J. Chem. Soc. (А), 1967, 415.

101. Valladas-Dubois S., Compt. rend., 237, 1408 (1953); Bull. Soc. Chim. France,

1954, 831; Compt. rend., 246, 2619 (1958).

Ola. Harding M. M., Cole S. J., Acta Cryst., 16, 643 (1963); Kretsinger R. H.,

Bryan R. F., Cotton F. A., ibid., 651.

02. Perrin D. D., Sharma V. 5., J. Chem. Soc. (A), 1967, 724.

03. Perkins D. J., Biochem. J., 55, 649 (1953).

04. Freeman H. C., Martin R. P., J. Biol. Chem., 244, 4823 (1969).

05. Raju E. V., Mathur H. B., J. Inorg. Nucl. Chem., 31, 425 (1969).

06. Thornton A. C. R., Skinner H. A., Trans. Faraday Soc., 65, 2044 (1969).

07. Burk D., Hearon J. Z., Caroline L., Schade A. L., J. Biol. Chem., 165, 723

(1946).

08. Earnshaw A., Larkworthy L. F., Nature, 192, 1068 (1961).

09. Simplicio J., Wilkins R. G., J. Am. Chem. Soc., 89, 6092 (1967).

10. Morris P. J., Martin B. R., J. Inorg. Nucl. Chem., 32, 2891 (1970).

11. Morris P. 1., Martin R. B., J. Am. Chem. Soc., 92, 1543 (1970).

12. Pearlmutter A. F., Stuehr J. E., J. Am. Chem. Soc., 90, 858 (1968).

13. Evertsson B., Acta Cryst., B25, 30 (1969).

14. Sigel H., Griesser R., McCormick D. B., Arch. Biochem. Biophys., 134, 217

(1969).

15. Doran M. A., Chaberek S., Martell A. E., J. Am. Chem. Soc., 86, 2129 (1964).

16. Meyer J. L., Bauman J. E., J. Am Chem. Soc., 92, 4210 (1970).

17. Sigel H., McKenzie R. E., McCormick D. B., Biochim. Biophys. Acta, 200, 411

(1970).

18. Freeman H. C., Guss J. M., Healy M. J., Martin R. P., Nockolds C. E., Sar-

kar B., Chem. Commun., 1969, 225.

19. Wellman K- M., Wong B. K, Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 64, 824 (1969).

>0. Martin R. B., Edsall J. T., J. Am. Chem. Soc., 82, 1107 (1960).

21. Lenz G. R., Martell A. E., Biochemistry, 3, 745 (1964).

!2. Kustin K, Pasternack R. F., J. Am. Chem. Soc., 90, 2295 (1968).

>3. Van der Helm D., Hossain M. B., Acta Cryst., B25, 457 (1969).

>4. Van der Helm D., Franks W. A., Acta Cryst., B25, 451 (1969).

!5. Van der Helm D., Nicholas A. F., Fisher C. G., Acta Cryst., B26, 1172

(1970).

!6. Van der Helm D., Franks W. A., J. Am. Chem. Soc., 90, 5627 (1968);

Franks W. A., Van der Helm D., Acta Cryst., B27, 1299 (1970).

:7. Ahrland S., Chatt /., Davies N. R., Quart. Rev., 12, 265 (1958).

8. Livingstone S. E., Quart. Rev., 19, 386 (1965).

9. Jargensen C. K, J. Inorg. Nucl. Chem., 24, 1571 (1962); Inorg. Chim. Acta

Rev., 2, 65 (1968).

0. Valladas-Dubois S., Compt. rend., 231, 53 (1950).

1. Doornbos D. A., Pharm. Weekblad, 103, 1213 (1968).

2. Gergely A., Acta Chim. Acad. Sci. Hung., 59, 309 (1969).

3. Evans W. P., Monk С. B., Trans. Faraday Soc., 51, 1244 (1955).

4. Albert A., Biochem. J., 47, 531 (1950).

5. Shindo H., Brown T. L., J. Am. Chem. Soc., 87, 1904 (1965).

S. Lum R. P. K., Eriks K., Abstracts, Am. Cryst. Assoc . Ottawa, Paper D4,

1970.

