Archaeol - Archaeol

Archaeol je jedním z hlavních lipidů základní membrány jádra archaea, jedna ze tří domén života. Jednou z klíčových vlastností, která odlišuje archaea od bakterie a eukarya jsou jejich membránové lipidy, kde hraje důležitou roli archaeol. Z tohoto důvodu je archaeol také široce používán jako biomarker pro starou archea, zvláště methanogeny aktivita.[1]

Archaeol se obvykle skládá z propojení dvou fytanylových řetězců s polohami sn-2 a sn-3 a glycerol molekula. Předpokládá se, že vysoce rozvětvené postranní řetězce jsou velmi nízké propustnost membrány na bázi archeolů, což může být jedna z klíčových adaptací archaeí na extrémní prostředí.

Archaeol
Archaeol.png
Jména
Název IUPAC
2,3-Bis (3,7,11,15-tetramethylhexadecoxy) propan-1-ol
Ostatní jména
Archaeol lipid; 2,3-diÓ-fytanyl-sn-glycerol; 2,3-Bis [(3,7,11,15-tetramethylhexadecyl) oxy] -l-propanol
Identifikátory
3D model (JSmol )
Pletivoarchaeol + lipid
Vlastnosti
C43H88Ó3
Molární hmotnost653.174 g · mol−1
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Chemie

Archaeol je diether lipid, který se běžně vyskytuje v archaei. Standardní archeol je 2,3-di-O-fytanyl-sn-glycerol, se dvěma fytanylové řetězce vazba na pozici sn-2 a sn-3 glycerolu pomocí éter vazby. Struktura 2,3-sn-glycerolu a vazba etherové vazby jsou dva klíčové rozdíly lipidů archaea od lipidů archaea bakterie a eukarya které používají 1,2-sn-glycerol a většinou esterové vazby.[2] Přírodní archaeol má konfigurace 3R, 7R, 11R pro všechny tři chirální centra v isoprenoid řetězy. Existují čtyři strukturální variace, které přispívají ke složitosti membránové lipidy ve funkci a vlastnostech. Tyto dva fytanylové řetězce mohou tvořit 36členný kruh, čímž se získá makrocyklický archaeol. Hydroxylovaný archeol má fytanylové řetězce nejprve hydroxylované terciární uhlík atom, zatímco sesterterpanyl archaeol má fytanylové postranní řetězce s C25 sesterterpanyl řetězy, nahrazením na C2 glycerolu nebo na obou uhlících. Je také objeven nenasycený archeol se stejným uhlíkovým skeletem jako standardní archeol, ale je také objevena jedna nebo více dvojných vazeb ve fytanylových postranních řetězcích.[3]

Dvě molekuly archaeolu mohou podstoupit vzájemné propojení za vzniku caldarchaeol (jeden typický glycerol dialkyl glycerol tetraether, GDGT), jeden z nejběžnějších tetraether lipidů v archaeách.

Alternativní cesta MVA, obsazená v buňkách archea pro syntézu isoprenoidních řetězců archeolu. Poslední tři kroky (katalyzované neznámým enzymem ??, IPK a IDI2) se liší od typické dráhy MVA.
Syntéza fosfolipidů na bázi archeolů v archaeách. Isoprenoidové postranní řetězce pocházejí z IPP a DMAPP, které jsou syntetizovány prostřednictvím alternativních cest MVA.
Standardní archeol, vytvořený spojením dvou fytanylových řetězců s polohami sn-2 a sn-3 molekuly glycerolu.
Makrocyklický archaeol, vzniklý spojením konců dvou fytanylových řetězců ve standardním archaeolu.
Hydroxyl archaeol s fytanylovým řetězcem hydroxylovaným na prvním terciárním atomu uhlíku.
Sesterterpanyl archaeol, vytvořený nahrazením fytanylových (C20) řetězců ve standardním archaeolu řetězci sesterterpanyl (C25).
Nenasycený archaeol, vytvořený zavedením dvojných vazeb do standardního archaeolu.

