Sideróforo - Siderophore

Estrutura do sideróforo triacetilfusarinina encapsulando o ferro (III) dentro de uma esfera de coordenação tris (hidroxamato) (código de cores: vermelho = oxigênio, cinza = carbono, azul = nitrogênio, azul escuro = ferro).

Sideróforos (grego: "transportadores de ferro") são pequenas, de elevada afinidade de ferro - quelantes compostos que são secretadas por microrganismos tais como bactérias e fungos e servem principalmente para o transporte de ferro através de membranas celulares , embora uma gama maior de funções de sideroros está agora a ser apreciado . Os sideróforos estão entre os mais fortes agentes de ligação de Fe 3+ solúveis conhecidos.

Escassez de ferro solúvel

Apesar de ser um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, o ferro não está prontamente biodisponível. Na maioria dos ambientes aeróbicos, como o solo ou o mar, o ferro existe no estado férrico (Fe 3+ ), que tende a formar sólidos insolúveis semelhantes à ferrugem. Para serem eficazes, os nutrientes não devem estar apenas disponíveis, mas também solúveis. Os micróbios liberam sideróforos para eliminar o ferro dessas fases minerais por meio da formação de complexos solúveis de Fe 3+ que podem ser absorvidos por mecanismos de transporte ativos . Muitos sideróforos são peptídeos não ribossômicos , embora vários sejam biossintetizados independentemente.

Os sideróforos também são importantes para algumas bactérias patogênicas para a aquisição de ferro. Em hospedeiros mamíferos, o ferro está fortemente ligado a proteínas como hemoglobina , transferrina , lactoferrina e ferritina . A homeostase estrita do ferro leva a uma concentração livre de cerca de 10 −24 mol L −1 , portanto, há grandes pressões evolutivas aplicadas às bactérias patogênicas para obter esse metal. Por exemplo, o patógeno do antraz Bacillus anthracis libera dois sideróforos, bacilibactina e petrobactina , para eliminar o ferro férrico das proteínas que contêm ferro. Embora a bacilibactina tenha demonstrado se ligar à proteína siderocalina do sistema imunológico , a petrobactina pode evadir o sistema imunológico e demonstrou ser importante para a virulência em camundongos.

Os sideróforos estão entre os ligantes mais fortes ao Fe 3+ conhecidos, sendo a enterobactina um dos mais fortes deles. Devido a essa propriedade, eles atraíram o interesse da ciência médica na terapia de quelação de metal , com o sideróforo desferrioxamina B ganhando uso generalizado em tratamentos para envenenamento por ferro e talassemia .

Além dos sideróforos, algumas bactérias patogênicas produzem hemóforos ( proteínas eliminadoras de ligação ao heme ) ou têm receptores que se ligam diretamente às proteínas ferro / heme. Em eucariotos, outras estratégias para aumentar a solubilidade e absorção de ferro são a acidificação do ambiente (por exemplo, usado pelas raízes das plantas) ou a redução extracelular de Fe 3+ em íons Fe 2+ mais solúveis .

Estrutura

Sideróforos geralmente formar um estábulo, hexadentado , octaédrico complexo preferencialmente com Fe 3+ comparação com outros iões metálicos abundantes de ocorrência natural, embora, se houver menos do que seis átomos doadores de água também pode coordenar. Os sideróforos mais eficazes são aqueles que têm três ligantes bidentados por molécula, formando um complexo hexadentado e causando uma mudança entrópica menor do que a causada pela quelação de um único íon férrico com ligantes separados. Fe 3+ é um ácido de Lewis forte , preferindo bases de Lewis fortes , como átomos de oxigênio aniônicos ou neutros para coordenar. Os micróbios geralmente liberam o ferro do sideróforo por redução a Fe 2+, que tem pouca afinidade com esses ligantes.

Os sideróforos são geralmente classificados pelos ligantes usados ​​para quelar o ferro férrico. Os principais grupos de sideróforos incluem os catecolatos (fenolatos), hidroxamatos e carboxilatos (por exemplo, derivados do ácido cítrico ). O ácido cítrico também pode atuar como um sideróforo. A grande variedade de sideróforos pode ser devido a pressões evolutivas colocadas sobre os micróbios para produzir sideróforos estruturalmente diferentes que não podem ser transportados por sistemas de transporte ativo específico de outros micróbios, ou no caso de patógenos desativados pelo organismo hospedeiro.