7. Gorin G., Spessard J. E., Wessler G. A., Oliver J. P., J. Am. Chem. Soc., 81,

3193 (1959).

3. McCormick B. J., Gorin G., Inorg. Chem., 2, 928 (1963).

3. Tomita A., Hirai H., Makishima S., Inorg. Chem., 7, 760 (1968).

1 Tomita A., Hirai H., Makishima S., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 4, 715 (1968).

1. Hemmerich P. in J. Peisach, P. Aisen, W. E. Blumberg (eds.), The Bioche-

mistry of Copper, Academic Press, New York, 1966, p. 15.

204

i лава 2

142. Urry D. W., Miles D., Caldwell D. J., Eyring H., J. Phys. Chem., 69, 1602

(1965).

143. Knox J. R., Prout С. К, Acta Cryst., B25, 1857 (1969).

144. Kay A., Mitchell P. C. H., Nature, 219, 267 (1968).

145. Dickerson R. E., Eisenberg D., Varnum J., Kopka M. L., J. Mol. Biol., 45, T

(1969).

146. Волыитейн JI. M., Могилевкина M. Ф., ЖНХ, 8, 597 (1963).

147. McAuliffe С. A., J. Chem. Soc. (А), 1967, 641.

148. Stephenson N. С., McConnell J. F., Warren R., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 3

553 (1967); Warren R. С., McConnell J. F., Stephenson N. C., Acta Cryst

B26, 1402 (1970).

149. Lenz G. R., Martell A. E., Biochemistry, 3, 750 (1964).

150. Veidis M. V., Palenik G. J., Chem. Commun., 1969, 1277.

151. Nattusch D. F. S., Porter L. /., Chem. Commun., 1970, 596.

152. Ref. [4], p. 645.

153. Hallman P. S., Proc. XII. I.C.C.C., 1970, 127.

154. Malmstrom B. G., Plenary Lecture, XII Int. Conf. Cordination Chem., Sydne

1969, Butterworth, London, 1970.

155. Lipscomb W. N., Accounts Chem. Res., 3, 81 (1970).

156. Lipscomb W. N., Hartsuck J. A., Quiocho F. A., Reeke G. N., Proc. Nati

Acad. Sci., 64, 28 (1969).

157. Holmes F., Williams D. R., J. Chem. Soc. (A), 1967, 1702.

158. Bauman J. E., Wang J. C., Inorg. Chem., 3, 370 (1964); see also William

J. Chem. Soc. (A), 1968, 2965.

ГЛАВА 5

ТРАНСПОРТ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА

МИКРОБАМИ (СИДЕРОХРОМЫ)

Дж. Б. Нейлендс

Neilands I. В., Biochemistry Department, University of

California, Berkeley, California, USA

1. ОБЩИЙ ОБЗОР

1.1. Введение

Из гл. 4 мы знаем, что функциональные группы пептидов могут

связывать ионы металлов. В данной главе мы обсудим структуры

*екоторых специфических пептидов и других комплексообразую-

цих агентов, которые продуцируются микроорганизмами и, по-

зидимому, специально предназначены для связывания железа.

В ходе эволюции переход от анаэробной к аэробной атмосфере*

ютребовал мощных специальных агентов для очень малораство-

шмого иона Fe(III) ['Kso гидроксида железа(Ш) ПР^Ю

-36

Зследствие этого большинство аэробных и «случайно» аэроб-

шх микроорганизмов, по-видимому, способны накапливать и

транспортировать железо и механизмы этих процессов примерно

жвивалентны тем, которые показаны схематически на рис. 5.1.

