معلومة

ما هي الكائنات الحية التي توجد فيها إنزيمات Chloroperoxidase؟


هل توجد في البشر؟ أنا أتساءل لأنهم يظهرون تشابهًا بنيويًا مع الجلوكوز 6 فوسفاتيز ، وهو إنزيم مهم في تكوين الجلوكوز.


تم العثور عليها فقط في الفطريات الزائدة التي تم تسميتها ليبتوكسيفيوم فوماجو، المعروف أيضًا باسم Caldariomyces fumago.

لم يتم العثور عليه في أي نوع آخر نعرفه حتى الآن كما تم البحث عنه في RCSB PDB و Uni-Prot.

في الأبحاث التي تستخدمه ، يستخرجونه من الكائن الحي ، وهو متاح أيضًا للشراء من شركات مثل Sigma Aldrich التي تستخرجه من ascomycete أيضًا.

مصادر:

تحسين نشاط واستقرار الكلوروبيروكسيداز عن طريق التعديل الكيميائي

الإفراط في التعبير عن الكلوروبيروكسيديز في Caldariomyces fumago.

بنك بيانات البروتين RCSB

يوني بروت


الهندسة القائمة على الجينوم للأنزيمات المحللة للجنين في الفطريات

تنمو العديد من الفطريات ككائنات سابروبية وتحصل على العناصر الغذائية من مجموعة واسعة من المواد العضوية الميتة. من بين أنواع الفطريات ، طورت الأنواع الفطرية التي تنمو على الخشب أو في البيئات الملوثة آليات غزيرة الإنتاج لإنتاج المركبات المهينة ، مثل الإنزيمات المحللة للجنين. تتضمن هذه الإنزيمات صفائف من أوكسيدريدوكتاز المكثف المحتمل الأكسدة والاختزال ، مثل اللاكاز ، الكاتلاز ، والبيروكسيداز. تجعل القدرة على إنتاج الإنزيمات المحللة للجنين مجموعة متنوعة من الأنواع الفطرية مناسبة للتطبيق في العديد من الصناعات ، بما في ذلك إنتاج الوقود الحيوي والمضادات الحيوية والمعالجة الحيوية والتطبيقات الطبية الحيوية كمستشعرات حيوية. ومع ذلك ، يتم إنتاج الإنزيمات المحللة للجنين الفطرية بشكل طبيعي بكميات صغيرة قد لا تلبي متطلبات الصناعة أو السوق. على مدى العقد الماضي ، أسفرت البيولوجيا التركيبية المدمجة والتصاميم الحسابية عن نتائج مهمة في تعزيز تخليق المركبات الطبيعية في الفطريات.

الجسم الرئيسي للملخص

في هذه المراجعة ، قدمنا ​​نظرة ثاقبة لطرق هندسة البروتين المختلفة ، بما في ذلك مناهج التطور العقلاني وشبه العقلاني والموجه التي تم استخدامها لتعزيز إنتاج بعض الإنزيمات المحللة للجنين في الفطريات. وصفنا دور هندسة المسارات الأيضية لتحسين تخليق المركبات الكيميائية ذات الأهمية في مختلف المجالات. سلطنا الضوء على تقنيات جديدة في البيولوجيا التركيبية لتنشيط مجموعة الجينات التخليقية (BGC) في fungo وإعادة البناء غير المتجانسة لـ BGC في الخلايا الميكروبية. ناقشنا أيضًا بالتفصيل بعض الإنزيمات المحللة للجنين المؤتلف التي تم تعزيزها بنجاح والتعبير عنها في مضيفات غير متجانسة مختلفة. أخيرًا ، وصفنا التقدم الأخير في أنظمة البروتين CRISPR (التكرارات المتقطعة القصيرة المنتظمة المتباعدة بشكل منتظم) -Cas (المرتبطة بـ CRISPR) باعتبارها أكثر التقنيات الحيوية الواعدة لإنتاج الإنزيمات المحللة للجنين على نطاق واسع.

خاتمة قصيرة

يتطلب تجميع وتعبير وتنظيم الإنزيمات المحللة للجنين في الفطريات إجراءات معقدة للغاية مع العديد من العوامل المتداخلة. تعد استراتيجيات البيولوجيا التركيبية والحسابية ، كما هو موضح في هذه المراجعة ، أدوات قوية يمكن دمجها لحل هذه الألغاز. يمكن أن تؤدي هذه الاستراتيجيات المتكاملة إلى إنتاج إنزيمات ذات قدرات خاصة ، مثل مواصفات الركيزة العريضة ، والاستقرار الحراري ، وتحمل التخزين لفترة طويلة ، والاستقرار في ظروف الركيزة المختلفة ، مثل الأس الهيدروجيني والمغذيات.


الملخص

الأداء التحفيزي لكلوروبيروكسيداز (CPO) في بيروكسيد 2 ، 2′-azinobis - (- 3 ethylbenzothiazoline-6-sulfononic acid) ، ملح ثنائي الأمونيوم (ABTS) وأكسدة الإندول في مذيلة عكسية مكونة من مادة خافضة للتوتر السطحي - ماء - إيزوكتان - بنتانول تم التحقيق فيه وتحسينه في هذا العمل. تم الحصول على بعض النتائج الإيجابية على النحو التالي: تم تعزيز نشاط بيروكسيد CPO بنسبة 248٪ و 263٪ ، بينما تم تعزيز نشاط الأكسدة بنسبة 215٪ و 222٪ في وسط cetyltrimethylammonium bromide (CTABr) ووسط dodecyltrimethylammonium bromide (DTABr) على التوالي. تم أيضًا تحسين الثبات الحراري بشكل كبير في المذيلة العكسية: عند 40 درجة مئوية ، فقد CPO بشكل أساسي كل نشاطه بعد 5 ساعات من الحضانة ، بينما تم الاحتفاظ بالنشاط التحفيزي 58-76 ٪ لكلا التفاعلين في وسطتي المذيلة العكسية. عند 50 درجة مئوية ، بقي حوالي 44-75٪ من النشاط التحفيزي لكلا التفاعلين في المذيلة العكسية بعد ساعتين مقارنة مع عدم وجود نشاط ملحوظ في المخزن المؤقت النقي تحت نفس الظروف. كان تعزيز نشاط CPO يعتمد بشكل أساسي على تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي وهيكلها ، ونسبة المذيبات العضوية (الخامس البنتانول/الخامس الأيزوكتان) ، ومحتوى الماء في المذيلة العكسية. أظهرت المعلمات الحركية التي تم الحصول عليها أن تردد الدوران الحفاز (ك قط) في micelle العكسي. علاوة على ذلك ، أقل ك م وأعلى ك قط/ك م أظهر أن كلا من تقارب وخصوصية CPO للركائز قد تم تحسينها في وسائط micelle العكسية. أشارت فحوصات الإسفار والازدواج اللوني الدائري (CD) وفحوصات الأطياف فوق البنفسجية مقابل الأشعة فوق البنفسجية إلى أن التشكل التحفيزي المناسب للإنزيم قد تم تحقيقه في المذيلة العكسية ، بما في ذلك تقوية بنية البروتين α-helix ، وزيادة التعرض لمجموعة الهيم الاصطناعية لسهولة الوصول إلى الركيزة في حل بالجملة. هذه النتائج واعدة في ضوء التطبيقات الصناعية لهذا المحفز البيولوجي متعدد الاستخدامات.


الطرق التركيبية السادسة - الأنزيمية وشبه الأنزيمية

A. Hill، J. Littlechild، in الشامل Chirality، 2012

7.15.5.1 Heme Chloroperoxidases

تم اكتشاف الهيم-CPO من خلال دوره في تخليق منتج كالداريوميسين المكلور كما هو موضح في الشكل 11. بالإضافة إلى تحفيز تفاعلات الهالوجين ، فإنه قادر أيضًا على تحفيز عدد من التحويلات المؤكسدة الأخرى بما في ذلك ن- عمليات إزالة الأكسدة ، الأكسدة السلفات ، إيبوكسيدات الألكينات ، وهيدروكسيلات البنزيل. 61 تفاعلات الإيبوكسدة لبعض إنزيمات CPO مخصبة للغاية. 62

الشكل 11. شكل يوضح الكلورات الترادفية التي يتم إجراؤها لصنع كالداريوميسين بواسطة الكلوروبيروكسيديز الفطري المعتمد على الهيم.

الجانب السلبي لتفاعلات الأكسدة الحفازة الحيوية هو أن بيروكسيد الهيدروجين يمكن أن يعطل الهالوبيروكسيداز الهيم عن طريق تحلل جزيء الهيم. يمكن أن يتفاعل أيضًا بطريقة غير مرغوب فيها مع الركيزة خارج الموقع النشط ، مما يؤدي إلى منتجات ثانوية غير محددة. 8،12،35،61 للتحايل على هذا ، ولتحسين استقرار الإنزيم ، يمكن إضافة بيروكسيد الهيدروجين ببطء إلى المفاعل ، أو بدلاً من ذلك ، تم إثبات أنه يمكن توليد بيروكسيد الهيدروجين فى الموقع. أوكسيديز الجلوكوز (GOX) قادر على التوسط في أكسدة الجلوكوز إلى حمض الجلوكونيك ، وإطلاق بيروكسيد الهيدروجين كمنتج ثانوي. 63 تم تجميد هذا الإنزيم مع CPO في مصفوفة رغوة البولي يوريثان. مع أكسدة ميثيل فينيل كبريتيد إلى سلفوكسيد ، أظهر هذا النظام زيادة في ثبات الإنزيمات وزيادة النقاء البصري (ه 99٪) من المنتج. 61 في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن الأكسدة النوعية الفراغية لميثيل فينيل كبريتيد التي تستخدم CPO وتولد بيروكسيد الهيدروجين فى الموقع عن طريق التفاعل التحفيزي للهيدروجين والأكسجين في وجود محفز بالاديوم. 63 تم إجراء التفاعل في نظام ثنائي الطور من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج والماء ، حيث تبين أن CPO ظل نشطًا ، مما أدى إلى (ر) - سلفوكسيد في 94٪ ه أثمر. يحتوي 62،64 ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج كوسيط تفاعل على قدرة تحلية ممتازة يمكن التحكم فيها على وجه التحديد عن طريق درجة الحرارة والضغط ، كما أن عمل المنتج أقل شاقة حيث يمكن تبخير ثاني أكسيد الكربون عند درجة الحرارة والضغط القياسيين. ثاني أكسيد الكربون أيضًا أقل سمية وأكثر صداقة للبيئة من العديد من المذيبات العضوية الأخرى وهو منتج صناعي رخيص.

فيما يتعلق بأنشطة الهيم أوكسيجيناز ، يشبه الإنزيم السيتوكروم P450 أحادي الأكسجين. ومع ذلك ، على عكس هذه monooxygenases ، فإنه لا هيدروكسيل الحلقات العطرية. يتم تنفيذ العديد من هذه التفاعلات بطريقة الخصوصية الفراغية ، وتنتج مركبات تهم كل من الصناعات الكيميائية الدقيقة والصناعات الدوائية. الاهتمام بشكل خاص هو الغلة الكمية بشكل أساسي من أكسدة الإندولات إلى الأكسيدولات ، وهي مركبات قوية مضادة للالتهابات. 8

في الآونة الأخيرة ، تم التعرف على هالوبيروكسيديز الهيم-ثيولات في فطر آخر ، اجريسيبي ايجريتا سلالة A1. كان يُعتقد في الأصل أن البيروكسيداز (AaP) هو مادة اللجنين بيروكسيديز وكانت مفاجأة ، لأنه تم التعبير عنه بكميات منخفضة فقط ، مما حال دون التوصيف المفصل. يمكن الآن إنتاجه في غلات مفيدة من ثقافات A. aegerita عندما نمت في وسائط تعتمد على فول الصويا في مفاعلات حيوية مقلوبة. وقد سمح هذا بتنقية وتوصيف AaP. أظهرت الدراسات الطيفية لهذا الإنزيم أوجه تشابه مع CPO ، وعلى وجه الخصوص ، مع إنزيمات السيتوكروم P450 ، ومن المحتمل أن تتضمن الدورة التحفيزية نفس التحولات لمركز الحديد. كشفت التحقيقات في الأنشطة التحفيزية لـ AaP أنها تمتلك قدرة البروم القوية والكلور واليود الضعيفة ، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من أنشطة الأوكسجيناز. يمكنه تحويل الفينول إلى 4- و 2-بروموفينول في وجود Br - بنسبة 4: 1 ، مع تعدد بروم ضئيل ، على عكس CPO ، مما يؤدي إلى درجة عالية من polybromophenols. 66 مجموعة مختارة من تفاعلات الأكسدة المحفزة بواسطة AaP مبينة في الشكل 12.

الشكل 12. مجموعة مختارة من تفاعلات الأكسدة التي يحفزها إنزيم AaP. المعالجة بالبروم للأكسدة الترادفية للفينول لكحولات البنزيل المستبدلة إلى البنزالديهايدات وأحماض البنزويك هيدروكسيل النفثالين.


ما هي الكائنات الحية التي توجد فيها إنزيمات Chloroperoxidase؟ - مادة الاحياء

& quot؛ خلق لوويل بيئة يتم فيها تعزيز الإبداع ، والمعايير العلمية عالية ، والعلم كان ممتعًا. ترك بصماته على القسم التي بقيت حتى يومنا هذا. & quot

استضاف قسم الكيمياء الحيوية ندوة تذكارية في عطلة نهاية الأسبوع على شرف لويل هاجر في 17 و 18 أكتوبر 2014.

البروفيسور لويل ب هاجر توفي بسلام في 15 أبريل 2014 عن عمر يناهز 87 عامًا. كان لويل عالم إنزيمات وكيميائي بروتين معترف به دوليًا اشتهر بدراساته الأساسية حول إنزيمات الهالوجين وبيروكسيداز الهيم. انضم إلى هيئة التدريس في جامعة إلينوي في عام 1960 ، وفي عام 1967 ، أصبح رئيس قسم الكيمياء الحيوية ، وهو واحد من ستة أقسام كبيرة في قسم الكيمياء والهندسة الكيميائية. كان أحد الإجراءات الأولى التي قام بها كرئيس هو قيادة مهمة تحويل قسم الكيمياء والهندسة الكيميائية إلى مدرسة للكيمياء ، حيث أصبح كل قسم من الأقسام الستة قسمًا ، وهو التغيير الذي حدث في عام 1969. ثم أصبح لويل رئيسًا لقسم الكيمياء والهندسة الكيميائية. قسم الكيمياء الحيوية عام 1969 وظل في هذا المنصب لمدة 20 عامًا.