Biologická role a syntéza

Biologická role

Archaeol byl dosud nalezen ve všech analyzovaných archaeách, alespoň stopové množství. Ve většině případů představuje 100% základních lipidů dietheru neutrofilníhalofili[3] a na síře závislé termofily (ačkoli jejich nejdůležitějšími lipidy jsou tetraetherové lipidy). Methanogeny obsahují hydroxyarcheol a makrocyklické jiné než standardní archeol a pro alkalifilní extrémní halofily je charakteristický archeol obsahující řetězec sesterterpanyl. Je pozoruhodné, že tetraetherové lipidy jsou také široce přítomny v archaeách.[2]

Liposomy (sférický vezikul s alespoň alespoň jednou lipidovou dvojvrstvou) lipidů z archea obvykle vykazuje extrémně nízkou propustnost pro molekuly a ionty, včetně protonů. Propustnost iontů vyvolaná ionofory (iontové transportéry přes membrány) jsou také poměrně nízké a srovnatelné pouze s vajíčkem fosfatidylcholin (velmi běžná biologická membránová složka) při 37 ° C, když teplota stoupne na cca. 70 ° C.[4][5] Ve srovnání s bakterie a eukarya, isoprenoid postranní řetězce archaeolu jsou vysoce rozvětvené. Předpokládá se, že tento strukturální rozdíl snižuje propustnost archea v celém rozsahu růstové teploty, což umožňuje archaea přizpůsobit se extrémním prostředím.[6]

Proces syntézy

Archaeol se obvykle nachází jako fosfolipid v buňkách archea. Syntetická cesta plně nasyceného fosfolipidu archaeolu probíhá následovně: syntéza postranních řetězců isoprenoidů spojením izoprenů od hlavy k patě, etherová vazba k páteři glycerol-1-fosfátu, tvorba CDP archaeolu, připojení polární skupiny hlav a nasycení dvojitého vazby. Poté mohou být tetraetherové lipidy syntetizovány následně dimerizační reakcí prostřednictvím přímého spojení.[7]

Archea obsahuje odlišné biosyntetické dráhy izoprenoidních řetězců ve srovnání s bakteriemi a eukarya. Prekurzory pro isoprenoid jsou jednotky C5 isopentenylpyrofosfát (IPP) a dimethylallylpyrofosfát (DMAPP), které jsou univerzální pro všechny tři oblasti života. Obecně jsou tyto dvě sloučeniny syntetizovány v bakteriích cestou 2-C-methyl-D-erythritol-4-fosfát / 1-deoxy-D-xylulóza 5-fosfát (cesta MEP / DOXP) a jsou syntetizovány cestou mevalonát (MVA) ve většině eukarya. Syntéza IPP a DMAPP v archea sleduje alternativní cestu MVA, která se liší od klasické cesty MVA v posledních třech krocích a sdílí zbývající čtyři kroky.[7]

Etherové lipidy v bakteriích

Ačkoli byl archaeol, představující etherovou vazbu mezi isoprenoidním řetězcem a glycerolem, považován za přesvědčivý biomarker pro archea, byly u některých objeveny také lipidové etherové membrány aerobní a anaerobní bakterie, včetně lipidů s jednou esterovou vazbou a jednou etherovou vazbou na alkylové řetězce. Mnoho přísně anoxických bakterií a několik aerobních druhů obsahuje plasmalogeny (Pla), které mají alkylový řetězec vázaný k poloze sn-1 glycerolu prostřednictvím vinyletherová vazba. Podobně jako u archaea se předpokládá, že tyto lipidy zvyšují odolnost bakterií vůči nepříznivému prostředí. Ohromující je objev neizoprenoidových dialkylglycerol diether lipidů (DGD) a rozvětvených dialkyl glycerol tetraether lipidů (brGDGT), které se tvoří podobným způsobem jako archaeol vazbou alkylových řetězců (ale ne isoprenoidních řetězců) na molekuly glycerolu přes ether vazba. Je velmi pozoruhodné, že se tyto lipidy liší pouze od lipidů archeaea etheru v postranních řetězcích a vazebných pozicích na glycerolu. DGD je uváděn u termofilních bakterií mezofilní bakterie a agregace myxobakterie.[8][9]