Diversidade

Exemplos de sideróforos produzidos por várias bactérias e fungos :

Ferricromo, um sideróforo hidroxamato
Desferrioxamina B , um sideróforo hidroxamato
Enterobactina , um sideróforo catecolato
Azotobactina, um sideróforo de ligante misto
Pyoverdine, um sideróforo de ligante misto
Yersiniabactina, um sideróforo de ligante misto

Sideróforos de hidroxamato

Sideróforo Organismo
ferricromo Ustilago sphaerogena
Desferrioxamina B

( Deferoxamina )

Streptomyces pilosus

Streptomyces coelicolor

Desferrioxamina E Streptomyces coelicolor
fusarinina C Fusarium roseum
ornibactina Burkholderia cepacia
ácido rodotorúlico Rhodotorula pilimanae

Sideróforos catecolatos

Sideróforo Organismo
enterobactina Escherichia coli

bactéria entérica

bacilibactina Bacillus subtilis

Bacillus anthracis

vibriobactina Vibrio cholerae

Ligantes mistos

Sideróforo Organismo
azotobactina Azotobacter vinelandii
pyoverdine Pseudomonas aeruginosa
yersiniabactina Yersinia pestis

Uma lista abrangente de estruturas sideróforas (mais de 250) é apresentada no Apêndice 1 como referência.

Função biológica

Bactérias e fungos

Em resposta à limitação de ferro em seu ambiente, os genes envolvidos na produção e captação de sideróforos de micróbios são desreprimidos , levando à fabricação de sideróforos e as proteínas de captação apropriadas. Em bactérias, os repressores dependentes de Fe 2+ ligam-se ao DNA a montante dos genes envolvidos na produção de sideróforos em altas concentrações de ferro intracelular. Em baixas concentrações, o Fe 2+ se dissocia do repressor, que por sua vez se dissocia do DNA, levando à transcrição dos genes. Em bactérias gram-negativas e gram-positivas ricas em AT, isso geralmente é regulado pelo repressor Fur (regulador de captação férrica), enquanto em bactérias gram-positivas ricas em GC (por exemplo, Actinobacteria ) é DtxR (repressor de toxina diftérica), então -chamada como a produção da perigosa toxina da difteria por Corynebacterium diphtheriae também é regulada por este sistema.

Isso é seguido pela excreção do sideróforo no ambiente extracelular, onde o sideróforo atua para sequestrar e solubilizar o ferro. Os sideróforos são então reconhecidos por receptores específicos da célula na membrana externa da célula. Em fungos e outros eucariotos, o complexo Fe-sideróforo pode ser extracelularmente reduzido a Fe 2+ , enquanto em muitos casos todo o complexo Fe-sideróforo é transportado ativamente através da membrana celular. Em bactérias gram-negativas, estes são transportados para o periplasma por meio de receptores dependentes de TonB e são transferidos para o citoplasma por transportadores ABC .

Uma vez no citoplasma da célula, o complexo Fe 3+ -sideróforo é geralmente reduzido a Fe 2+ para liberar o ferro, especialmente no caso de ligantes sideróforos "mais fracos", como hidroxamatos e carboxilatos. A decomposição de sideróforos ou outros mecanismos biológicos também podem liberar ferro, especialmente no caso de catecolatos como férrico-enterobactina, cujo potencial de redução é muito baixo para agentes redutores , como dinucleotídeo de flavina adenina , portanto, a degradação enzimática é necessária para liberar o ferro.

Plantas

Ácido desoximugínico , um fitossideróforo.