كان لويل قدرة رائعة على الحفاظ على برنامج بحث من الدرجة الأولى أثناء إدارة وبناء القسم بطريقة فعالة ولكنها شخصية للغاية ومبهجة وحيوية. لقد اهتم بشدة بالقسم ونال ثقة الكلية واحترامها من خلال انفتاحه ونزاهته. خلال فترة توليه رئاسة القسم ، طور إحساسًا قويًا بالزمالة والمجتمع داخل أعضاء هيئة التدريس والموظفين. فتح هو وزوجته فران منزلهما لاستقبال الحفلات والعشاء في الأقسام التي شارك فيها الزوار والطلاب وباحثو ما بعد الدكتوراة وأعضاء هيئة التدريس. إلى جانب شهرته كعالم ، اشتهر لويل أيضًا بمارتيني (مجرد نفحة من الفيرموث) ، وحفلات الفلفل الحار في الفناء الخلفي كل خريف للترحيب بطلاب الدراسات العليا الجدد ، وإنشاء ملاذات لأعضاء هيئة التدريس والطلاب في Allerton Park. تقع حيث قدم الطلاب المحادثات وحيث ، خلال الأمسيات ، عزف لويل على البيانو وقاد المطربين المتجمعين في أغنياته الغنائية الفاسقة قليلاً. تميزت حفلات الكريسماس في منزل Alpha Chi Sigma بمشاهد تمثيلية من قبل أعضاء هيئة التدريس والموظفين ، غالبًا في ملابس فاحشة ، تقدم محاكاة ساخرة لمراوغاتنا ونقاط ضعفنا. كان لويل لاعب غولف مدى الحياة ، فقد أعاد إحياء تقليد سابق لـ "The Biochemistry Open" كل ربيع مع دعوة جميع أعضاء القسم لعرض مواهبهم ، أو عدم وجودها ونظام تسجيل النقاط الذي غالبًا ما سمح للاعبين المتوحشين بيننا بالفوز بالجوائز. خلق لويل بيئة حيث تم تعزيز الإبداع ، وكانت المعايير العلمية عالية والعلم كان ممتعًا. ترك بصماته على القسم التي بقيت حتى يومنا هذا.

ولد لويل عام 1926 ونشأ في بلدة هيبلر الصغيرة في جنوب شرق ولاية كانساس. حصل على درجة البكالوريوس عام 1947 من جامعة فالبارايسو بولاية إنديانا ، ودرجة الماجستير عام 1950 من جامعة كانساس ، ودرجة الدكتوراه عام 1953 في مختبر آي سي. "Gunny" Gunsalus من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ، وبعد ذلك أجرى دراسات ما بعد الدكتوراه مع فريتز ليبمان في كلية الطب بجامعة هارفارد. انضم لأول مرة إلى هيئة التدريس في الكيمياء في جامعة هارفارد في عام 1955 لكنه عاد إلى جامعة إلينوي كعضو هيئة تدريس ، حيث ظل هناك لبقية حياته المهنية عالية الإنتاجية. يمكن العثور على سرد أكثر حيوية لهذه الأيام الأولى من مسيرة لويل المهنية في مذكراته ، "عمر من اللعب بالأنزيمات" في مجلة الكيمياء البيولوجية، تم نشره في عام 2010 (http://www.jbc.org/lookup/doi/10.1074/jbc.X110.121905).

أظهر عمل لويل للدكتوراه في مختبر Gunny دور حمض الليبويك في إنزيمات نازعة هيدروجين البيروفات و & ألفا كيتوجلوتارات ديهيدروجينيز. اكتشف أن كل من هذه الإنزيمات لها نشاط ديهيدروجيناز حمض ليبويك بالإضافة إلى نشاط ترانس أسيتيلاز الشحوم. في مختبر فريتز ليبمان في كلية الطب بجامعة هارفارد ، واصل لويل العمل على أكسدة البيروفات ولكن في Lactobacillus delbrueckii، الذي يميز الإنزيم الذي يشكل فوسفات الأسيتيل مباشرة دون مساعدة حمض ليبويك. خلال فترة عمله كأستاذ مساعد في جامعة هارفارد من 1955 إلى 1960 ، واصل لويل عمله في الكيمياء الحيوية لأكسدة البيروفات. اكتشف إنزيم بيروفات أوكسيديز في طفرة بكتريا قولونية، وأظهر أن هذا الإنزيم هو ما يسمى الآن بروتين غشائي "أحادي" موجود في شكل قابل للذوبان في الماء ، وعند اختزال العامل المساعد للفلافين ، يرتبط بالغشاء ويستخدم يوبيكوينون كمستقبل للإلكترون. أحضر هذا المشروع معه عندما انتقل إلى جامعة إلينوي.

أثناء إعداد محاضرات لدورته في الكيمياء الحيوية المقارنة ، تعرّف لويل على تفاعلات الهالوجين البيولوجية وقرر إطلاق مشروع جديد لتعريف الأنزيمات ، وهو أمر غير معروف تمامًا. كما أحب لويل أن يروي القصة ، تم نشر الورقة الأولى في هذا المجال من قبل بليني الأكبر في القرن الأول الميلادي ، والتي تصف صنع Tyrian Purple (6،6'-dibromoindigo) ، وهي صبغة قيمة مصنوعة من إفرازات الموركس. المحار ويستخدم لتلوين الجلباب الروماني الأرجواني. بعد ألفي عام ، نُشرت الورقة الثانية حول هذا الموضوع في JACS بواسطة Paul Shaw و Lowell في عام 1959 على chloroperoxidase (CPO) من فطر التربة. Caldariomyces fumago. ظلت دراسة CPO والإنزيمات ذات الصلة في قلب مسيرة لويل العلمية. في عام 1972 ، مولت مؤسسة العلوم الوطنية منحة لويل وكين راينهارت لعزل وتوصيف المركبات المهلجنة الجديدة من الكائنات البحرية. تم تحقيق ذلك من خلال جمع العينات في رحلات استكشافية قبالة سواحل كاليفورنيا باستخدام سفينة أبحاث Alpha Helix ، والتي تم تجهيزها لتحليل مستخلصات الدهون على متنها. أدى ذلك إلى اكتشاف العديد من المنتجات الطبيعية المبرومة جنبًا إلى جنب مع إنزيم البروموبيروكسيديز المعزول من الطحالب الخضراء.

أخذت دراسات لويل على الكلوروبيروكسيديز لويل في عدة اتجاهات مثمرة. من بين أفضل إنجازاته المعروفة توصيف "الوسيط الأخضر" في عام 1981 في التفاعل ، والذي ثبت أنه شائع لعدد من إنزيمات البيروكسيديز والذي يُعرف الآن باسم المركب I. تعدد استخدامات CPO في تحفيز عدد من العناصر المفيدة تم استكشاف التفاعلات الانتقائية مع فكرة استخدام CPO في التصنيع الفعال وغير المكلف للمركبات اللولبية. لهذا الغرض ، أسس لويل شركة Chirazyme Labs لإنتاج كميات كبيرة من CPO القابل للتسويق ، وهي شركة لا تزال قائمة حتى يومنا هذا تحت إشراف نجل Lowell ، Paul.

أثناء وجوده في جامعة إلينوي ، قام لويل بتوجيه ما يقرب من 50 طالب دكتوراه ونشر أكثر من 400 ورقة بحثية. تم انتخابه للأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 1995 ، وكان المستلم الافتتاحي لكرسي ويليام روتر في الكيمياء الحيوية في عام 1996.

استمتع لويل بالإشارة إلى أن العديد من العلماء الذين قضى وقتًا في مختبراتهم ذهبوا بعد ذلك بوقت قصير للحصول على جائزة نوبل. ومن بين هؤلاء فريتز ليبمان وكونراد بلوخ في سنواته الأولى ، وفيدور لينين وهانس كريبس وريناتو دولبيكو ، الذين أمضى لويل إجازاتهم.

في الواقع ، كان لويل لمسة سحرية. سنفتقده جميعا.

صندوق زمالة Lowell P. Hager

انقر هنا لتقديم مساهمة في صندوق زمالة Lowell P. Hager عبر الإنترنت ، أو يمكن إرسال التبرعات بالبريد إلى University of Illinois Foundation، 1305 West Green Street، MC-386، Urbana، IL 61801. إذا كنت ترسل تبرعك بالبريد ، يرجى توضيح ذلك إنه نصب تذكاري للبروفيسور لويل هاجر.

اتصل بشون ويليامز ، مسؤول التطوير ، كلية البيولوجيا الجزيئية والخلوية ، على الرقم (217) 300-4462 أو [email protected] لطرح الأسئلة أو المساعدة في تقديم تبرع.

الاعتمادات:
بوب جينيس ، دكتوراه ، قسم الكيمياء الحيوية ، جامعة إلينوي
إد كونراد ، دكتوراه ، قسم الكيمياء الحيوية ، جامعة إلينوي


الآلية المقترحة

تحفز هالوبيروكسيداز التفاعل بين H.2ا2 وأيونات الهاليد ، وبالتالي فهي مختلفة عن تفاعلات البيروكسيداز المحفزة مع ركائز عضوية معينة. تنطبق المناقشة أدناه على جميع هالوبيروكسيدازات ولكننا نركز بشكل أساسي على الكلوروبيروكسيداز ، الذي يحول الكلوريد ، وهو أحد أكثر أيونات الأرض شيوعًا ، إلى HOCl و H2يتفاعل O. HOCl بشكل فوري تقريبًا مع أي مجموعة قابلة للأكسدة ، وبالتالي ، على عكس H2ا2، لا ينتشر على مسافات أطول (Ortiz-Bermudez وآخرون., 2007 ).

في حالة الكلورة خارج الخلية ، يجب ألا تكون تركيزات HOCI داخل الخلايا وخارجها متناسبة ، نظرًا لأن التكوين خارج الخلية لـ HOCI سينقل القدرة المؤكسدة من H2ا2 لتفاعل الكلور. يتفاعل الكلوريد التفاعلي بدوره مع أي مركب عضوي موجود ، والذي يكون في التربة مادة عضوية في الغالب ، وبالتالي تكوين مادة عضوية مكلورة ، وهي أقل سمية للخلايا من H2ا2. مجتمعة ، فإن الطبيعة عالية التفاعل لـ HOCI ، بالاقتران مع وفرة مادة الاختزال (Cl -) ، تجعل نظام هالوبيروكسيداز مرشحًا معقولاً لإزالة السموم خارج الخلية من H2ا2 لمنع الاكسدة. فيما يلي تحليل ومناقشة لكل سؤال من أسئلة البحث المطروحة أعلاه.

أنا. هل يتم إنتاج الكلوروبيروكسيداز بشكل أساسي عن طريق الكائنات الحية التي تعيش في بيئات حيث (على الأقل بشكل دوري) معرضة لتركيزات عالية من ROS؟

كما تم تطويره أدناه ، كشف البحث في Peroxibase و Uniprot أن معظم هالوبيروكسيدازات التي تم تحديدها توجد في الكائنات الحية التي تعيش في بيئات حيث من المحتمل أن تتعرض لتركيزات عالية من ROS (الجداول 1-3 والجدول S1). توجد هالوبيروكسيدات المعتمدة على الدم بشكل أساسي في الفطريات الزائدة ، ولكن أيضًا في عدد قليل من الفطريات القاعدية وفي الفطريات البولية. إنفستان فيتوفثورا (الجدول 1). يبدو أن القاسم المشترك لهذه الكائنات الحية هو أنها إما مسببات الأمراض النباتية أو المتعايشات أو العفن الذي ينمو في الغلاف الجوي. تم العثور أيضًا على هالوبيروكسيدات المعتمدة على الدم في ميثاريزيوم الأنواع ، جنس من الفطريات الزائدة الممرضة للحشرات.