Používá se jako lipidový biomarker

Archaeol v sedimentech typicky pochází z hydrolýzy fosfolipidů membrány archea, během diageneze. Vzhledem ke svému vysokému konzervačnímu potenciálu je organickými geochemiky často detekován a používán jako biomarker pro aktivitu archea, zejména pro biomasu a aktivitu methanogenu. Jako zástupce methanogenu jej používá Michinari Sunamura et al. přímo měřit methanogeny v sedimentech Tokijský záliv,[10] a také používá Katie L. H. Lim a kol. jako indikátor methanogeneze ve vodě nasycených půdách.[11] C. A. McCartney a kol. použil jako zástupce pro produkci metanu u skotu.[12]

Mezitím se také používá k pochopení starověké biogeochemie. Byl použit jako biomarker Richardem D. Pancostem a kol. za účelem rekonstrukce Holocén biogeochemie v ombrotrofní rašeliniště.[13] Pilotní studie vedená Ianem D. Bullem a kol. také použil archaeol jako biomarker k odhalení rozdílů mezi fermentujícími trávicími systémy v přední břicho a zadní střevo starověkých býložravý savci.[14]

Navíc z důvodu odlišné kinetiky degradace neporušeného archeolu a caldarchaeol, poměr archaeolu k caldarchaeolu byl navržen jako a slanost proxy v horských jezerech, poskytující nástroj pro studium paleosalinity.[15]

Archaeol může v některých případech také hydrolyzovat, přičemž jeho postranní řetězce jsou zachovány jako fytan nebo nedotčený, v závislosti na redoxních podmínkách.[16]

Měření

Pro analýzu archaeolu jsou lipidy běžně extrahovány tradičním postupem Bligh-Dyer,[17] obvykle následuje frakcionace (tenkovrstvá nebo sloupcová chromatografie) a derivatizace. Kazuhiro Demizu a kol.[18]a Sadami Ohtsubo et al.[19] navrhl podobné procesy zahrnující extrakci kyselinou Bligh a Dyer, ošetření kyselinou a derivatizaci, přičemž jádrové lipidy byly nakonec podrobeny chromatografie.

Ke stanovení koncentrace archaeolu přítomného ve vzorku se běžně používají chromatografické technologie, včetně vysoce účinná kapalinová chromatografie (HPLC),[18][19][20] plynová chromatografie (GC),[21] a superkritická kapalinová chromatografie (SFC),[22][23] s hmotnostní spektrometrie (MS) se často používají k usnadnění identifikace.