Embora haja ferro suficiente na maioria dos solos para o crescimento das plantas, a deficiência de ferro nas plantas é um problema em solos calcários , devido à baixa solubilidade do hidróxido de ferro (III) . O solo calcário representa 30% das terras agrícolas do mundo. Sob tais condições, as plantas gramíneas (gramíneas, cereais e arroz) secretam fitosideróforos no solo, sendo um exemplo típico o ácido desoximugínico . Os fitosideróforos têm uma estrutura diferente dos sideróforos fúngicos e bacterianos com dois centros de ligação a-aminocarboxilato, juntamente com uma única unidade a-hidroxicarboxilato. Esta última função bidentada fornece aos fitossideróforos uma alta seletividade para o ferro (III). Quando cultivadas em solo com deficiência de ferro, as raízes das gramíneas secretam sideróforos na rizosfera. Na eliminação do ferro (III), o complexo ferro-fitosideróforo é transportado através da membrana citoplasmática usando um mecanismo de simporte de prótons . O complexo de ferro (III) é então reduzido a ferro (II) e o ferro é transferido para a nicotianamina , que embora muito semelhante aos fitossideróforos é seletiva para o ferro (II) e não é secretada pelas raízes. A nicotianamina transloca o ferro do floema para todas as partes da planta.

Quelante em Pseudomonas aeruginosa

O ferro é um nutriente importante para a bactéria Pseudomonas aeruginosa , no entanto, o ferro não é facilmente acessível no meio ambiente. Para superar esse problema, P. aeruginosa produz sideróforos para ligar e transportar ferro. Mas a bactéria que produziu os sideróforos não recebe necessariamente o benefício direto da ingestão de ferro. Em vez disso, todos os membros da população celular têm a mesma probabilidade de acessar os complexos ferro-sideróforo. A produção de sideróforos também requer que a bactéria gaste energia. Assim, a produção de sideróforos pode ser vista como um traço altruísta porque é benéfica para o grupo local, mas custosa para o indivíduo. Essa dinâmica altruística exige que cada membro da população celular contribua igualmente para a produção de sideróforos. Mas às vezes podem ocorrer mutações que resultam em alguma bactéria produzindo quantidades menores de sideróforo. Essas mutações oferecem uma vantagem evolutiva porque a bactéria pode se beneficiar da produção de sideróforos sem sofrer o custo de energia. Assim, mais energia pode ser alocada para o crescimento. Os membros da população celular que podem produzir com eficiência esses sideróforos são comumente chamados de cooperadores; membros que produzem pouco ou nenhum sideróforos são freqüentemente chamados de trapaceiros. A pesquisa mostrou que quando cooperadores e trapaceiros crescem juntos, os cooperadores diminuem em aptidão, enquanto os trapaceiros aumentam em aptidão. Observa-se que a magnitude da mudança na aptidão aumenta com o aumento da limitação de ferro. Com um aumento na aptidão, os trapaceiros podem superar os cooperadores; isso leva a uma diminuição geral na aptidão do grupo, devido à falta de produção de sideróforos suficiente.

Ecologia

Os sideróforos tornam-se importantes no nicho ecológico definido pela baixa disponibilidade de ferro, sendo o ferro um dos fatores críticos de limitação do crescimento para praticamente todos os microrganismos aeróbios. Existem quatro habitats ecológicos principais: solo e água superficial, água do mar, tecido vegetal (patógenos) e tecido animal (patógenos).

Solo e água superficial

O solo é uma rica fonte de gêneros bacterianos e fúngicos. As espécies Gram-positivas comuns são aquelas pertencentes aos Actinomycetales e às espécies dos gêneros Bacillus , Arthrobacter e Nocardia . Muitos desses organismos produzem e secretam ferrioxaminas que levam à promoção do crescimento não apenas dos organismos produtores, mas também de outras populações microbianas que são capazes de utilizar sideróforos exógenos. Os fungos do solo incluem Aspergillus e Penicillium que produzem predominantemente ferricromos. Este grupo de sideróforos consiste em hexapeptídeos cíclicos e, conseqüentemente, são altamente resistentes à degradação ambiental associada à ampla gama de enzimas hidrolíticas presentes no solo húmico. Solos contendo material vegetal em decomposição possuem valores de pH tão baixos quanto 3-4. Sob tais condições, organismos que produzem sideróforos hidroxamatos têm uma vantagem devido à extrema estabilidade ácida dessas moléculas. A população microbiana da água doce é semelhante à do solo; na verdade, muitas bactérias são eliminadas do solo. Além disso, os lagos de água doce contêm grandes populações de espécies de Pseudomonas , Azomonas , Aeromonos e Alcaligenes .