اسم مجموعة تصنيفية الكائن الحي علم البيئة
AfumHalPrx01 أسكوميكوتا دخان الرشاشيات مُمْرِض انتهازي موجود في جميع البيئات الغنية بالأكسجين تقريبًا.
AniHalPrx01 أسكوميكوتا نيدولانس الرشاشيات أنظر فوق.
AorHalPrx01 أسكوميكوتا Aspergillus oryzae أنظر فوق.
AteHalPrx02 أسكوميكوتا الرشاشيات الأرضية أنظر فوق.
CfuHalPrx أسكوميكوتا Caldariomyces fumago العفن السخري يستعمر الموائل السطحية للنباتات الحية.
CgHalPrx01 أسكوميكوتا Chaetomium globosum توجد الخميرة عادة في حطام التربة والهواء والنبات. يعيش أيضًا في النباتات الداخلية ويظهر تأثيرات معادية ضد مسببات الأمراض الفطرية للنباتات.
GzHalPrx01 أسكوميكوتا جبريلا زيا أحد مسببات الأمراض النباتية المسبب لمرض ضوء المصابيح الأمامية للقمح.
HjHalPrx01 أسكوميكوتا Trichoderma reesei شائع في بيئات التربة والجذور. المتعايشين الانتهازية ، عديم الفوعة النبات. الترايكوديرما النيابة. من المعروف أنها تنتج مجموعة متنوعة من المضادات الحيوية ويمكن أن تتطفل على الفطريات الأخرى.
MpiHalPrx01 أسكوميكوتا Mycosphaerella pini طفيلي ، يسبب آفة إبرة على الأشجار الصنوبرية.
NcHalPrx01 أسكوميكوتا نيوروسبورا كراسا قالب الخبز الأحمر. تحدث بشكل طبيعي على المواد النباتية الميتة بشكل رئيسي بعد الحرائق في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية.
PnoHalPrx01 أسكوميكوتا الفايوسفيريا العقدة مسببات الأمراض النباتية سبتوريا الأمراض.
PanHalPrx01 أسكوميكوتا بودوسبورا أنسيرينا الفطريات الرمية على روث الحيوانات العاشبة.
AbHalPrx01 باسيديوميكوتا Agaricus bisporus الفطريات الرمية التي تنمو على سبيل المثال القمامة والسماد.
CcinHalPrx01 باسيديوميكوتا كوبرينوبسيس سينيريا (كوبرينوس سينيروس) الفطريات الرمية تنمو على الروث.
LbiHalPrx01 باسيديوميكوتا Laccaria bicolor تشكل ارتباطات جذرية خارجية مع مجموعة متنوعة من أنواع الأشجار.
PinvHalPrx باسيديوميكوتا Paxillus involutus تشكل ارتباطات جذرية خارجية مع مجموعة متنوعة من أنواع الأشجار.
الكمبيوتر باسيديوميكوتا Phanerochaete chrysosporium فطريات العفن الأبيض المهينة من اللجنين.
PplHalPrx01 باسيديوميكوتا مشيمة Postia توجد فطريات العفن البني بشكل شائع في النظم البيئية للغابات. سبب رئيسي لتعفن الخشب.
UmHalPrx01 باسيديوميكوتا Ustilago maydis الفطريات المسببة للأمراض تسبب تفحم الذرة على الذرة.
PiHalPrx01 آخر سترامينوبيليس إنفستان فيتوفثورا الفطريات المسببة للأمراض المسببة لفحة البطاطس.
اسم مجموعة تصنيفية الكائن الحي علم البيئة
MvaHalNPrx أكتينوباكتيريا المتفطرة فانباليني توجد عادة في التربة والرواسب الملوثة.
RerHalNPrx أكتينوباكتيريا Rhodococcus erythropolis مُمْرِض انتهازي لديه أيضًا القدرة على تحمل الملوثات العضوية وتحطيمها.
STaHalNPrx01 أكتينوباكتيريا Streptomyces aureofaciens البكتيريا المرتبطة بالجذور تنتج مركبات مضادة للفطريات.
ScoHalNPrx أكتينوباكتيريا Streptomyces coelicolor بكتيريا Rhizosphere التي تستعمر أيضًا بعض النباتات المائية.
SliHalNPrx أكتينوباكتيريا Streptomyces lividans البكتيريا المرتبطة بالجذر.
GfoHalNPrx الجراثيم جراميلا فورسيتي وجدت على الجليد البحري. تحطيم المركبات ذات الوزن الجزيئي المرتفع في كل من الجزء المذاب والجسيمي من المادة العضوية البحرية.
ممارهلن الجراثيم مرسى ميكروسكيلا وجدت على الجليد البحري. تحطيم المركبات ذات الوزن الجزيئي المرتفع في كل من الجزء المذاب والجسيمي من المادة العضوية البحرية.
PtorHalNPrx الجراثيم ييكروفلكسوس توركيوس بكتيريا محبة للنفسية توجد في الجليد البحري.
SYspHalNPrx البكتيريا الزرقاء متزامن ص. البكتيريا الزرقاء قادرة على النمو الضوئي وكذلك غيرية التغذية.
LacHalNPrx الحزم الملبنة الحمضة بكتيريا حمض اللاكتيك التي تحدث بشكل طبيعي في فم الإنسان والحيوان والمهبل والجهاز الهضمي.
LplHalNPrx01 الحزم اكتوباكيللوس بلانتاروم بكتيريا حمض اللاكتيك الموجودة في الخضروات واللعاب.
PpenHalNPrx الحزم Pediococcus pentosaceus بكتيريا حمض اللاكتيك الموجودة في الخضروات.
WpaHalNPrx الحزم Weissella paramesenteroides بكتيريا حمض اللاكتيك الموجودة في الخضار.
BjaHalNPrx01 ألفا بروتيوبكتيريا Bradyrhizobium japonicum النيتروجين تحديد عقيدات الجذر تشكيل البكتيريا.
BRspHalNPrx ألفا بروتيوبكتيريا براديرهيزوبيوم ص. النيتروجين تحديد عقيدات الجذر تشكيل البكتيريا.
BcHalNPrx بيتابروتيوباكتيريا بوركولديريا سيباسيا جرثومة التربة المسؤولة عن بصلي الشكل الاسم المستعار أمراض تعفن الجذور. أيضا من مسببات الأمراض البشرية.
PpyrHalNPrx Betaproteobacteria Pseudomonas pyrrocinia البكتيريا المرتبطة بالجذور التي من المحتمل أن تنتمي إلى الجنس بوركولديريا.
PaerHalNPrx_PAO1 جراثيم غاما الزائفة الزنجارية بكتيريا ريزوسفير تنتج مجموعة واسعة من المركبات المضادة للفطريات.
PfHalNPrx01_Pf5 جراثيم غاما تألق الزائفة البكتيريا المستعمرة للجذور تنتج مجموعة واسعة من المركبات المضادة للفطريات.
BdeHalNPrx الكيتريديوميكوتا Batrachochytrium dendrobatidis الفطريات المسببة للأمراض تسبب داء الفطريات الفطرية في البرمائيات.
اسم مجموعة تصنيفية الكائن الحي علم البيئة
سترفببو أكتينوباكتيريا Salinispora Tropica البكتيريا البحرية التي تعيش في الرواسب وتنتج مجموعة واسعة من المستقلبات الثانوية الفريدة من نوعها من الناحية الهيكلية.
BRspV ألفا بروتيوبكتيريا براديرهيزوبيوم ص. النيتروجين تحديد عقيدات الجذر تشكيل البكتيريا.
RpVCPo ألفا بروتيوبكتيريا Rhodopseudomonas palustris البكتيريا الضوئية مع مجموعة واسعة جدًا من القدرات الأيضية.
سينافكو أسكوميكوتا Curvularia inaequalis أحد الفطريات المسببة للأمراض النباتية كورفولاريا مرض بقعة الأوراق في الذرة.
EdVCPo أسكوميكوتا ديديموسبورا إمبيليسيا
MagVCPo أسكوميكوتا Magnaporthe grisea (بيريكولاريا جريسي) الفطريات المسببة للأمراض النباتية التي تسبب مرض اللفحة على سبيل المثال الأرز والحبوب.
PnoVCPo أسكوميكوتا الفايوسفيريا العقدة الفطريات المسببة للأمراض النباتية سبتوريا لطخة غليوم في القمح.
PtritVCPo أسكوميكوتا Pyrenophora tritici-repentis الفطريات المسببة للأمراض النباتية التي تسبب مرض بقعة تان في القمح.
CoVBPo كورالينا كورالينا أوفيسيناليس عشب بحري أحمر يسكن المناطق الساحلية الدنيا والمتوسطة.
CpiVBPo01 كورالينا كورالينا بيلوليفيرا عشب بحري أحمر موجود في المنطقة الساحلية الفرعية. Allelopathic ضد الطحالب الدقيقة المد الأحمر.
CcriVBo فلوريدوفيسيا Chondrus crispus طحالب بحرية حمراء منتشرة على نطاق واسع توجد في مناطق المد والجزر إلى المناطق الساحلية الفرعية.
GcVBPo فلوريدوفيسيا جراسيلاريا شانجي أجار ينتج الطحالب الحمراء الموجودة في مستنقعات المنغروف.
AnoVBPo فيوفيسيا أسكوفيلوم نودوسوم طحالب بنية توجد في مناطق المد والجزر الوسطى.
FdVBPo فيوفيسيا فوقس Distichus طحالب بنية منتشرة على نطاق واسع توجد في منطقة المد.
LdVBPo01 فيوفيسيا لاميناريا ديجيتاتا توجد طحالب بنية اللون في المنطقة الساحلية السفلية.
AvaVBPo البكتيريا الزرقاء أنابينا فريبليس البكتيريا الزرقاء ذات التغذية الضوئية N-fixing قادرة أيضًا على التغاير. تشكل ارتباطات تكافلية مع النباتات والفطريات.
CwaVBPo البكتيريا الزرقاء Crocosphaera watsonii البكتيريا الزرقاء الضوئية المثبتة للنيتروجين الموجودة في المياه البحرية الدافئة.
NspuVBPo البكتيريا الزرقاء Nodularia spumigena بكتيريا زرقاء مقاومة للأشعة فوق البنفسجية ومثبتة للنيتروجين توجد في المياه السطحية المالحة والبحرية حيث يمكن أن تشكل أزهارًا كثيفة.
لا يوجد البكتيريا الزرقاء نوستوك ص. نوع من البكتيريا الزرقاء يوجد في مجموعة واسعة من الموائل. يشكل أيضًا علاقات تكافلية مع النباتات والفطريات.
SspVBPo02_CC9311 البكتيريا الزرقاء المكورات المتزامنة ص. البكتيريا البحرية ذاتية التغذية.
CboVBPo_TypeA الحزم كلوستريديوم البوتولينوم بكتيريا التربة اللاهوائية.
RbaVCPo آخر بكتيريا رودوبيريلولا بالتيكا بكتيريا بحرية منتشرة على نطاق واسع مرتبطة بتكاثر العوالق النباتية وعلى الجزيئات العضوية العيانية في المنطقة الضوئية.
SuVBPo آخر بكتيريا استخدام Solibacter الهوائية الحمضية وجدت في التربة.

يبدو أن الهالوبيروكسيداز اللاهيب لا الفاناديوم منتشر على نطاق واسع بين الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالنبات ، مثل ستربتوميسيس و الزائفة النيابة. (توجد بشكل شائع في منطقة الجذور / الجذور) ، والتعايش الداخلي أو الطفيلي براديرهيزوبيوم, بوركولديريا, كوبريافيدوس, فرانكيا, ريزوبيوم النيابة. (الجدول 2). لا يوجد أي هيم لا يوجد هالوبيروكسيدات الفاناديوم يتم إنتاجها أيضًا بواسطة العديد الأجرعية ، المطثية ، المتفطرة و زانثوموناس spp. ، وكلها معروفة بأنها تسبب المرض في النباتات والثدييات. شعبة بكتيرية أخرى لا تنتج أي هيم لا هالوبيروكسيديز الفاناديوم ، الجراثيم، توجد بشكل شائع كتجمعات حية حرة في البيئات الدقيقة الغنية بالمغذيات المرتبطة بأزهار العوالق النباتية ، وعلى الجزيئات العضوية العيانية (الثلج البحري) المتكونة في المنطقة الضوئية (باور وآخرون، 2006). البكتيريا التي تنمو في البيئات الملوثة وقادرة على تحمل تركيزات عالية من الملوثات العضوية والمعادن والإجهاد التأكسدي ، على سبيل المثال مفصليات, Deinococcus ، رالستونيا و رودوكوكس spp. ، يبدو أيضًا أن لديه القدرة على إنتاج أي هيم لا هالوبيروكسيديز الفاناديوم. أخيرًا ، عدة اكتوباكيللوس spp. ، الذي ينتج عن استقلابه في خلق بيئة ROS عالية ، لديه القدرة على إنتاج أي هيم بدون هالوبيروكسيديز الفاناديوم.

يتم إنتاج هالوبيروكسيدات المعتمدة على الفاناديوم بشكل أساسي عن طريق الطحالب الحمراء والبنية والفطريات المسببة للأمراض النباتية ، ولكن أيضًا عن طريق البكتيريا الزرقاء وعدد قليل من البكتيريا الأخرى ذات التغذية الضوئية مثل سيتريسيلا و Rhodopseudomonas palustris (الجدول 3). تشمل الهالوبيروكسيديز الأخرى المنتجة للبكتيريا الفاناديوم Deinococcus radiodurans، التي لديها قدرة لا مثيل لها على التغلب على الإجهاد التأكسدي (سليد ورادمان ، 2011) ، و عصية ميكويدس، جرثومة التربة التي يمكن أن تحفز أيضًا انفجارًا مؤكسدًا ، مما يؤدي إلى مقاومة جهازية ضد الآفات في بنجر السكر ، دون التسبب في موت الخلايا النباتية أو نخر الأنسجة (Bargabus وآخرون. ، 2002 2003). تنتج الهالوبيروكسيدات المعتمدة على الفاناديوم أيضًا عن طريق مسببات الأمراض الانتهازية (على سبيل المثال ، فلافوباكتيريا) ، والنباتات الداخلية النباتية (على سبيل المثال. براديرهيزوبيوم و الخميرة Dyadobacter) والبكتيريا رودوبيريلولا بالتيكا و جراميلا فورسيتي، وهو مشابه للكثيرين الجراثيم تم العثور عليها مرتبطة بأزهار العوالق النباتية وعلى الجزيئات العضوية العيانية المتكونة في المنطقة الضوئية (Gade وآخرون., 2005 ).

استنادًا إلى الملاحظات الواردة أعلاه والمعلومات الواردة في الجداول 1-3 والجدول S1 ، نستنتج أنه يمكن وضع العديد من الكائنات الحية المنتجة للهالوبيروكسيديز في إحدى المجموعات / المنافذ الخمس التالية:

الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالنباتات والحيوانات (على سبيل المثال ، الكائنات الدقيقة المرتبطة بجذور الجذور / الجذور ، والنباتات الداخلية / المتعايشات الداخلية ومسببات الأمراض / الطفيليات)

الكائنات ذات التغذية الضوئية مثل الطحالب والبكتيريا الزرقاء والأعشاب البحرية البنية

البكتيريا المرتبطة بالثلج البحري

الكائنات الحية الدقيقة التي تزدهر في البيئات الملوثة و

الكائنات الحية الدقيقة التي تخلق تركيزات عالية من أنواع الأكسجين التفاعلية في بيئتها الخاصة.