3 этой схеме можно выделить следующие основные черты: а) био-

синтез специфического лиганда для иона Fe(III) в ходе фермен-

тативных реакций; б) регуляция при помощи железа генетическо-

O аппарата, производящего описываемые здесь ферменты; в) диф-

фузия лиганда к мембране, поверхности клетки или в среду, свя-

еывание иона Fe(III) и активный транспорт иона металла в виде

;го комплексов в клетку; г) накопление комплекса Fe(III) в клет-

се, последующее восстановление и доставка атома железа в тре-

буемое место биосинтетическим аппаратом клетки. В условиях

шзких концентраций железа перепроизводство лиганда может

1ривести к образованию значительного количества не связанных

: металлом молекул лиганда, которые должны быть выведены из

слетки в среду.

* «Аэробная» и «анаэробная» атмосфера — термины неудачные: лучше было

)ы «содержащая» и «не содержащая» кислорода атмосфера. — Прим. ред.

206

i лава 2

Внешняя

Внутренняя

железосодержащий фермент и белок

ген-репрессор оператор- ген

генg ген

и т.д.

иыа ген

;

; ; ;

J ^frподавление J J J

электрон комплекс Fe

dema-penpsccopa

фермент

ферменту фермент

ит

^низкац

^'конц^ншроция

железоi

деферрисидерохром

Рис. 5.1. Схема микробной железотранспортирующей системы и ее оперон.

Информация, содержащаяся в генах, транскрипируется в молекулы матричной (информа

ционной) РНК и передается от них для синтеза ферментных белков. Серии генов, таких, Kai

обозначенные буквами а, 6 не, могут находиться под контролем операторного гена. Пр1

ингибировании этого операторного гена геном-репрессором прекращается синтез всех белкоп

которые соответствуют всем генам, контролируемым этим операторным геном.

1.2. Терминология

Содержащим железо метаболитам красно-коричневого цвета

характеризующимся полосой поглощения при 420—440 нм, был

дано общее название «сидерохромы» [1]. Метаболиты, обладаю

щие способностью промотировать рост, .были названы «сидерами

нами», а метаболиты с антибиотическими свойствами —«сидерс

мицинами». Такая терминология не вполне удовлетворительна, Tai

как ряд соединений нельзя отнести ни к факторам роста, ни к ан

тибиотикам. Более того, некоторые антибиотики этого класса

зависимости от используемого организма могут служить и факте

рами ,роста (табл. 6.2). К то-му же феноляты железа (III) (клас

соединений с такой же биофункцией, как сидерохромы) такж

имеют максимум поглощения вблизи 500 нм. По этой причине, пс

видимому, желательно отказаться от названий «сидерамины»

«сидеромицины» и оставить термин «сидерохромы» или «железе

форы» для всех микробных железотранспортирующих факторо']

Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы.) 207

В настоящем обзоре будет использоваться название «сидерохром»

(sidero — железо, chrome — цвет); работающие .в этой области

должны будут разработать удовлетворительную номенклатуру.

1.3. Классификация

В данном обзоре основное внимание будет уделено химии м«К'

робных железотранспортирующих соединений. Но, кроме того,

будет приведено достаточно данных, полученных в результате

биологических исследований, чтобы показать, что в действительно-

сти главной ролью этих веществ является роль «капсул» или «обо-

лочек». Таким образом, область на рис. 5.1, обозначенная как «ак-

Рис. 5.2. Фенолятные (внизу) и гидроксаматные (вверху) комплексы железа (III),

найденные в микробных железотранспортирующих соединениях.

тивная транспортная зона», слишком нехарактерна для настояще-

го обзора. Понятно, что особое внимание должно быть уделено

структуре соединений, так как какой бы ни была биологическая

функция, она всегда будет зависеть и определяться химическим

строением молекул.

В настоящее время мы различаем два главных типа сидеро-

хромов—феноляты и гидроксаматы. Оба лиганда представляют

собой слабые кислоты (р/С

—

9), и координационная сфера свя-

занного иона металла состоит только из атомов кислорода

(рис. 5.2). На этом рисунке показаны структуры комплексов со-

става 3 : 1, в которых заняты все шесть октаэдрически располо-

женных координационных мест иона Fe(III). Вещества, ближе

других связанные с метаболизмом железа, представлены энтеро-

бактином (I) [2] и феррихромом (Va) [3], относящимися соответ-

ственно к фенолятной и тидроксаматной сериям; их молекулы со-

держат по 6 атомов кислорода каждая. Кроме того, здесь будет

описан ряд соединений, которые, как полагают, также участвуют

в транспорте железа, но содержат меньше шести связующих ато-

мов в молекуле; но главное внимание будет уделено системам ти-

па энтеробактина и феррихрома.