Água marinha

Em contraste com a maioria das fontes de água doce, os níveis de ferro na superfície da água do mar são extremamente baixos (1 nM a 1 μM nos 200 m superiores) e muito mais baixos do que os de V, Cr, Co, Ni, Cu e Zn. Praticamente todo esse ferro está no estado de ferro (III) e complexado a ligantes orgânicos. Esses baixos níveis de ferro limitam a produção primária de fitoplâncton e levaram à hipótese do ferro, onde foi proposto que um influxo de ferro promoveria o crescimento do fitoplâncton e, assim, reduziria o CO 2 atmosférico . Esta hipótese foi testada em mais de 10 ocasiões diferentes e em todos os casos, resultaram em florações massivas. No entanto, as flores persistiram por períodos variáveis ​​de tempo. Uma observação interessante feita em alguns desses estudos foi que a concentração dos ligantes orgânicos aumentou em um curto espaço de tempo para se equiparar à concentração de ferro adicionado, implicando assim em origem biológica e tendo em vista sua afinidade pelo ferro possivelmente de um sideróforo. ou natureza semelhante a sideróforo. Significativamente, as bactérias heterotróficas também aumentaram marcadamente em número nas proliferações induzidas por ferro. Assim, existe o elemento de sinergismo entre o fitoplâncton e as bactérias heterotróficas. O fitoplâncton requer ferro (fornecido pelos sideróforos bacterianos) e as bactérias heterotróficas requerem fontes de carbono não CO 2 (fornecidas pelo fitoplâncton).

A natureza diluída do ambiente marinho pelágico promove grandes perdas difusivas e torna problemática a eficiência das estratégias normais de absorção de ferro baseadas em sideróforos. No entanto, muitas bactérias marinhas heterotróficas produzem sideróforos, embora com propriedades diferentes daquelas produzidas por organismos terrestres. Muitos sideróforos marinhos são tensoativos e tendem a formar agregados moleculares, por exemplo aquachelins. A presença da cadeia de acil graxo confere às moléculas uma alta atividade de superfície e capacidade de formar micelas . Assim, quando secretadas, essas moléculas se ligam às superfícies e umas às outras, diminuindo assim a taxa de difusão para longe do organismo secretor e mantendo uma concentração local de sideróforos relativamente alta. O fitoplâncton tem altas necessidades de ferro, mas a maioria (e possivelmente todos) não produz sideróforos. O fitoplâncton pode, no entanto, obter ferro de complexos de sideróforos com o auxílio de redutases ligadas à membrana e, certamente, de ferro (II) gerado por decomposição fotoquímica de sideróforos de ferro (III). Assim, uma grande proporção de ferro (possivelmente todo ferro) absorvido pelo fitoplâncton depende da produção de sideróforos bacterianos.

Patógenos de plantas

Crisobactina
Achromobactin

A maioria dos fitopatógenos invade o apoplasma liberando enzimas pectolíticas que facilitam a disseminação do organismo invasor. As bactérias freqüentemente infectam as plantas ganhando entrada no tecido através dos estômatos . Tendo entrado na planta, eles se espalham e se multiplicam nos espaços intercelulares. Com doenças vasculares bacterianas, a infecção se espalha dentro das plantas através do xilema.

Uma vez dentro da planta, a bactéria precisa ser capaz de eliminar o ferro dos dois principais ligantes de transporte de ferro, a nicotianamina e o citrato. Para fazer isso, eles produzem sideróforos, portanto, o enterobacteriano Erwinia chrysanthemi produz dois sideróforos, crisobactina e acromobactina. O grupo Xanthomonas de fitopatógenos produz sideróforos de xanthoferrina para eliminar o ferro.

Como em humanos, as plantas também possuem proteínas de ligação a sideróforos envolvidas na defesa do hospedeiro, como o principal alérgeno do pólen de bétula, Bet v 1, que geralmente são secretadas e possuem uma estrutura semelhante à lipocalina.