تتعرض الكائنات الحية التي تعيش في هذه البيئات بشكل دوري على الأقل لتركيزات عالية من أنواع الأكسجين التفاعلية. على سبيل المثال ، تتفاعل النباتات والحيوانات مع الغزو الميكروبي من خلال انفجار تنفسي ينتج عنه H.2ا2 (دوك وآخرون.، 1991 Jacks and Davidonis، 1996 Nauseef، 2007). في المجموعة الأولى ، نجد مسببات الأمراض الانتهازية وكذلك الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالتعايش الداخلي والنباتات الداخلية التي تتعرض بشدة لـ ROS ، وخاصة H2ا2، أثناء استعمار مضيفهم (Tavares وآخرون. ، 2007). في الواقع ، هناك أدلة متزايدة على أن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ضرورية لاستعمار ناجح وتأسيس تعايش البقوليات- ريزوبيا (Pauly وآخرون، 2006 Kopcinska ، 2009). علاوة على ذلك ، تتعرض الكائنات الدقيقة المرتبطة بالأوراق لمستويات عالية من الأشعة فوق البنفسجية و ROS (Liu وآخرون. ، 2000 Lindow and Leveau ، 2002 Cohen and Yamasaki ، 2003 Lindow and Brandl ، 2003) ، وهو ما قد يفسر لماذا كشفت الدراسات المبكرة عن الكلورة الميكروبية أن الكائنات الحية الدقيقة تنمو على النباتات ، مثل Caldariomyces fumago، تنتج مركبات عضوية مكلورة بمعدلات عالية بشكل خاص (Clutterbuck وآخرون، 1940). في منطقة الجذور ، يؤدي الاختزال الميكروبي لحديد الحديد إلى Fe (II) إلى إنتاج ROS عبر تفاعل Fenton (Halliwell and Gutteridge، 1984 Laturnus وآخرون، 2005). إن منطقة الجذور هي أيضًا بيئة تشيع فيها التفاعلات العدائية والقدرة على إنتاج المضادات الحيوية (Hassett and Imlay ، 2007).

المجموعة الثانية ، الكائنات الحية الدقيقة ذات التغذية الضوئية ، معرضة بشدة لـ ROS نتيجة الإنتاج العالي داخل الخلايا لـ ROS أثناء عملية التمثيل الضوئي (Ashur وآخرون. ، 2009 اللطيفي وآخرون، 2009). وينطبق الشيء نفسه على المجموعة الثالثة ، البكتيريا المرتبطة بتكاثر العوالق النباتية والثلوج البحرية في المنطقة الضوئية للمحيطات ، والتي تتعرض لتركيزات عالية من ROS بسبب التوليد الكيميائي الضوئي لـ ROS من المواد العضوية الذائبة (Zepp). وآخرون. ، 1977 كوبر وزيكا ، 1983 كوري وآخرون., 2010 ).

المجموعة الرابعة مرتبطة بالبيئات الملوثة ، والتي تحتوي على خليط معقد من المواد الكيميائية التي تحفز تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية. على سبيل المثال ، يبدو أن السمية الجينية للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات هي النتيجة النهائية للتدهور غير الكامل الذي أدى إلى إنتاج ROS ( وآخرون، 2008). السبب الثاني للإجهاد التأكسدي في البيئات الملوثة هو التكوين المعدني لـ ROS (Hrimpeng وآخرون. ، 2006 بارك وآخرون. ، 2008 ريكو وآخرون., 2009 ).

المجموعة الخامسة ، أخيرًا ، هي الكائنات الحية المنتجة للهالوبيروكسيديز ، مثل بكتيريا حمض اللاكتيك ، والتي تتعرض أيضًا لمستويات عالية من ROS بسبب افتقارها إلى الدم ، مما يؤدي إلى خلق بيئة ROS عالية مستحثًا ذاتيًا: من الدم يعني أنهم يستخدمون بروتينات الفلافوبروتينات بدلاً من نظام السيتوكروم المعتمد على الدم للأكسدة النهائية (Klebanoff ، 2005). وهكذا يتم تحويل الأكسجين إلى بيروكسيد الهيدروجين بدلاً من الماء كما هو الحال في معظم الكائنات الحية. يعني نقص الهيم أيضًا أن هذه الكائنات الحية لا تمتلك نظام الكاتلاز الذي يستخدم عادةً لكسح بيروكسيد الهيدروجين المتراكم (Barloy-Hubler وآخرون. ، 2004 هانسن وآخرون، 2004). يتم إنتاج هالوبيروكسيديز أيضًا عن طريق البكتيريا والعتائق المقاومة للإشعاع والمحبة للملوحة (الجدول S1) ، مما قد يفسر تنظيفها الفعال لـ ROS الناتج عن التحلل الإشعاعي للماء (Roh). وآخرون. ، 2007 كيش وآخرون., 2009 ).

يبدو أن القدرة على إنتاج الكلوروبيروكسيدات (وبالتالي القدرة المحتملة على إحداث تكوين مادة عضوية مكلورة) تحدث بشكل رئيسي في الكائنات الحية التي تتعرض لتركيزات عالية من ROS سواء داخل الخلايا أو خارجها. لذلك قد يكون الإجهاد التأكسدي حافزًا لتطوير إنزيمات الكلورة. بالنسبة لبعض البيئات المذكورة أعلاه على الأقل ، هناك تطابق بين الوفرة العالية لـ ROS ونشاط الكلور. على سبيل المثال ، لوحظ ارتفاع معدلات إنتاج المركبات العضوية المكلورة المتطايرة في البيئات البحرية (Palmer وآخرون. ، 2005 لوبلان وآخرون. ، 2006) ، وكما ذكر أعلاه ، فإن الكائنات الحية الدقيقة التي تنمو على النباتات تنتج أيضًا مركبات عضوية مكلورة بمعدلات عالية بشكل خاص (Clutterbuck وآخرون. ، 1940). لم نتمكن من تحديد أي دراسات تتناول ما إذا كان نشاط المعالجة بالكلور قد تم تعزيزه في البيئات الملوثة ، أو إذا كان غزو النباتات والحيوانات من قبل مسببات الأمراض والمتعايشات الداخلية يؤدي إلى إنتاج الكلوروبيروكسيداز بوساطة المركبات العضوية المكلورة. ومع ذلك ، هناك مؤشرات على أن تكوين HOCl بواسطة myeloperoxidase ، وهو نظير وظيفي للكلوروبيروكسيديز ، يمثل نسبة عالية من الأكسجين التفاعلي المستهلك في الانفجار التأكسدي في أنظمة الدفاع للثدييات (Klebanoff ، 2005).

ثانيا. هل تؤدي مستويات ROS المرتفعة إلى التعبير عن الجينات التي تشفر الكلوروبيروكسيديز؟

الأدلة المتعلقة بالتعبير عن الجينات التي تشفر الكلوروبيروكسيديز قد أتيحت مؤخرًا. يوضح تحليل المصفوفة الدقيقة للجينات المعبر عنها استجابةً للتعرض لبيروكسيد الهيدروجين أن Sinorhizobium meliloti الجين smc01944، الذي يشفر كلوروبيروكسيديز لا هيم ، يتم تحريضه بشدة تحت الإجهاد التأكسدي (Barloy-Hubler وآخرون., 2004 ). Sinorhizobium meliloti هي بكتيريا تربة تشكل علاقة تكافلية مع النباتات المضيفة عن طريق إصابة جذورها وتشكيل عقيدات جذر مثبتة للنيتروجين. خلال مرحلة الإصابة ، يستجيب النبات بانفجار مؤكسد قوي ينتج عنه أنواع الأكسجين التفاعلية ، وبيروكسيد الهيدروجين بشكل أساسي. يبدو من المحتمل أن تحريض smc01944 هي وسيلة للدفاع ضد المستويات العالية من ROS. كمية smc01944 زاد الرنا المرسال في الدراسة 50 ضعفًا استجابةً لبيروكسيد الهيدروجين ، في حين أن كاتا (ترميز الكاتلاز) زاد بمقدار 10 أضعاف فقط.

على عكس الكاتلاز ، تفرز الخلايا كلوروبيروكسيديز Smc01944 (Barloy-Hubler وآخرون. ، 2004) ، وبالتالي ، يمكن أن تكون فعالة في إزالة السموم ROS داخل الخلايا وفي الوسط الخارجي ، مما قد يفسر المستويات العالية من smc01944 مرنا مقارنة مع كاتا مرنا. ال smc01944 الجين يشفر كلوروبيروكسيداز غير الدم الذي تم العثور عليه أيضًا في ، على سبيل المثال فلورسينس الزائفة.

علاوة على ذلك ، يُعتقد أن القدرة الواسعة على إنتاج المركبات العضوية المبرومة والمعالجة باليود بين الطحالب البنية الكبيرة تلعب دورًا رئيسيًا في إزالة السموم المؤكسدة (La Barre وآخرون، 2006). تحليل علامة التسلسل المعبر عنه (EST) للجينات المعبر عنها في الطحالب البنية لاميناريا ديجيتاتا كشفت أن عائلة من جينات هالوبيروكسيديز المشفرة لفاناديوم بروموبيروكسيديز (فيبو) يتم التعبير عنها بشكل كبير تحت الإجهاد التأكسدي (رويدر) وآخرون، 2005).ومن المثير للاهتمام ، أن عائلة الجينات التي لم يتم تحديدها سابقًا تم تحفيزها بشكل خاص في خلايا البروتوبلاست ، والتي يجب أن تتعامل مع مستويات عالية من ROS السامة أثناء العزلة التجريبية ، مما يشير إلى أن بروتينات فيبو- II تلعب دورًا نشطًا مثل إنزيمات ROS. تحليل EST للطحالب الحمراء غير ذات الصلة ، Chondrus crispus، أنتجت تحريض مماثل لجينات احببو. ينتج إنتاج فيبو أيضًا عن إجهاد النحاس في الطحالب البنية Ectocarpus siliculosus (ريتر وآخرون، 2010). يحفز النحاس إنتاج ROS ، ويبدو كما لو أن BBPO يلعب دورًا مهمًا في إزالة السموم من ROS (Kupper وآخرون. ، 2008 ريتر وآخرون، 2010). طحالب بحرية حمراء ثانية ، جراسيلاريا شانجي، معروف بإنتاجه كل من الفاناديوم كلوروبيروكسيديز (vCPO) و فيبو كاستجابة للإجهاد (تيو وآخرون، 2007) ، بينما تنتج عشب البحر iodoperoxidas (Palmer وآخرون. ، 2005 لوبلان وآخرون، 2006). يبدو أن عشب البحر أيضًا ينتج أكارببو (على سبيل المثال سكارينا جابونيكا) ويزيد الإنتاج خلال الصيف ، ربما كوسيلة للدفاع ضد ROS (Yotsukura وآخرون., 2010 ).

مجتمعة ، تدعم هذه الملاحظات الفرضية القائلة بأن مستويات ROS المرتفعة تحفز التعبير عن الجينات التي تشفر هالوبيروكسيداز ، ويبدو أن الآليات تحدث في العديد من الشعب. لم نتمكن من العثور على أي دراسات تتناول صراحة الأهمية النسبية للآلية المقترحة لإزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية مقارنة بالمسارات المعروفة. ومع ذلك ، كما ذكر أعلاه ، فإن تكوين HOCl بواسطة myeloperoxidase يمثل نسبة عالية من الأكسجين التفاعلي المستهلك في الانفجار التأكسدي في أنظمة الدفاع للثدييات (Klebanoff ، 2005). تتضمن الأدلة الأخرى والأكثر مباشرة ملاحظات أن نشاط هالوبيروكسيديز متزامن مع نشاط ديسموتاز الفائق ، ولكن ليس مع نشاط الكاتلاز ، في الأعشاب البحرية البنية. كورالينا بيلوفيرا. بينما ينتج ديسموتاز الفائق H2ا2، وظائف BPO للقضاء على H.2ا2 وبالتالي يعوض نقص الكاتلاز (أوساوا وآخرون، 2001). مزيد من الأدلة تتكون من الملاحظات التي كاتا المسوخ Sinorhizobium meliloti لا تزال ناجحة في تكوين العقيدات الجذرية ، على الرغم من نقص القدرة على إنتاج الكاتلاز لحماية نفسها من التعرض لـ ROS أثناء تكوين العقيدات الجذرية. السبب المحتمل هو أن إنتاج هالوبيروكسيديز يتعزز بقوة استجابة لتركيزات ROS المرتفعة (Barloy-Hubler وآخرون., 2004 ).

ثالثا. هل يمكن تمديد الآلية للدفاع ضد ROS خارج الخلية؟

تستند معظم الدراسات التي أجريت على الكلوروبيروكسيديز إلى إنزيمات معزولة من خلايا سليمة ، والأدبيات الخاصة بدراسات المستويات الخلوية الإضافية محدودة. ومع ذلك ، من المعروف أن الكائنات الحية من ثلاثة أصناف مختلفة على الأقل تنتج هالوبيروكسيديز التي تفرز وتظل نشطة في الوسط خارج الخلية. بالفعل في عام 1940 ، أظهر Clutterbuck وزملاؤه (1940) أن قوالب النباتات مثل Caldariomyces fumago تفرز مستويات عالية من إنزيم الكلور. تم التأكيد لاحقًا على أن الإنزيم عبارة عن كلوروبيروكسيديز (Conesa وآخرون، 2001). الفطريات البحرية Curvularia inaequalis تفرز كلوروبيروكسيديز الفاناديوم في الوسط الخلوي الإضافي أثناء طور اليود للنمو ، وقد تم إثبات هذه الظاهرة أيضًا للعديد من الفطريات غير المسببة للأمراض النباتية (بارنيت وآخرون. ، 1997 أورتيز بيرموديز وآخرون. ، 2007). هالوبيروكسيداز smc01944 ، والذي يتم إنتاجه استجابة لـ H.2ا2 الإجهاد من قبل Sinorhizobium meliloti، يفرز أيضًا (Barloy-Hubler وآخرون، 2004). الطحالب البحرية هي النوع الثالث المعروف لإنتاج وإطلاق هالوبيروكسيدات إلى الوسط الخارجي (Roeder وآخرون، 2005). لذلك ، قد تكون القدرة على إخراج هالوبيروكسيداز سمة شائعة إلى حد ما ، على الرغم من أن هذا لا يزال قيد التحقيق.