208

i лава 2

Классификация на феноляты и гидроксаматы является одной

из наиболее четких, но, к сожалению, она 'несовместима с разно-

образием структур, представленных факторами микробного транс-

порта железа. Так, микобактерия синтезирует множество соедине-

ний, называемых микобактинами (XI) [4], которые содержат две

гидроксаматные связи (т. е. четыре атома кислорода), одну фено-

лятную группу и остаток замещенного оксазолина, причем шестым

металлсвязывающим атомом является атом азота оксазолина.

Следовательно, микобактины можно рассматривать как гибрид

чистых тригидроксаматной и трифенолятной систем. Кроме того,

и аэробактин (IX) [5] из Aerobacter aerogenes и деферришизокн-

нины (Xa) [5а] из Bacillus megaterium включают две гидроксамат-

ные группы и внутренний остаток лимонной кислоты, имеющий

свободную карбоксильную и гидроксильную группы, каждая из

которых может координироваться к связанному с гидроксаматом

иону Fe(III) (X). В общем можно сказать, что гидроксаматы

встречаются в грибах, дрожжах и бактериях. Трифенолят до сих

пор обнаруживали только в истинных бактериях.

1.4. Биосинтез

Прежде чем начать обсуждение структур соединений, транс-

портирующих железо, полезно рассмотреть некоторые факторы,

регулирующие их биосинтез, главный из которых — железо. Роль

железа в этом процессе впервые была описана Гарибальди и Ней-

лендсом около 15 лет назад. Они продемонстрировали накопление

большого количества свободного от металла лиганда при культи-

вировании головневых грибов Ustilago sphaerogena и других мик-

роорганизмов при низких концентрациях железа [6]. Полное ис-

ключение железа из среды, естественно, будет препятствовать

росту всего организма, и, очевидно, данные, приведенные на

рис. 5.3, следует соотносить с выходами клеток. Поэтому незна-

чительное стимулирование железом образования деферрисидеро-

хрома может объяснить высокие выходы клеток, или же можнс

предположить участие железа в ферментативных биосинтетиче-

ских процессах. При концентрации соли железа примерно IO

-5

обычно происходит усиленный рост клеток и не происходит выде-

ление транспортных лигандов. Тот факт, что регулирующее влия-

ние иона металла можно наблюдать уже при концентрации при-

мерно Ю

-7

М, заставляет предположить репрессивный механизм

но более убедительное доказательство этому получают в резуль

тате эксперимента, в котором железо добавляют к культуре, ак

тивно синтезирующей гидроксамат, — синтез продолжается не

сколько часов, на основании чего исключается предположена

о ферментативном ингибировании добавленным железом. Изменя!

содержание железа в питательной среде некоторых дрожжей i

грибов, создают возможность для образования гидроксамата i

Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы) 209

количестве, составляющем несколько граммов на литр среды [7].

Столь высокие выходы никогда не наблюдают для фенолятов из

бактерий, даже когда уровень железа «оптимальный», хотя обра-

зование -фенолята аналогичным образом подавляется железом. Это

отражает различия в оперонах и ферментах, которые управляют

синтезом гидроксаматов и фенолятов. По аналогии с биосинтезом

малых пептидов, подобных грамицидину, мы допускаем, что фраг-

менты деферрисидерохрома собираются посредством некодиро-

ванного процесса.

Рис. 5.3. Общая зависимость, от-

ражающая подавление железом

производства деферрисидерохро-

мов, наблюдаемое в различных ви-

дах микробов.