Patógenos animais

Bactérias e fungos patogênicos desenvolveram os meios de sobrevivência no tecido animal. Eles podem invadir o trato gastrointestinal ( Escherichia , Shigella e Salmonella ), o pulmão ( Pseudomonas , Bordatella , Streptococcus e Corynebacterium ), a pele ( Staphylococcus ) ou o trato urinário ( Escherichia e Pseudomonas ). Essas bactérias podem colonizar feridas ( Vibrio e Staphylococcus ) e ser responsáveis ​​pela septicemia ( Yersinia e Bacillus ). Algumas bactérias sobrevivem por longos períodos de tempo em organelas intracelulares, por exemplo Mycobacterium . (veja a tabela). Por causa desse risco contínuo de invasão bacteriana e fúngica, os animais desenvolveram várias linhas de defesa baseadas em estratégias imunológicas, o sistema complemento, a produção de proteínas de ligação ferro-sideróforo e a "retirada" geral do ferro.

Tipo de infecção Organismo Sideróforo
Disenteria Shigella sp. Aerobactin
Infecções intestinais Escherichia coli Enterobactina
Tifóide Salmonella sp. Salmochelin
Praga Yersinia sp. Yersiniabactina
Cólera Vibrio sp. Vibriobactina
Infecções pulmonares Pseudomonas sp. Pyoverdins
Coqueluche Bordetella sp. Alcaligin
Tuberculose Mycobacterium tuberculosis Micobactinas
Infecções de pele e mucosas Staphylococcus sp. Estafiloferrina A
Antraz Bacillus anthracis Petrobactin

Existem dois tipos principais de proteínas de ligação ao ferro presentes na maioria dos animais que fornecem proteção contra invasão microbiana - a proteção extracelular é alcançada pela família de proteínas da transferrina e a proteção intracelular é alcançada pela ferritina. A transferrina está presente no soro em aproximadamente 30 μM e contém dois locais de ligação de ferro, cada um com uma afinidade extremamente alta para o ferro. Em condições normais, é cerca de 25–40% saturado, o que significa que qualquer ferro disponível gratuitamente no soro será eliminado imediatamente - evitando assim o crescimento microbiano. A maioria dos sideróforos não consegue remover o ferro da transferrina. Os mamíferos também produzem lactoferrina, que é semelhante à transferrina sérica, mas possui uma afinidade ainda maior pelo ferro. A lactoferrina está presente em fluidos secretores, como suor, lágrimas e leite, minimizando assim a infecção bacteriana.

A ferritina está presente no citoplasma das células e limita o nível de ferro intracelular a aproximadamente 1 μM. A ferritina é uma proteína muito maior do que a transferrina e é capaz de ligar vários milhares de átomos de ferro em uma forma não tóxica. Os sideróforos são incapazes de mobilizar diretamente o ferro da ferritina.

Além dessas duas classes de proteínas de ligação ao ferro, um hormônio, a hepcidina, está envolvido no controle da liberação de ferro dos enterócitos absortivos, hepatócitos armazenadores de ferro e macrófagos. A infecção leva à inflamação e à liberação de interleucina-6 (IL-6), que estimula a expressão de hepcidina. Em humanos, a produção de IL-6 resulta em baixo ferro sérico, dificultando a infecção de patógenos invasores. Demonstrou-se que tal depleção de ferro limita o crescimento bacteriano em localizações extracelulares e intracelulares.

Além das táticas de "retirada do ferro", os mamíferos produzem uma proteína de ligação ao ferro-sideróforo, a siderocelina. A siderochelina é um membro da família de proteínas da lipocalina, que embora diversa em sequência, exibe uma dobra estrutural altamente conservada, um barril β antiparalelo de 8 fitas que forma um local de ligação com várias fitas β adjacentes. A siderocalina (lipocalina 2) tem 3 resíduos carregados positivamente também localizados na bolsa hidrofóbica, e estes criam um local de ligação de alta afinidade para ferro (III) –enterobactina. A siderocalina é um potente agente bacteriostático contra E. coli . Como resultado da infecção, é secretado por macrófagos e hepatócitos, sendo a enterobactina eliminada do espaço extracelular.