هل من المعقول الاعتقاد بأن الآلية المقترحة مناسبة مقارنة بالمسارات المعروفة لإزالة سموم أنواع الأكسجين التفاعلية؟

لم نتمكن من العثور على أي دراسات تتناول صراحة هذه الفرضية. ومع ذلك ، على الرغم من عدم وجود دليل مباشر بشأن أهمية الآلية المقترحة لإزالة سموم أنواع الأكسجين التفاعلية ، إلا أن هناك العديد من المؤشرات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، يمكن تخصيص نسبة عالية من الأكسجين التفاعلي المستهلك في الانفجار التأكسدي في أنظمة دفاع الثدييات لنشاط الميلوبيروكسيديز (Klebanoff ، 2005). علاوة على ذلك ، نشاط ديسموتاز الفائق في الأعشاب البحرية البنية كورالينا بيلوفيرا يتزامن مع نشاط هالوبيروكسيداز ، ولكن ليس مع نشاط الكاتلاز ، مما يشير إلى أن H2ا2 التي ينتجها ديسموتاز الفائق تتم إزالته بواسطة هالوبيروكسيداز (في هذه الحالة BPO) بدلاً من الكاتلاز (Ohsawa وآخرون، 2001). تجد الفرضية أيضًا دعمًا في الملاحظات المذكورة أعلاه كاتا المسوخ Sinorhizobium meliloti قادرة على التعامل مع ROS وتشكيل العقيدات الجذرية بنجاح. يحدث هذا مع إنتاج هالوبيروكسيديز محسن بقوة ، على الرغم من أن العلاقة السببية لا تزال قائمة (Barloy-Hubler وآخرون., 2004 ).


علم بسيط: كيف تنظف الإنزيمات في العالم؟

عندما تسمع الكلمة بكتيريا يمكنه بسهولة التقاط صور للمرض أو الخطر. لكن توجد سلالات من البكتيريا مفيدة لصحة الإنسان ومفيدة في التنظيف. المنظفات "الأنزيمية الحيوية" - التي تعتمد على البكتيريا والإنزيم - يمكن أن تكون مزيلات التربة والروائح آمنة وفعالة ، خاصة للأنواع العضوية من التربة. لكن كيف تنظف الإنزيمات في العالم؟

البكتيريا والإنزيمات & # 8230 أفضل معًا

لفهم المنتجات الأنزيمية الحيوية بشكل أفضل ، سيكون من المفيد بعض العلوم البسيطة حول كيفية عمل البكتيريا والإنزيمات جنبًا إلى جنب للتنظيف. كما قد تتذكر من فصل العلوم ، فإن البكتيريا هي كائنات دقيقة موجودة في معظم موائل الأرض ، بما في ذلك التربة والمياه وجزيئات الغبار - حتى معدة الإنسان. هناك نوعان من البكتيريا: البكتيريا المسببة للأمراض (الضارة) و & # 8220 جيدة & # 8221 البكتيريا ، مثل البروبيوتيك التي تساعد على الهضم والمناعة.

خلافا للاعتقاد الشائع ، فإن الإنزيمات ليست حية. يتم إنتاجها بواسطة البكتيريا الحية وتمهد الطريق لها للعمل. تعمل الإنزيمات كأدوات مفيدة تحفز (تسرع) التفاعلات الكيميائية بين البكتيريا والتربة ، مما يجعل البكتيريا أكثر كفاءة. تعمل الإنزيمات على تفكيك جزيئات النفايات المعقدة إلى أجزاء أصغر يمكن للبكتيريا أن تستهلكها بسهولة أكبر. هذه الجسيمات الأصغر - النفايات العضوية ، والبول ، والشحوم ، والبقع - تصبح "طعامًا" للبكتيريا لهضمها وتنقسم إلى مركبين أساسيين - ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O).

يمكن تصنيف الإنزيمات النموذجية إلى أربع مجموعات رئيسية ، بناءً على أنواع التربة التي تتفاعل معها.

  • البروتياز تكسير التربة القائمة على البروتين بما في ذلك الدم والبول والغذاء والبراز والنبيذ والمشروبات الأخرى.
  • ليباز تكسير جزيئات الدهون مثل الزيوت والشحوم.
  • الأميليز يحلل جزيئات النشا مثل البيض والسكريات والصلصات والآيس كريم والمرق.
  • سيليولاز تستخدم لتنعيم النسيج واستعادة لون الألياف المكونة من مادة السليلوز. كما أنها تزيل التربة الجسيمية وتقلل من شيب النسيج وتكوّنه.

يختلف كل نوع من الإنزيمات وسيحفز نوعًا واحدًا فقط من التفاعل (يُعرف بآلية "القفل والمفتاح"). وهي خاصة للغاية بنوع السطح أو المادة التي يمكنها العمل عليها ولا تنشط إلا عندما تكون الظروف صحيحة.

سحر المنظفات الأنزيمية الحيوية

منتجات التنظيف البيولوجي عبارة عن حلول حية مُصاغة باستخدام سلالات من البكتيريا الطبيعية الآمنة جنبًا إلى جنب مع إنزيمات مختارة خصيصًا. تعمل كل من البكتيريا والإنزيمات معًا للتنظيف ، معتمدين على بعضها البعض لإنجاز المهمة. عند وضعها على الأسطح ، تتحلل التربة والبقع والروائح الكريهة بواسطة الإنزيمات ، ثم تستهلكها البكتيريا. طالما أن التربة موجودة والأسطح رطبة بدرجة كافية ، تتكاثر هذه "المنظفات" المجهرية ، وتستمر في إزالة آثار الأوساخ والرائحة من الأسطح بعد ساعات أو حتى أيام من التطبيق الأولي.

الانزيمات تذهب منفردا

يمكن أيضًا استخدام الإنزيمات بدون بكتيريا في بعض منتجات التنظيف (على الرغم من حصادها في البداية من البكتيريا). تعمل الإنزيمات الموجودة في منظفات الغسيل ، على سبيل المثال ، على تحفيز التفاعلات الكيميائية للمكونات الأخرى في المنظفات. في مياه الغسيل ، يساعدون في تكسير التربة بحيث يمكن للماء أن يغسلها بسهولة أكبر.

الحصول على أكبر تأثير من المنظفات الأنزيمية الحيوية

عند استخدام المنظفات الأنزيمية الحيوية في منشأتك ، من المهم تحديد المنتج المناسب لنوع التربة التي تقوم بتنظيفها. تعمل التركيبات الأنزيمية الحيوية بشكل خاص مع تطبيقات التنظيف الأربعة التالية:

يمكن لعملية التنظيف الطبيعية للمنتجات الأنزيمية الحيوية أن تجعلها طريقة أكثر أمانًا ولطفًا للحفاظ على تدفق الأنابيب بحرية. يعتبر Bactizyme Drain Cleaner / Maintainer خيارًا طبيعيًا للحفاظ على المصارف والفخاخ ، والعمل على تكسير المواد العضوية مثل الشحوم والدهون والحثالة التي يمكن أن تسد السباكة وتسبب الروائح.

عند استخدامه كجزء من برنامج الصيانة الدورية ، فإن التركيبة المحددة لمزيل Nyco's Arrest Uric Acid Eliminator تهاجم البقع ورائحة حمض اليوريك من أسطح الحمامات بما في ذلك الشقوق التي يصعب الوصول إليها ومناطق الحشو. تعني فعاليته المتبقية أنه يعمل لفترة طويلة بعد التطبيق للحفاظ على المناطق المرورية برائحة منعشة ونظيفة لأيام.

غالبًا ما تصنع المنتجات الأنزيمية لتطبيقات تنظيف السجاد حيث يمكنها اختراق الأسطح الناعمة دون تغيير لونها. يساعد الأس الهيدروجيني شبه المحايد على ضمان عدم إتلاف هذه المنظفات للأسطح.

بشكل عام آمن لمعظم الأقمشة ، ستتم إضافة إنزيمات مختلفة إلى منظفات الغسيل بهدف إزالة بقع معينة. بقع الدم ، والمرق ، والأطعمة الدهنية ، ومستحضرات التجميل الدهنية هي أهداف سهلة للإنزيمات للتخلص منها.

اتبع الإرشادات دائمًا

تتمتع المنتجات الأنزيمية الحيوية بفترة صلاحية (عادة ما تكون من عام إلى عامين) ، لذا ضع في اعتبارك تواريخ انتهاء الصلاحية. قد تؤدي درجات الحرارة الشديدة إلى فقدانهم فعاليتهم. أيضًا ، لا تستخدم مطلقًا المطهرات أو المنتجات التي تحتوي على درجة حموضة عالية على نفس السطح ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحييد نشاط الإنزيم وتقليل قدرتها على التنظيف.

المنظفات الأنزيمية الحيوية هي خيار عالي الأداء لتضمينها في ترسانة التنظيف الخاصة بك لأنواع معينة من الأسطح والتربة. لتنظيف التطبيقات مثل الحمامات والمصارف والروائح الكريهة ، دع هذه الكائنات الدقيقة تقوم بالأعمال القذرة في منشأتك.

مفردات انزيم العلوم البسيطة

• الأميليز - نوع الإنزيم الذي يكسر جزيئات النشا.

• بكتيريا - كائنات مجهرية وحيدة الخلية يمكن العثور عليها في كل مكان. يمكن أن تكون خطيرة أو مفيدة.

• المنظف الأنزيمي الحيوي - تركيبة تعتمد على البكتيريا و / أو تعتمد على الإنزيم.

• حفز - اسرع.

• سليولاز - نوع الإنزيم الذي يتفاعل مع مادة السليلوز.

• إنزيم - بروتين تفرزه البكتيريا وتستخدم لتسريع التفاعلات الكيميائية.

• الليباز - نوع من الإنزيم الذي يكسر جزيئات الدهون.

• البروتياز - نوع الإنزيم الذي يتفاعل مع التربة القائمة على البروتين.


نتائج ومناقشة

تطور هيم كاتالاز أحادي الوظيفة

توجد سجلات يمكن الوصول إليها لأكثر من 260 سلسلة من الكاتالازات أحادية الوظيفة (الجدول 1) ، معظمها في شكل cDNA. تمت مناقشة العلاقات التطورية لمجموعات فرعية من هذه الإنزيمات في الماضي (Mayfield and Duvall 1996 Klotz، Klassen، and Loewen 1997 Scandalios، Guan، and Polidoros 1997 Frugoli et al.1998 Kim، Sha، and Mayfield 2000 Loewen، Klotz، and Hassett 2000) ، ومن المحتمل أن تكون الاختلافات في الاستنتاج بسبب القيود في حجم العينة. على سبيل المثال ، تم اقتراح النقل الجانبي المتكرر لجينات الكاتلاز بين مضيفات حقيقية النواة والبكتيريا (Mayfield and Duvall 1996 Kim ، Sha ، و Mayfield 2000) باستخدام مجموعات فرعية مختارة من الإنزيمات ليست كبيرة بما يكفي للكشف عن تثلث شجرة النشوء والتطور. وبالمثل ، فإن تطور الكاتالازات النباتية عن طريق فقدان الإنترون من جين كاتاليز أسلاف حقيقي النواة غني بالداخل (Frugoli et al. 1998) قد تم اقتراحه باستخدام الكاتالازات النباتية فقط ، والتي لم تسمح بتحديد قطبية العملية. على النقيض من ذلك ، فإن المناقشة التالية لتطور عائلة جينات الكاتلاز أحادية الوظيفة تستند إلى تحليل شامل لجميع متواليات جينات وبروتين الكاتلاز المتاحة ، وهو رقم تضاعف أكثر من ثلاثة أضعاف منذ مراجعتنا الأخيرة (Klotz ، Klassen ، Loewen 1997) .

أسفرت أشجار النشوء والتطور التي تم إنشاؤها عن طريق ربط الجوار عن بعد (Phylip 3.5) أو MP (PAUP *) عن أشجار متطابقة تقريبًا ، مما يدل على أن عائلة جينات الكاتلاز أحادية الوظيفة تنقسم إلى ثلاثة أجزاء (الشكل 1). بينما يحتوي الكليد 1 و 3 على متواليات كاتلاز ذات وحدة فرعية صغيرة ، يحتوي الكليد 2 حصريًا على متواليات كاتلاز ذات وحدة فرعية كبيرة. يشير نمط التفرع المرصود إلى تطور سلالات التسلسل الثلاثة بعد ازدواجين من الجينات على الأقل (Klotz و Klassen و Loewen 1997 Loewen و Klotz و Hassett 2000). تم العثور على الكاتالاز في كل من إمبراطوريتي الحياة ، Prokaryota و Eukaryota (Mayr 1998 Cavalier-Smith 2002ب) ، ولكن وفرتها وتنوعها في بعض الأصناف محدودة. في Eukaryota ، توجد الكاتالازات في جميع الأصناف الرئيسية ، Protista و Animalia و Fungi و Planta ، ولكن بشكل عام ، لا تتجمع الكاتالازات وفقًا لعلاقات النشوء والتطور القائمة على الأنواع القائمة على النوع ssu-rRNA (Olsen و Woese و Overbeek 1994). على سبيل المثال ، تحتوي جميع مجموعات الكاتلاز الثلاثة على إنزيمات بكتيرية ، ويظهر تحليل الكتل الفردية أن كل كليد يحتوي على قاعدة من التسلسلات البكتيرية التي تتفرع إلى فرع بكتيري وفرع حقيقي النواة (الشكل 1).

في البكتيريا ذات جينات الكاتلاز المتعددة ، عادة ما تتجمع الإنزيمات (باستثناء بعض الكتالازات الصغيرة) في مجموعات مختلفة (كلوتز ، كلاسين ، ولووين 1997 Loewen ، Klotz ، و Hassett 2000). هذا يختلف اختلافًا جوهريًا عن حالة الكاتلاز في الحيوانات والنباتات. يبدو أن الحيوانات العليا لديها جين كاتلاز واحد من النوع الثالث. في الحيوانات الدنيا ذات جينات الكاتلاز المتعددة (على سبيل المثال ، أنواع معينة انيقة) ، مجموعة الجينات الفرعية بإحكام في الفرع ومن المحتمل أن تكون قد نشأت عن طريق تكرار أولي لجين واحد من نوع الكتلاز من النوع 3 ، وبعد ذلك تطور كل موقع بشكل مستقل. الدودة أونكوسيركا لا يحتوي على جين كاتلاز وظيفي على الإطلاق ، وقد يستخدم الكاتلاز الموجود في التعايش الداخلي للبكتيريا ألفا (Henkle-Dührsen et al.1998) لتحلل بيروكسيد الهيدروجين.