Viz také

Reference

  1. ^ Editoval Ricardo Cavicchioli (2007), Archaea, Washington, DC: ASM Press, ISBN  978-1-55581-391-8, OCLC  172964654CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  2. ^ A b Koga, Y Nishihara, M Morii, H Akagawa-Matsushita, M (1993). „Etherové polární lipidy methanogenních bakterií: struktury, komparativní aspekty a biosyntézy“. Mikrobiologické recenze. 57 (1): 164–82. doi:10.1128 / MMBR.57.1.164-182.1993. OCLC  680443863. PMC  372904. PMID  8464404.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  3. ^ A b Gambacorta, A .; Gliozzi, A .; De Rosa, M. (1995). "Archaeal lipidy a jejich biotechnologické aplikace". World Journal of Microbiology and Biotechnology. 11 (1): 115–131. doi:10.1007 / BF00339140. PMID  24414415.
  4. ^ Yamauchi, Kiyoshi; Doi, Kuniyuki; Kinoshita, Masayoshi; Kii, Fumiko; Fukuda, Hideki (říjen 1992). „Archeebakteriální lipidové modely: membrány vysoce odolné vůči solím z 1,2-difytanylglycero-3-fosfocholinu“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - biomembrány. 1110 (2): 171–177. doi:10.1016 / 0005-2736 (92) 90355-p. ISSN  0005-2736. PMID  1390846.
  5. ^ Yamauchi, Kiyoshi; Doi, Kumiyuki; Yoshida, Yoichi; Kinoshita, Masayoshi (březen 1993). „Archebakteriální lipidy: vysoce protonem nepropustné membrány z 1,2-difytanyl-sn-glycero-3-fosfokolinu“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - biomembrány. 1146 (2): 178–182. doi:10.1016/0005-2736(93)90353-2. ISSN  0005-2736. PMID  8383997.
  6. ^ Koga, Yosuke (2012). „Tepelná adaptace archeaálních a bakteriálních lipidových membrán“. Archaea. 2012: 789652. doi:10.1155/2012/789652. ISSN  1472-3646. PMC  3426160. PMID  22927779.
  7. ^ A b Jain, Samta (2014). "Biosyntéza archaálních membránových etherových lipidů". Hranice v mikrobiologii. 5: 641. doi:10.3389 / fmicb.2014.00641. PMC  4244643. PMID  25505460.
  8. ^ Grossi, Vincent; Mollex, Damien; Vinçon-Laugier, Arnauld; Hakil, Florencie; Pacton, Muriel; Cravo-Laureau, Cristiana (2015). „Mono- a dialkylglycerol etherové lipidy v anaerobních bakteriích: biosyntetické poznatky z reduktoru mezofilního sulfátu Desulfatibacillum alkenivorans PF2803T“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 81 (9): 3157–3168. doi:10.1128 / AEM.03794-14. PMC  4393425. PMID  25724965.
  9. ^ Lorenzen, Wolfram; Ahrendt, Tilman; Bozhüyük, Kenan A J; Bode, Helge B (11.05.2014). „Multifunkční enzym se účastní biosyntézy bakteriálních etherů a lipidů.“ Přírodní chemická biologie. 10 (6): 425–427. doi:10.1038 / nchembio.1526. ISSN  1552-4450. PMID  24814673.
  10. ^ Sunamura, Michinari; Koga, Yosuke; Ohwada, Kouichi (01.11.1999). "Měření biomasy methanogenů v sedimentech tokijské zátoky pomocí lipidů Archaeol". Mořská biotechnologie. 1 (6): 562–568. doi:10.1007 / PL00011811. ISSN  1436-2228. PMID  10612681.
  11. ^ Lim, Katie L. H .; Pancost, Richard D .; Hornibrook, Edward R. C .; Maxfield, Peter J .; Evershed, Richard P. (2012). „Archaeol: Indikátor methanogeneze ve vodě nasycených půdách“. Archaea. 2012: 896727. doi:10.1155/2012/896727. ISSN  1472-3646. PMC  3512251. PMID  23226972.
  12. ^ Dewhurst, R. J .; Yan, T .; Bull, I.D .; McCartney, C. A. (2013-02-01). „Hodnocení archaeolu jako molekulárního zástupce produkce metanu u skotu“. Journal of Dairy Science. 96 (2): 1211–1217. doi:10.3168 / jds.2012-6042. ISSN  0022-0302. PMID  23261373.