Aplicações médicas

Os sideróforos têm aplicações na medicina para terapia de sobrecarga de ferro e alumínio e antibióticos para melhorar o direcionamento. A compreensão das vias mecanísticas dos sideróforos tem levado a oportunidades para o desenvolvimento de inibidores de pequenas moléculas que bloqueiam a biossíntese dos sideróforos e, portanto, o crescimento bacteriano e a virulência em ambientes com limitação de ferro.

Os sideróforos são úteis como drogas para facilitar a mobilização de ferro em humanos, especialmente no tratamento de doenças relacionadas ao ferro, devido à sua alta afinidade pelo ferro. Uma aplicação potencialmente poderosa é usar as habilidades de transporte de ferro dos sideróforos para transportar drogas para as células por meio da preparação de conjugados entre sideróforos e agentes antimicrobianos. Como os micróbios reconhecem e utilizam apenas certos sideróforos, prevê-se que tais conjugados tenham atividade antimicrobiana seletiva. Um exemplo é o antibiótico cefiderocol cefalosporina .


A distribuição de drogas mediada por transporte de ferro microbiano (sideróforo) faz uso do reconhecimento de sideróforos como agentes de entrega de ferro para que o micróbio assimile os conjugados de sideróforo com drogas anexadas. Essas drogas são letais para o micróbio e causam a apoptose do micróbio quando assimila o conjugado sideróforo. Por meio da adição de grupos funcionais de ligação de ferro dos sideróforos aos antibióticos, sua potência foi grandemente aumentada. Isso se deve ao sistema de absorção de ferro mediado por sideróforo pelas bactérias.

Aplicações agrícolas

Poaceae (gramíneas), incluindo espécies importantes para a agricultura, como a cevada e o trigo, são capazes de sequestrar ferro com eficiência, liberando fitosideróforos por meio de suas raízes na rizosfera do solo circundante . Compostos químicos produzidos por microrganismos na rizosfera também podem aumentar a disponibilidade e absorção de ferro. Plantas como a aveia são capazes de assimilar o ferro por meio desses sideróforos microbianos. Foi demonstrado que as plantas são capazes de usar os sideróforos do tipo hidroxamato ferricromo, ácido rodotorúlico e ferrioxamina B; os sideróforos do tipo catecol, agrobactina; e o ligante misto catecol-hidroxamato-hidroxiácido sideróforos biossintetizados por bactérias saprofíticas de colonização de raízes. Todos esses compostos são produzidos por cepas bacterianas rizosféricas, que possuem necessidades nutricionais simples, e são encontrados na natureza em solos, folhagens, água doce, sedimentos e água do mar.

As pseudomonas fluorescentes foram reconhecidas como agentes de biocontrole contra certos patógenos vegetais transmitidos pelo solo. Eles produzem pigmentos verde-amarelos ( pyoverdines ) que fluorescem sob a luz ultravioleta e funcionam como sideróforos. Eles privam os patógenos do ferro necessário para seu crescimento e patogênese.

Outros íons metálicos quelatados

Os sideróforos, naturais ou sintéticos, podem quelar íons metálicos que não sejam íons de ferro. Os exemplos incluem alumínio , gálio , cromo , cobre , zinco , chumbo , manganês , cádmio , vanádio , zircônio, índio , plutônio , berquélio, califórnio e urânio .

Processos relacionados

Os meios alternativos de assimilar o ferro são a redução da superfície, a redução do pH, a utilização de heme ou a extração de metal complexado com proteínas. Dados recentes sugerem que moléculas quelantes de ferro com propriedades semelhantes aos sideróforos foram produzidas por bactérias marinhas em condições de crescimento limitantes de fosfato. Na natureza, o fosfato se liga a diferentes tipos de minerais de ferro e, portanto, foi hipotetizado que as bactérias podem usar moléculas semelhantes a sideróforos para dissolver esse complexo a fim de acessar o fosfato.

Veja também

Referências

Leitura adicional