جميع محفزات الطحالب / النبات تتواجد في كلايد 1 مع مجموعة فرعية من كتالازات الوحدة الفرعية الصغيرة من Posibacteria و Negibacteria. من المحتمل أن تكون جينات الكاتلاز المتعددة في جينوم النبات قد نشأت عن طريق تكرار أولي لجين الكاتلاز من النوع الأول. تحتوي جينومات النبات على فصائل فرعية صغيرة من جينات الكاتلاز تصل إلى أربعة جينات عضو ، وقد تم تحليل علاقاتها المتعلقة بالتطور الوراثي (Frugoli et al. 1996 Guan and Scandalios 1996) وتركيبات الجينات (Frugoli et al. 1996) مؤخرًا. يمكن أن تتجمع نواتج التعبير عن هذه الجينات إلى مختلف أنواع مختلفة من الإيزوزيمات الرباعية ، ويسمح تنظيم ذلك بتركيب الكاتالازات الخاصة بالأعضاء (Frugoli et al.1998). لم يتم العثور على الكاتالازات من النوع Clade 1 في الحيوانات أو الفطريات. تحتوي الفطريات عمومًا على جينات الكاتلاز المتعددة لكل جينوم. بعض الفطريات تعبر عن الكاتلازات التي تتجمع في كليد واحد (إما كليد 2 أو كليد 3) ، والبعض الآخر يظهر توزيع الكاتالازات في كل من كلايد 2 وكليد 3. جميع مجموعات النشوء والتطور باستثناء النباتات. عادة ما تكون الكاتالازات من النوع 3 من النوع حقيقيات النوى عبارة عن بيروكسيسومال.

لتحسين التجمعات النسبية للكتالازات حقيقية النواة ، تم تحليل عدد ومواقع الإنترونات في كل جين كما هو موصوف سابقًا (جونسون وآخرون ، 2002) ، واستخدمت النتائج لبناء شجرة نسالة استنتاج الحد الأقصى من البخل (الشكل 2). في حين أن مجموعة من النباتات (كليد 1) وكتالازات حيوانية (كليد 3) في شجرة intron تشير إلى وجود سلالات intron ذات جذر واحد ، فإن سلالات intron المتعددة تكون واضحة للبروتوزوان (clade 3) والفطريات (clades 2 و 3) جينات الكاتلاز. تفتقر جينات الكاتلاز بدائية النواة بشكل طبيعي إلى الإنترونات.

يجب أن تحاول المناقشة التطورية لعائلة الجينات تحديد جين الأسلاف ووضع التطور الجزيئي للإنزيم في منظور. جميع الفرضيات التي نوقشت حاليًا (Martin and Müller 1998 Mayr 1998 Embley and Martin 1998 Müller and Martin 1999 Rotte et al.2000 Henze and Martin 2001 Bansal and Meyer 2002 Cavalier-Smith 2002أ, 2002ب Hartman and Fedorov 2002) متوافقان مع الأصل البكتيري لعائلة جينات الكاتلاز أحادية الوظيفة (حسب الشكل 1). من أجل هذا الاتصال ، قمنا بتعيين إقامة الكاتلاز على شجرة مركبة (الشكل 3) تم إنشاؤها بشكل تخطيطي من خلال تكامل العديد من أشجار الحياة العالمية التي تم نشرها مؤخرًا (Gupta 1998 Cavalier-Smith 2002أ, 2002ب وولف وآخرون. 2002).

كاتالازات أحادية الوظيفة بدائية النواة

بشكل عام ، جميع الكاتالازات المحتوية على الهيم أحادية الوظيفة متشابهة بشكل كبير في التسلسل وهي متجانسة حقيقية كنتيجة لتطور متباين. أولاً ، سنناقش تطور الكاتلاز في البكتيريا. تحتوي بعض البكتيريا سالبة الجرام وإيجابية الجرام (تسمى هنا Negibacteria و Posibacteria ، على التوالي) على جينات الكاتلاز الوظيفية من جميع الكتل الثلاثة (الجدول 1) ، والتي يمكن تفسيرها كدليل على أن أحداث تكرار جينات الكاتلاز حدثت في وقت مبكر في البكتيريا بعد تطورها من cenancestor ، Woesean progenote (Olsen ، Woese ، و Overbeek 1994) ، حوالي 3500 سنة قبل الميلاد وقبل ترسيم "البكتيريا السكرية" (Cavalier-Smith 2002أ) حوالي 2500 سنة (شكل 3). ومع ذلك ، فإن نظرة فاحصة تشير إلى أنه تم "اختراع" الكاتالاز من النوع 3 في وقت لاحق (انظر أدناه). إن جين الكاتلاز أحادي الوظيفة النموذجي هو على الأرجح جين كاتلاز من النوع 2 ذو وحدة فرعية كبيرة. الكاتالازات ذات الوحدة الفرعية الكبيرة هي عبارة عن رباعيات ذات ثبات ملحوظ تظل وظيفية بعد التعرض لدرجات حرارة شديدة وبيئات الأس الهيدروجيني (Switala و O'Neil و Loewen 1999). ليس من المستغرب أن تم تحديد جينات الكاتلاز من النوع 2 من النوع clade في الأنواع الموجودة من البكتيريا Eobacteria (Cavalier-Smith 2002)أ) مثل Deiniococcus radiodurans، وقد تطورت بشكل متشعب في الانقسامات التطورية الأصغر للبكتيريا السالبة "للبكتيريا السكرية" وفي البكتيريا (الشكل 3). يستند هذا الاستنتاج أيضًا إلى اقتراح أن جينوم D. radiodurans تعرض لعدد قليل بشكل غير عادي من أحداث نقل الجينات الأفقي عند مقارنته بجينومات بدائية النواة أخرى (Makarova et al. 2001 White et al. 1999). وفقًا لمعظم سلالات الأشجار العالمية ، فإن البكتيريا الزرقاء والبكتيريا أحادية البكتريا هي مجموعات شقيقة شقيقة. جينات Clade 2 من النوع الكاتلاز غائبة عن البكتيريا الزرقاء (الجدول 1 والتين.1) ، وبالتالي يبدو أن البكتيريا الزرقاء فقدت جين الكاتلاز من النوع 2 clade أثناء ظهورها من السلف المشترك للبكتيريا الزرقاء والبكتيريا Posibacteria ، بينما احتفظت Posibacteria بالجين (الشكل 3). التفسير المعقول لهذا الفقد الجيني هو أن البكتيريا الزرقاء المائية عادة تعيش في موائل أكثر استقرارًا فيما يتعلق بالإجهاد البيئي من البكتيريا التي تنتقل عن طريق التربة. بالإضافة إلى ذلك ، زاد مكمل بيروكسيد الهيدروجين الإنزيمات المهينة في "البكتيريا السكرية" مع ظهور الكاتالازات غير المرتبطة بالهيم (Mn) (انظر الشكل 3 وما بعده). كما هو واضح من الجدول 1 والشكل 1 ، تم الاحتفاظ بجينات الكاتلاز من النوع 2 من النوع ذي الوحدة الفرعية الكبيرة بواسطة الأجناس البيئية الوفيرة في كلا التقسيمين الفرعيين للبكتيريا Posibacteria (على سبيل المثال ، عصية, ستربتوميسيس، و المتفطرة) ، في حين أن معظم الأجناس المرتبطة بالمضيف (على سبيل المثال ، المكورات العنقودية و الليستريا) فقد الجين عن طريق اقتصاديات الجينوم على الأرجح بسبب تقليل الضغوط البيئية. تطورت جينات الكاتلاز من النوع 2 من Clade أيضًا بشكل شامل في الفرع الآخر من "البكتيريا السكرية" سالبة البكتيريا ، كممثلين عن البكتيريا السفينغوباكترية (سيتوفاجا) و Proteobacteria (على سبيل المثال ، pseudomonads و Enterobacteria) تأوي الجين (الجدول 1 والتين. 1 و 3). يشير تفسير النمط المتفرّع في الكليد 2 (الشكل 1) إلى أن السلالة البكتيرية تطورت بشكل مستقل عن سلالة "الجليكوبكتيرية" ، والتي يبدو أنها مبنية على سلالات فرعية α- بكتيرية و β /-بروتينية (الشكل 1 والجدول 1) ). لا توجد الكاتالازات من النوع Clade 2 من Spirochaetea الخالية من الكاتلاز عادة (انظر أدناه للحصول على استثناء) ، والبكتيريا Planktobacteria ، و δ-Proteobacteria و-Proteobacteria. هذا ليس مفاجئًا ، لأن معظم هذه البكتيريا مرتبطة بالمضيف وقد عانت من خسائر جينية كبيرة في تطورها (Cavalier-Smith 2002أ). التحديد الأخير لجين الكاتلاز من النوع 2 clade في جينوم Euryarchaebacterium ميثانوسارسينا مازي كان مفاجئًا للغاية ، ويشكل أول اكتشاف لجين كاتاليز الوحدة الفرعية بدائية النواة خارج البكتيريا Eubacteria (Deppenmeier et al.2.2002). يرتبط تسلسلها ارتباطًا وثيقًا بتسلسل إنزيمات الوحدة الفرعية الكبيرة من العصيات (الشكل 1) ، كما أن الوفرة العالية والتوزيع الواسع للعصيات التي تتداخل مع تلك الموجودة في الميثانوجينات تجعل اكتساب هذا النوع من جين الكاتلاز من النوع 2 م. مازي من العصيات على الأرجح.

بعد فترة وجيزة من ظهور الكاتلاسات من النوع 2 من النوع clade ، أدى حدث ازدواج الجينات المصحوب بخسائر في التسلسل في كل من النهايتين 5 ′ و 3 إلى ترميز الجين السلفي للكتالازات الصغيرة. يتم دعم سيناريو "فقدان التسلسل عند التكرار" من خلال البيانات التجريبية الحديثة حيث تم العثور على الكاتلاز من النوع 2 من النوع N-terminal و C- المهضوم نهائيًا للاحتفاظ بنشاط الكاتلاز (Loewen ، قيد التحضير). من المحتمل أن يكون أول جين الكاتلاز ذو الوحدة الفرعية الصغيرة عبارة عن جين من النوع 1 clade ، كما هو موجود في Eobacteria حيث لم يتم بعد العثور على جين من النوع 3 clade (الشكل 3). علاوة على ذلك ، فإن اتجاه الهيم في الكاتالاز من النوع 2-clade و clade 1-type متطابق ولكنه يختلف بمقدار 180 درجة في الكتالاز من النوع 3-clade (Carpena et al. 2002). بالإضافة إلى ذلك ، فإن المسافة التطورية بين الكتل 2 و 1 على شجرة النشوء والتطور تكون دائمًا أقصر من المسافة بين الكليد 3 وإما أحد الكليد 1 أو الكليد 2 (الشكل 1) ، بغض النظر عن طريقة الاستدلال. تخبرنا الشجرة الموجودة في الشكل 1 أيضًا أن جين الكاتلاز من النوع الأول ذو الكليد قد تطور بشكل أكبر بشكل متماثل وتقويمي في سلالات أصغر تطوريًا من البكتريا السلبية والبكتيريا البوزيبية. ومن المثير للاهتمام ، كما في حالة الكاتالازات من النوع 2 من النوع clade ، أن جينات الكاتلاز من النوع 1 من النوع Clade من Posibacteria أكثر تشابهًا في التسلسل مع الجين eobacterial الموجود في دينوكوكس من جينات النوع 1 سالبة البكتيريا (التين 1 و 3).