  13. ^ Pancost, Richard D .; McClymont, Erin L .; Bingham, Elizabeth M .; Roberts, Zoë; Charman, Dan J .; Hornibrook, Edward R.C .; Blundell, Anthony; Chambers, Frank M .; Lim, Katie L.H. (listopad 2011). "Archaeol jako methanogenový biomarker v ombrotrofních rašeliništích". Organická geochemie. 42 (10): 1279–1287. doi:10.1016 / j.orggeochem.2011.07.003.
  14. ^ Gill, Fiona L .; Dewhurst, Richard J .; Dungait, Jennifer A.J .; Evershed, Richard P .; Ives, Luke; Li, Cheng-Sen; Pancost, Richard D .; Sullivan, Martin; Bera, Subir (květen 2010). „Archaeol - biomarker pro fermentaci předního střeva u moderních a starých býložravých savců?“. Organická geochemie. 41 (5): 467–472. doi:10.1016 / j.orggeochem.2010.02.001.
  15. ^ Wang, Huanye; Liu, Weiguo; Zhang, Chuanlun L .; Jiang, Hongchen; Dong, Hailiang; Lu, Hongxuan; Wang, Jinxiang (leden 2013). „Posouzení poměru archaeolu k caldarchaeolu jako zástupci slanosti v horských jezerech na severovýchodní plošině Qinghai – Tibetan Plateau“. Organická geochemie. 54: 69–77. doi:10.1016 / j.orggeochem.2012.09.011.
  16. ^ Rowland, S.J. (Leden 1990). "Výroba acyklických isoprenoidních uhlovodíků laboratorním zráním methanogenních bakterií". Organická geochemie. 15 (1): 9–16. doi:10.1016 / 0146-6380 (90) 90181-x. ISSN  0146-6380.
  17. ^ Bligh, E. G .; Dyer, W. J. (srpen 1959). „Rychlá metoda úplné extrakce a čištění lipidů“. Kanadský žurnál biochemie a fyziologie. 37 (8): 911–917. doi:10.1139 / o59-099. ISSN  0576-5544. PMID  13671378. S2CID  7311923.
  18. ^ A b Demizu, Kazuhiro; Ohtsubo, Sadami; Kohno, Shuhei; Miura, Isao; Nishihara, Masateru; Koga, Yosuke (1992). „Kvantitativní stanovení methanogenních buněk na základě analýzy etherem vázaných glycerolipidů pomocí vysoce účinné kapalinové chromatografie“. Journal of Fermentation and Bioengineering. 73 (2): 135–139. doi:10.1016 / 0922-338x (92) 90553-7. ISSN  0922-338X.
  19. ^ A b Ohtsubo, S (květen 1993). „Citlivá metoda pro kvantifikaci acetoklastických methanogenů a odhad celkových methanogenních buněk v přírodním prostředí na základě analýzy etherově vázaných glycerolipidů“. Ekologie mikrobiologie FEMS. 12 (1): 39–50. doi:10.1016 / 0168-6496 (93) 90023-z. ISSN  0168-6496.
  20. ^ Martz, Robert F .; Sebacher, Daniel I .; White, David C. (únor 1983). "Měření biomasy bakterií tvořících metan ve vzorcích prostředí". Časopis mikrobiologických metod. 1 (1): 53–61. doi:10.1016/0167-7012(83)90007-6. ISSN  0167-7012. PMID  11540801.
  21. ^ Smith, G.C .; Floodgate, G.D. (říjen 1992). "Chemická metoda pro odhad methanogenní biomasy". Výzkum kontinentálního šelfu. 12 (10): 1187–1196. Bibcode:1992CSR .... 12.1187S. doi:10.1016 / 0278-4343 (92) 90078-x. ISSN  0278-4343.
  22. ^ Holzer, Gunther U .; Kelly, Patrick J .; Jones, William J. (červenec 1988). „Analýza lipidů z hydrotermálního ventilačního methanogenu a souvisejícího ventilačního sedimentu superkritickou kapalinovou chromatografií“. Časopis mikrobiologických metod. 8 (3): 161–173. doi:10.1016/0167-7012(88)90017-6. ISSN  0167-7012.
  23. ^ King, Jerry (2002-01-22), „Superkritická kapalinová technologie pro extrakci, frakcionaci a reakce lipidů“, Lipidová biotechnologie, CRC Press, doi:10.1201 / 9780203908198.ch34, ISBN  9780824706197