8 7 6 5

Ig (количество добавленного

железа, г-атом/л)

Гарибальди [7а] сделал интересное открытие, что флюорес-

цирующая псевдомонада, которая была выделена из испорченного

<уриного мяса при 2 °С, при 28

C разрушается с образованием

шдерохрома гидроксаматного типа. Для роста при более высоких

температурах требуется или больше железа, или следовые коли-

!ества железотрэкспортирующих соединений.

Природа связывающих центров деферрисидерохрома показана

ia рис. 5.4. Эта схема иллюстрирует тот факт, что биосинтезы фе-

юлята (энтеробактина) относительно хорошо прослеживаются

шлоть до ферментативного уровня [8]; железо не участвует в

•том биосинтезе. Таким образом, путь а на рис. 5.4 представляет

1ереход хоризмата в обычные ароматические соединения и за-

санчивается энтеробактином; единственной целью этого стимули-

ювания, по-видимому, является синтез сидерохрома (эятеробак-

•ин, I). В случае гидроксаматного сидерохрома гидроксилирова-

1ие атома азота может осуществляться либо до (путь б, рис. 5.4),

[ибо после (путь в, рис. 5.4) ацилирования. Первая реакция, бо-

iee выгодная термодинамически, осуществляется в случае ферри-

16—2451

210 i лава 2

хрома [9] и хадацидина [10], в то время как с аспергилловой

кислотой [11] (и, возможно, с микобактином [4]) свободное гид-

роксиламинопроизводное может и не образовываться в качестве

промежуточного соединения.

С практической точки зрения сведения о способности железа

подавлять некоторые биосинтетические процессы оказались чрез-

вычайно важными для получения достаточных количеств железо-

транспортирующих соединений для биологических исследований.

Если такие соединения не удается обнаружить, то это может

означать, что: а) организм имеет альтернативный механизм для

Рис. 5.4. Пути, посредством которых биосинтезируются атомы, связывающие

металл, в фенолятных (вверху) и гидроксаматных (внизу) деферрисидерохромах.

усвоения железа; б) соединения не выделяются; в) они произво-

дятся в количествах, меньших того предела, когда их можно обна-

ружить; г) организму требуются для синтеза особые концентра-

ции железа или д) природные или создаваемые искусственно ве-

щества в среде могут выполнять не только транспортную функ-

цию. Углеродные субстраты, которые могут окисляться толькс

через цикл трикарбоновых кислот (TKK), должны иметь макси

мальную потребность в железе [12].

К сожалению, очень мало известно о метаболизме и расиад<

сидерохромов. Почвенные микроорганизмы Pseudomonas Fc-I спо

собны расти на феррихромах как на единственном источнике уг

лерода и азота. Первоначальная атака осуществляется пептидаза

ми, которые расщепляют циклический пептид при карбоксильнот

атоме углерода б-Ы-ацил-б-Ы-оксиорнитинтрипептида [13]. Желе

зо можно заменить алюминием, но деметаллированные соединени

не расщепляются.

•С точки зрения структуры феррихромные соединения (V) от

носятся к наиболее интенсивно исследованным в биохимии. По;

ное кристаллографическое представление тщательно разработан

^ ароматическии путь

Хоризмот

-+2,3-Ъиоксибетоат

-*• -*•

энтеробактин

он

1.5. Биологическое действие

Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)

211

для феррихрома A (V6) [14]. Феррихром (Va) [15] был синте-

зирован и исследован методами протонного магнитного резонанса

[16], электронного парамагнитного резонанса и спектроскопии

Мессбауэра [17]. Из фенолятпроизводных только энтеробактин

(I) не был синтезирован химически. Теперь полезно рассмотреть,

насколько структура этих довольно полно изученных -соединений

соответствует их биологической функции, иллюстрируемой рис. 5.1.

Первоначальное предположение о том, что феррихром (Va)

[18] и итоевая кислота (IV) [19] действуют как агенты, перено-

сящие железо, в значительной мере основывалось на том факте,

что комплексы железа(III) чрезвычайно стабильны (,константа

образования -—-10

), в то время как аналогичные комплексы же-

леза (II) сравнительно неустойчивы. Эти данные подтверждают

механизм, предполагающий освобождение железа в ходе реакции,

и в то же время исключают возможность переноса электрона в

процессе окисления—восстановления центрального иона металла.