جينات Clade 3 من النوع الكاتلاز غائبة عن الممثلين المعاصرين للمجموعات التصنيفية القديمة نسبيًا وهي وفيرة فقط في Posibacteria و Proteobacteria و Eukaryota (الشكل 3 والجدول 1). إذا كانت جينات الكليد 3 من النوع الكاتلاز قديمة مثل العضوين الآخرين من عائلة الجينات ، فلا بد أن الجين قد فقد بشكل كبير في كل هذه الأصناف المتطورة بشكل متباين بعد ظهور البكتريا والمتقلبات. على الرغم من أن ندرة الآثار الجزيئية (الجينات الخادعة) في الجينوم البكتيري بعد فقدان الجينات يمكن تفسيرها نظريًا (Lawrence، Hendrix، and Casjens 2001) ، فإن فقدان الجينات المتزامن الضخم الانتقائي في بعض الأصناف ولكن ليس في الأنواع الأخرى أمر مستبعد جدًا. نحن نتسبب بدلاً من ذلك ، في أن جين الكاتلاز من النوع 3 صغير الوحدة من المحتمل أن يكون قد تطور أخيرًا من خلال حدث مضاعف جيني ثانٍ إما في Posibacteria أو Proteobacteria ثم تم اكتسابه أفقيًا من قبل الصنف الآخر وعدد قليل من الأنواع في الأصناف البكتيرية الأخرى ( انظر أدناه). نقترح أن جين الكاتلاز من النوع الثالث قد تطور في Posibacteria. يُستنتج هذا من النمط المتفرّع في الشكل 1 لأن المتواليات البكتيرية تتجمع بالقرب من جذر الكليد ، وتشكل مجموعتين فرعيتين ، أحدهما حصريًا أكتينوبكتيريا والآخر عبارة عن مزيج من المتواليات الشعاعية والبكتيريا الداخلية. تحتوي الفئة الفرعية الأخيرة في الغالب على جينات الكاتلاز البكتيرية ، والتي تتجمع في سلالات α- بروتيوبكتيرية و β /-بروتيوبكتيرية. ومن ثم فإننا نقترح أن (أ) تم اكتساب جين (جينات) الكاتلاز 3 من النوع البكتيرية بشكل جانبي بواسطة البكتيريا المتقلبة. تم الاحتفاظ بجين الكاتلاز المكتسب جانبياً هذا بالإضافة إلى أنواع أخرى من جينات الكاتلاز في الأجناس البيئية مثل الزائفة, رالستونيا، و ريزوبيوم، في حين أن الأجناس المرتبطة بالمضيف الحيواني مثل النيسرية, البروسيلا، و بورديتيلا احتفظت بهذا الجين على حساب جميع أنواع جينات الكاتلاز الأخرى. ومن المثير للاهتمام ، أن الحيوانات المضيفة تحتوي أيضًا على كاتلاسات من النوع الثالث ، مما يشير إلى أن ضغوط الاختيار الفسيولوجية المماثلة أدت إلى اختيار نفس الإنزيم في كل من الطفيلي والمضيف. المجموعات الفرعية للبكتيريا البروتينية في الفرع 3 (الشكل 1) "مسننة" مع "استثناءات" تصنيفية: جين sphingobacterial (باكتيرويدس) ، وهو جين بلانكتوباكتيري (بيريلولا) ، جين حلزوني الشكل (ليبتوسبيرا) ، وهو جين البكتيريا الزرقاء (نوستوك) ، والجين الجرثومي (ميثانوسارسينا مازي). ال باكتيرويدس و ميثانوسارسينا و نوستوك و بيروليلا تتجمع الكاتلاز معًا بشكل وثيق على شجرة النشوء والتطور (الشكل 1) ، على الرغم من أن الكائنات الحية مترابطة إلى حد ما (الشكل 3). تم عزل جين كاتلاز من النوع 3 clade مؤخرًا من اللولبية ليبتوسبيرا interrogans (رقم انضمام GenBank AE011360). بالإضافة إلى تجميعها الوثيق مع كاتاليز من النوع 3 من نوع clade من pseudomonads و Wolbachia على شجرة النشوء والتطور (الشكل 1) ، فإن ليبتوسبيرا يوجد جين الكاتلاز أيضًا في ترتيب ترادفي مع ankyrin كما هو موجود في العديد من catalases pseudomonad (Ma et al. 1999). وهكذا ، من المحتمل أن تكون جينات الكاتلاز من النوع الثالث قد وصلت إلى الخلايا المضيفة الخاصة بها عن طريق النقل الجانبي ، حيث أنها تشترك في الموائل مع العديد من أبناء العمومة البكتيرية المتبرعين بالجينات المحتملين. الممثلون الموجودون من Spirochaetae ، و Planctobacteria ، و Sphingobacteria ، و Cyanobacteria يفتقرون بخلاف ذلك إلى جينات الكاتلاز من النوع 3 من النوع clade ، والجينات الأخرى المكتشفة من النوع 3 catalase في Euryarcheota بعيدة جدًا عن ميثانوسارسينا مازي الجين على الشجرة لاقتراح سلف مشترك مباشر لجميع الجينات الثلاثة للبكتيريا البدائية (الشكل 1). ومن ثم ، فمن المحتمل أن جينات الكاتلاز من النوع 3 من النوع clade قد تم نقلها أفقياً في عدة أحداث بين بكتيريا Eubacteria ومرة ​​واحدة على الأقل بين Eubacteria و euryarchaebacterium ميثانوسارسينا مازي. يبدو أن الكائن الحي الأخير قد اكتسب كلاً من جينات الكاتلاز أفقياً من مانحين مختلفين: جين الكاتلاز من النوع 2 من العصيات وجين الكاتلاز من النوع الأول من متبرع بروتيوبكتيري (الشكل 1). تم تناول نقل الجينات الأفقي مؤخرًا باعتباره حدثًا هامًا وتطوريًا واسع النطاق بين البكتيريا (على سبيل المثال ، Doolittle 1999 Ochman و Lawrence و Groisman 2000 Nesbø et al. 2001 Gogarten و Doolittle و Lawrence 2002).

تمثل التكرارات الثلاثة الأخرى الموثقة للكتلاز من النوع 3 من النوع Clade في Euryarcheota (Methanobacteriales and Methanosarcinales [الشكلان 1 و 3]) تطورًا جزيئيًا رأسيًا محتملًا من نوع الكتلاز المتفطري / العقدية الحلقية 3 من النوع الكتاليز في الحالة الانتقالية لمراجعة الهيكل الخارجي (كافاليير سميث 2002أ، انظر الشكل. 3 وما دون). إعادة فحص دقيق لبيانات التسلسل بواسطة ميثانوسارسينا أسيتيفورانأكد موظفو مشروع الجينوم ([email protected]) حدوث طفرة تحول في الإطار على الفور في اتجاه مجرى النهر في المنطقة المحفزة. التسلسل الذي تم تصحيحه من قبلنا لهذه الطفرة والمضمن في التحليل (الشكل 1) يمثل بالتالي منتج التعبير الافتراضي لجين كاذب. نحن نفترض أن حدوث طفرات وظيفية متشابهة حدثت أيضًا في ميثانوجينات أخرى تم محو آثارها الجزيئية (Lawrence و Hendrix و Casjens 2001). من المحتمل أن تكون جميع سلالات crenarchaeal و euryarchaeal من "سلف الهيكل العظمي الجديد" قد فقدت جينات الكاتلاز من بين العديد من الجينات الأخرى في وقت مبكر من عملية التكيف مع البيئات القاسية (الحمضية ، ودرجة الحرارة المرتفعة ، وما إلى ذلك) والاقتصاد الجيني المستمر (Cavalier-Smith 2002أ والمراجع فيه).

كاتالازات أحادية الوظيفة حقيقية النواة

لا يوجد سوى عدد قليل من التقارير حول LGT من البكتيريا إلى حقيقيات النوى. تم الاشتباه في نقل بعض الجينات نتيجة اكتساب الخلايا حقيقية النواة لتعايش جواني ، وتم الإبلاغ عن عدد قليل من الجينات الأخرى بين البكتيريا والأوليات (Andersson and Roger 2002 Nixon et al.2.2002 والمراجع الواردة فيها). من المحتمل أن تكون الخلايا حقيقية النواة والبكتيريا الأثرية قد اكتسبت جينات الكاتلاز من بكتيريا eubacteria عموديًا وجانبيًا بعد أن تطورت الأنواع الثلاثة من جينات الكاتلاز كما هو موضح أعلاه ، وسنناقش فيما يلي كيف اكتسبتها حقيقيات النوى. سيكون من المفيد في هذه المناقشة النظر أيضًا في الأدوار الفسيولوجية للكتالازات الفردية في الكائنات المضيفة لها والتساؤل عما إذا كانت إنزيمات منزلية أو إنزيمات مستحثة أو مُفرزة تمنح خصائص مفيدة للخلية المضيفة. علاوة على ذلك ، يوفر تحليلنا لمكان الإقامة intron (العدد والموقع) في جينات الكاتلاز حقيقية النواة ، الملخصة في الشكل 2 ، مزيدًا من المعلومات حول توجيه تطور جينات الكاتلاز و- في حالة الاشتباه في النقل الجانبي- كم مرة حدث هذا النقل . على الرغم من أن شجرة النشوء والتطور المستمدة من محاذاة تسلسل بروتين الكاتلاز تكشف عن حدث نقل جانبي واحد على الأقل لجين الكاتلاز من النوع الثالث من البكتيريا إلى الميثانوجينات ، يبدو أن أسلاف الهيكل العظمي الحديث للبكتيريا الأثرية و Eukaryota قد اكتسبوا جين الكاتلاز التدبير المنزلي من أحفاد البكتيريا الشعاعية. يتماشى هذا مع أوجه التشابه العديدة التي تمت مراجعتها مؤخرًا بين وخطوط الانحدار للعديد من الهياكل والوظائف في البكتيريا الشعاعية والبكتيريا الأثرية (Cavalier-Smith 2002أ) وحقيقيات النوى المنخفضة مثل البروتوزوا (Cavalier-Smith 2002ب).

يكاد يكون من المؤكد أن الحصول على جين الكاتلاز من النوع 3 بواسطة الخلايا حقيقية النواة من البكتيريا قد نجح في أحداث تكرار جينات الكاتلاز. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فيجب توقع إقامة جميع الأنواع الثلاثة من الكاتلاز أو البقايا الجزيئية لجينات الترميز في معظم الأصناف حقيقية النواة. بدلاً من ذلك ، تحتوي البروتيستا والحيوان والفطريات الموجبة للكتالاز على كتاليز من النوع الثالث كأنزيم تدبير منزلي ، بينما تفتقر الطحالب والنباتات الحديثة إلى النوع الثالث من الكاتلاز. إنه موثق جيدًا (Cavalier-Smith 2002ب والإشارات الواردة فيه) أن النباتات تطورت من أسلاف بروتيستا غير أسلاف الفطريات والحيوانات. لذلك ، يمكن تفسير عدم وجود الكاتالاز من النوع 3 في النباتات بشكل جيد من خلال حدث فقدان جين واحد في وقت مبكر من السلالة التطورية للطحالب / النبات. تحتوي النباتات والطحالب الحديثة حصريًا على عائلات جينية صغيرة من النوع الأول من الكاتلاز (Frugoli et al. 1996). من المحتمل أن هذه لم تنشأ من أسلاف البكتيريا ألفا التكافلية الداخلية للميتوكوندريا أو أسلاف البكتريا الزرقاء المتعايش ضوئيًا الأكسجين إلى البلاستيدات الخضراء لأن α-Proteobacteria و Cyanobacteria لم تكتسب بشكل كامل جينات clade 1 – type و catalase 3 (الجدول 1). بدلاً من ذلك ، ونظرًا لأن جينات الكاتلاز من النوع الأول من الكليد ليست وفيرة بين البكتيريا الشعاعية (الجدول 1) ، فمن المحتمل أن تكون خلية (خلايا) البروتستان المتوارثة من سلالة الطحالب / النبات قد اكتسبت جين الكاتلاز من النوع الأول مباشرة عبر LTG من البكتيريا الداخلية / البكتيرية. أو متبرع بروتيوبكتيري يحمل أحفاده حديثًا جينات من النوع 1 clade (الشكلان 1 و 3). تدعم السلالة المفردة لمكان الإقامة intron في جينات نبات الكاتلاز (الشكل 2) تفرد فقدان الجين (الجين من النوع 3 من النوع clade) والاكتساب (الجين من النوع clade1) في خلية البروتستان السلفية للطحالب / النبات.

السلالات البروتستية والحيوانية والفطرية من جينات الكاتلاز من النوع 3-clade تحدد من الفروع البكتيرية المنفصلة التي تحتوي على متواليات شعاعية (الشكل 1). ومن ثم ، فمن المعقول أن نقترح أن البروتوزوا والحيوانات والفطريات قد اكتسبت جينات الكاتلاز الخاصة بهم نتيجة للتطور الجزيئي المتشبع من أسلافهم المشتقة من البكتيريا الشعاعية (Cavalier-Smith 2002ب). ومع ذلك ، يتضح أيضًا من الشكل 1 أن جينات الكاتلاز من النوع 3-clade في الطلائعيات والحيوانات والفطريات قد نشأت على الأرجح من أسلاف مختلفة من البروتوزوا. على الرغم من عدم وجود تسلسل الكاتلاز حاليًا من أحد الأوليات الحديثة المتاحة التي تتجمع مع الكتالازات الفطرية من النوع الثالث ، فإن تسلسل الكاتلاز أ من ديكتيوستيليوم المجموعات الفرعية ذات الكاتالازات الجرثومية البدائية ، وتسلسل الكاتلاز أ من التوكسوبلازما مجموعات فرعية مع الكاتالازات الحيوانية. الكليد 3 - نوع الكاتلاز من ديكتيوستيليوم, التوكسوبلازما، وتمثل الحيوانات سلالات مختلفة من تطور الجينات من حيث أنها تشكل سلالات مختلفة لاكتساب الإنترون (الشكل 2). تمثل الكاتلازات من نوع Clade 3 من الفطريات سلالات متعددة من تطور الجينات حقيقية النواة من حيث أنها اكتسبت من واحد إلى ما يصل إلى سبعة إنترونات ، أو أنها تفتقر إلى الإنترونات معًا (الشكل 2).

على النقيض من معظم الكاتالازات من النوع 3 من النوع التدبير المنزلي ، يتم إفراز العديد من الكاتالازات من النوع 2 من النوع Clade في الفطريات و / أو تحفيزها بواسطة الإشارات البيئية (Johnson et al. 2002 Kawasaki et al. 1997). تشير هذه الخصائص إلى أنه تم الحصول على الكاتالاز من النوع 2 من النوع clade كمكملات لأنزيمات التدبير المنزلي ولعب دورًا في ضراوة متلقيها (Kawasaki et al. 1997). توصيف حديث لمكمل الكاتلاز للفطر كبسولات الهستوبلازما قاد جونسون وآخرون. (2002) لاقتراح أن جينات الكاتلاز المعروفة ذات الوحدة الفرعية الكبيرة من النوع 2 في الفطريات قد تم الحصول عليها من البكتيريا عن طريق حدثين مستقلين على الأقل من حدث LGT. كانت متواليات البروتين في سلالتي الكاتلاز ذات الكليد 2 أكثر تشابهًا مع تلك الموجودة في كتالازات الوحدة الفرعية الكبيرة من Posibacteria مثل عصية, المتفطرة، و ستربتوميسيس (الشكل 1) ، وهي وفيرة في موائل التربة الهوائية التي تتداخل مع تلك الموجودة في الفطريات. على الرغم من أن وصف الهستوبلازما يعد تطور الكاتلاز أحد التقارير الأولى عن انتقال الجينات مباشرة من البكتيريا إلى الفطريات ، وقد تم توثيق أدلة على النقل الجانبي للجينات من البكتيريا إلى الفطريات في التجارب المعملية (Sprague 1991 Hayman and Bolen 1993). في هذا السياق ، من المفيد الإشارة إلى أن هناك أيضًا دليلًا على وجود جينات LGT الأخيرة من CPX من البكتيريا إلى الفطريات (انظر أدناه).