Было установлено, что продукты, образовавшиеся при недостатке

железа, должны иметь в клетке определенные эволюционные пре-

имущества, и это также согласуется с тем, что оба соединения —

и феррихром (Va) и итоевая кислота (IV) —действуют как аген-

ты, переносящие железо. Доказательство другого типа основано

на том, что некоторые грибы и бактерии, живущие главным обра-

зом в почве и навозе, требуют для роста сидерохромы (табл. 5.2).

Впоследствии обнаружили, что синтетические хелатирующие аген-

ты в надлежащих концентрациях могут промотировать рост при-

эодных оидерохромных ауксотрофов [20]. Как показал Эмери

[21], феррихром играет роль непосредственного переносчика же-

леза в U. sphaerogena — головневых грибах, которые, как извест-

ю, славятся своей необычайно высокой способностью синтезиро-

зать сидерохромы. Для Bacillus megaterium, дикий тип которой

1родуцирует шизокинины [22], можно получить мутанты, нужда-

вшиеся в сидерохромах [23]. Стабильный комплекс микобактина

: хромом(III) конкурирующе подавляет активность фактора роста

/шкобактина в некоторых микобактериях [4]. Это означает, что

физиологически активной формой метаболита является комплекс

шкобактина с металлом, по-видимому, комплекс железо(Ш) мп-

юбактин (XII). Наконец, роль природного гидроксамата желе-

а(III) как переносчика железа может быть сопоставлена с экспе-

шментами по выявлению его антагонизма токсичности родствен-

ных ему антибиотиков класса сидерохромов. Так, сидерохромы,

ктивные как факторы роста, блокируют проникновение таких ан-

ибиотиков в клетки Staphylococcus aureus [24]; по-видимому, ме-

анизм этого процесса — конкуренция с транспортной системой

акого же типа. Иногда внутри клетки сидерохромный антибиотик

южет оказаться токсичным для различных процессов [25] (в за-

исимости от его конкретной структуры), которые могут не иметь

212

i лава 2

никакого отношения к метаболизму железа и которые соответст-

венно не обращаются аналогами сидерохромов.

Так как биологическая активность гидроксаматов и фенолятов

железа(III) может быть одинаковой — первые характерны для

грибов и дрожжевых частиц, а вторые функционируют (в соответ-

ствии с последними данными) только в истинных бактериях, —

по-видимому, вполне приемлемо для выяснения механизма их био-

логического действия использовать такие микроорганизмы как Ba-

Время, мин

Рис. 5.5. Поглощение железа штам-

мом Bacillus subtilis dhb-4 при до-

бавлении 50 мкг/мл итоевой кислоты

(— ) и без нее (

[Peters, Warren, Biochim. Biophys.

Acta, 165, 255 (1968)].

cillus sp. и особенно группу энтеробактерий типа Escherichia coli i

Salmonella typhimurium. Например, ,из Ustilago sp. невозможж

получить феррихромный ауксотроф; такие мутанты были бы же

лательны, поскольку у дикого типа высока концентрация сидеро

хрома. Таким образом, весомые доказательства активного трапе

порта сидерохромов, впервые полученные Петерсом и Уоррено?

[26] в опытах с Bacillus subtilis, были вскоре подтверждены дру

гими исследователями, использовавшими Е. coli [27] и 5. typhimu

rium [28].

Выделение из культуры В. subtilis первого фенолятного дефер

рисидерохрома, итоевой кислоты [19] (название которой проис

ходит от /гоп Transferring Ortho-phenol), охарактеризованной ка

2,3-диоксибензоилглицин (IV), последовало после того, как и

других видов бактерий был выделен его сериновый аналог (III

[29], бис-лизиновое производное (II) [30] и энтеробактин (I) [2

Было показано, что, за исключением бис-лизинового соединени

все другие фенолятные деферрисидерохромы транспортируют ж>

лезо в организмах В. subtilis, Е. coli и 5. typhimurium соответс

венно.