تدعم بيانات الشكل 2 فرضيتنا القائلة بأن الكاتالازات من النوع 1 - النوع ، والنوع 2 - والكليد 3 - قد تطورت في حقيقيات النوى عن طريق اكتساب الإنترون. يرتبط عدد الإنترونات في جينات الكاتلاز بالثراء العام لجينوم مضيفها ، وبالتالي فإن غياب الإنترونات في Hemiascomycotina ليس مفاجئًا. العدد الصغير من أحداث فقدان الإنترون مقابل أحداث الكسب (فقد ثلاثة فقط من النبات ، واثنان من الفطريات ، واثنان من إنترونات الكاتلاز الحيواني) يدعم القطبية المقترحة للعملية: غزو الإنترونات في الجينات التي لا تحتوي على intronless. هذا على عكس نموذج فقدان الإنترون (Frugoli 1998) بناءً على تحليل متواليات الكاتلاز النباتية المختارة.

مجتمعة ، نستنتج أن جينات الكاتلاز أحادية الوظيفة هي من أصل بكتيري وأن الجينات من النوع 3 clade قد تطورت بشكل شامل في البكتيريا القديمة والبروتيستا والحيوانية والفطريات. تم الحصول على جينات الكاتلاز أيضًا بشكل جانبي بواسطة Archaebacteria (clade 3) ، والنباتات (clade 1) ، والفطريات (clade 2) أكثر من مرة (LGT المباشر و / أو phagocytosis) ، وقد تطورت بشكل أكبر في حقيقيات النوى بشكل متعامد ومتوازي عن طريق intron اكتساب الجينات الخالية سابقًا من intron. بالإضافة إلى تحليلات المسافة التطورية وإقامة intron ، فإن المعلومات الهيكلية / البلورية الناشئة عن الكاتلاز من جميع الكتل الثلاثة (كاربينا وآخرون 2002) تدعم نموذجًا للتطور المتباين بدلاً من التطور المتقارب لعائلة جينات الكاتلاز أحادية الوظيفة.

تطور ثنائي الوظيفة كاتالاز بيروكسيديز

يتم ترميز CPXs ثنائية الوظيفة بواسطة عائلة ثانية من جينات الكاتلاز التي لا علاقة لها بالتسلسل بالكتالازات أحادية الوظيفة التي تمت مناقشتها أعلاه. في مقال حديث ، قام Faguy and Doolittle (2000) بمحاذاة 19 تسلسلًا لبروتين CPX (تسعة بروتينات ، وخمسة جرثومية ، وثلاثة بكتريا أثرية ، واثنين من متواليات البكتيريا الزرقاء) واستنتجوا من الأشجار المشتقة أن جينات CPX قد تم نقلها جانبًا من البكتيريا القديمة إلى البكتيريا المسببة للأمراض. بعد ذلك بعامين ، وباستبعاد عدد قليل من المتواليات القصيرة التي من المحتمل أن تكون نتيجة لأحداث تكرار الجينات غير المكتملة ، نحسب ما مجموعه 58 تسلسلًا قابلاً للاستخدام: 30 بكتريا بروتيًا ، و 14 جرثوميًا ، وخمسة بكتريا أثرية ، وثلاثة بكتيرية زرقاء ، وواحدة من المتسلسلات البكتيرية. تم الإبلاغ أيضًا عن خمسة متواليات جينية حقيقية النواة CPX من الفطريات pezizomycotinal. الشجرة الناتجة عن محاذاة هذه التتابعات الـ 58 (الشكل 4) أقل قوة بكثير من الأشجار السابقة التي كانت تعتمد على مجموعة أصغر بكثير من التسلسلات المختارة (Klotz، Klassen، and Lowen 1997 Faguy and Doolittle 2000 Loewen، Klotz، and Hassett 2000). تسمح الشجرة الأكثر إجماعًا التي تم الحصول عليها من الاستدلال البايزي لسالة CPX الموضحة في الشكل 4 بالعديد من التفسيرات المختلفة لتطور جينات CPX ، ومع ذلك ، من الواضح أن العديد من عمليات LGT ساهمت في توزيع جينات CPX. تفسير لشجرة النشوء والتطور (شكل.4) بالاقتران مع الشكل 3 يشير إلى أن تطور عائلة الجينات CPX قد حدث على الأرجح في وقت متأخر جدًا عن تلك التي تحتوي على الهيم أحادي الوظيفة التي تمت مناقشتها أعلاه. تجمعات متواليات CPX من ديسلفيتوباكتيريوم (Posibacteria) و Geobacter (البكتيريا الزنجية) شوانيلا, الليجيونيلا، و فيبريو (Proteobacteria) و Cyanobacteria و عصية (Posibacteria) أنواع متنوعات من البكتيريا و بيريلولا (Planctobacteria) و Archaebacteria و Proteobacteria و Archaebacteria تؤكد على تكرار التبادل الجانبي لجينات CPX بين بدائيات النوى. إن مطالبة Faguy and Doolittle (2000) بتوجيه LGT لجينات CPX من البكتريا البدائية إلى Eubacteria المسببة للأمراض لا تتطابق مع أشجار النشوء والتطور التي تم الحصول عليها مع مجموعة البيانات الأكبر (الشكل 4) ، حيث أن "المجموعة المتلقية" المقترحة تحتوي على بكتيريا غير مُمْرِضة في الأجناس. نيتروسوموناس, شوانيلا، و بيريلولا. إن بروتينات CPX الموجودة في الفطريات وظيفية (Johnson et al.2002 Kawasaki and Aguirre 2001) وتتجمع متوالياتهم بشكل وثيق على شجرة النشوء والتطور كمجموعة فرعية من مجموعة أكبر من المتواليات البكتيرية. وبالتالي ، يبدو أنه من الممكن اقتراح حدث اكتساب جانبي واحد حديث لجين CPX بروتيوبكتيري بواسطة سلف Pezizzomycotina.

يوجد CPX حاليًا بكثرة في الأجناس البروتينية ، والتي تمثل اتجاهًا شاملًا للتطور البكتيري (الشكل 3). لذلك ، نقترح أن جين CPX السلفي قد نشأ على الأرجح في بروتيوبكتريوم أسلاف (لاحظ أن مجموعة المتواليات البكتيرية α و β /-بروتينية بشكل منفصل) وتنوعت قبل أن يتم الحصول عليها في أحداث LGT المستقلة بواسطة أجناس مختارة في أقسام البكتريا المستوية ، البكتيريا الزرقاء ، البكتيريا الداخلية ، البكتيريا الشعاعية ، البكتيريا القديمة ، و Pezizzomycotina. في بداية هذه الورقة ، ذكرنا الفرضية القائلة بأن CPXs ربما تكون قد نشأت من خلال تكرار الجينات والاندماج وبعد ذلك من المحتمل أن يكون المجال الطرفي C قد فقد وظيفته (Welinder 1991 ، 1992 Zamocky et al. 2001). وجود تكرارات جين CPX مختصرة وغير وظيفية محتملة في العديد من البكتيريا المتقلبة فقط (على سبيل المثال ، فطر Burkholderia [سيباسيا] و N. europaea) والشجرة (تُظهر نسختين وظيفيتين من جين CPX لـ الليجيونيلا و شوانيلا) تكشف أن الشلل في البكتريا من المحتمل أن يكون قد سبق العديد من أحداث LGT. يحتوي المجال N-terminal الخاص بـ CPX على تشابه كبير في التسلسل مع بيروكسيدات أسكوربات النبات (APX) حيث تم تحديد سبعة أنواع منها (Jespersen et al.1997). ناقشت العديد من المقالات الحديثة العلاقات بين أعضاء الفئة الأولى من عائلة APX ، والتي تتكون من السيتوكروم C peroxidases الفطري (CCPs) ، والعصارة الخلوية النباتية ، والبلاستيدات الخضراء APX و CPXs البكتيرية (Welinder 1992 Jespersen et al. 1997 ، Zamocky et آل .2001). أدى إدراج تسلسل APX العصاري الخلوي والنباتي في تحليلنا للتطور الخاص بـ CPX (كل من الطول الكامل والطرف N فقط) إلى إنشاء الأشجار التي تم تحديد كل APX فيها من المجموعة الفرعية للبكتيريا الأثرية (في المربع المظلل في الشكل 4) وليس في الكتلة مع تسلسل البكتيريا الزرقاء. كان من الممكن أن يدعم التشابه العالي في التسلسل بين APX و CPX البكتيريا الزرقاء نقل جينات CPX بوساطة التعايش الداخلي إلى الطحالب والنباتات. في المقابل ، تشير النتيجة التي تم الحصول عليها إلى أن جينات APX الحديثة والجينات التي تشفر CPX في الجزء المظلل من الشجرة في الشكل 4 من المحتمل أن تشترك في نفس جين CPX السلفي الذي تباعد عن نسخة الجين الأخرى الموجودة في البكتيريا الزرقاء الحديثة بعد وقت مبكر. الازدواجية (دائرة مملوءة في الشكل 4). نقترح أن جين CPX البروتيني هذا وصل بواسطة LGT في خلية سلف حقيقية النواة ، وتطور CPX في أحفاد هذا السلف إلى إنزيمات الفئة الأولى في عائلة البيروكسيديز النباتية (Welinder 1992). في حين احتفظت سلالات الفطريات والطحالب / النبات بالجين ، فمن الواضح أنها ضاعت في البروتوزوا والحيوانات الحديثة. قد يؤدي اكتساب intron اللاحق إلى سلف الجين CPX المكتسب إلى APX و CCP إلى فصل الطرف N الوظيفي عن الطرف C الأقل أو غير الوظيفي أثناء تطور الفطريات والطحالب والنباتات ، مما يؤدي إلى قصر حديث. الجينات التي تشفر APX و CCP. بالإضافة إلى ذلك ، كان لتقصير الجين عواقب محتملة فيما يتعلق بطي البروتين ، والتي من المحتمل أن تكون مسؤولة مع البدائل الأساسية الأساسية عن فقدان نشاط الكاتلاز بواسطة إنزيمات APX و CCP (Zamocky et al. 2001). يبدو أن البيروكسيدات النباتية في عائلة الفئة الثالثة ، مثل بيروكسيداز الفجل ، قد احتفظت بنشاط الكاتلاز (Hernandez-Ruiz et al. 2001 Hiner et al. 2001) ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث قبل اعتبار بيروكسيدازات النبات من الفئة الثالثة هيدروبيروكسيدازات محفزة. من المحتمل أن يكون قد تم اكتساب اثنين من جينات CPX المشفرة للمجال الموجودة في الفطريات بشكل جانبي مؤخرًا إلى حد ما ، حيث كان من المفترض أن تكون جيناتهما قد تطورت على غرار الجينات التي ترميز APX و CCP نتيجة لاكتساب intron (فصل المجالات النشطة وغير النشطة التي تمثل نسخ الجينات المنصهرة ). نظرًا لأن جينات الترميز لا تنقطع في البكتيريا البدائية بدائية النواة ، فقد احتفظت جينات CPX الموجودة في البكتيريا الأثرية الحديثة بالنطاقين.

تطور Nonheme Catalase

لتلخيص ومناقشة تطور عائلة الجينات nonheme (Mn) catalase ، تمت محاذاة 29 من 32 تسلسلًا متاحًا واستخدامها لبناء أشجار النشوء والتطور. أشارت شجرة الإجماع على قاعدة الأغلبية المصورة التي تم الحصول عليها من خلال الاستدلال البايزي على سلالة nonheme catalase (الشكل 5) إلى أن جينات الكاتلاز اللاهيمية تتجمع في مجموعتين رئيسيتين من المحتمل أن تكون قد نشأت عن طريق الازدواجية الجينية. يبدو أن الكاتالازات اللاهيمية قد تطورت في وقت متأخر عن الكاتالازات أحادية الوظيفة ولكنها سبقت ظهور CPX ثنائي الوظيفة. قادنا النظر في الشكلين 3 و 5 إلى اقتراح أن جين الأسلاف nonheme catalase قد تطور وتم الحفاظ عليه في السلف المشترك للبكتيريا الزرقاء والبكتيريا Posibacteria ولكنه فقد في السلف المشترك لـ Spirochaetae و Sphingobacteria و Planctobacteria و Proteobacteria. الإقامة الحالية لجينات Mn-catalase في Planctobacterium بيريلولا ص. والعديد من-Proteobacteria و γ-Proteobacteria من المحتمل جدًا بسبب LGT من شركائهم المتعاونين مثل nostocales أو العصيات لأن المتلقين يحتويون فقط على جين واحد أو آخر من أفراد الأسرة (الشكل 5). غالبًا ما تحتوي البكتريا والبكتيريا الزرقاء Mn-catalase إيجابية على جينات تمثيلية من كلا أفراد الأسرة. في حين أن بعض الكائنات الحية الموجبة للمنغنيز الكاتالاز هي من مسببات الأمراض الانتهازية ، لم يتم العثور على جينات Mn-catalase إلا في الأنواع الوفيرة الموزعة على نطاق واسع (الشكل 5 والجدول 1).

لم يتم الكشف عن Mn-catalases في حقيقيات النوى (الشكل 3) وتم العثور عليها بشكل رئيسي في Posibacteria (ولكن ليس Actinobacteria) وفي أربعة من الأقسام الستة سالبة البكتيريا. تعتبر البكتيريا الشعاعية نقطة انطلاق مهمة لتكوين حقيقيات النوى (Cavalier-Smith 2002أ, 2002ب) ، وهو ما قد يفسر سبب بقاء Mn-catalase مقصورًا إلى حد كبير على البكتيريا eubacteria. الاكتشاف الأخير لمركب Mn-catalase في بكتيريا Chrenarcheabacterium الاختيارية للجهاز التنفسي الهوائي شديدة الحرارة ، Pyrobaculum calidifontis VA1 ، يمثل استثناءً فريدًا في الإقامة البكتيرية الصارمة لـ Mn-catalases (Amo و Atomi و Imanaka 2002). يعتبر النشاط الحفازي لـ Mn-catalase طفيفًا مقارنة بالكتالاز المحتوي على الهيم ، ومن المحتمل أن يكون لها أهمية فقط في البكتيريا اللاهوائية الحديثة مثل المطثيات وبعض العصيات اللبنية ، في حين أنها كانت مرشحة جيدة لفقدان الجينات في البكتيريا الهوائية ذات التنوع. مكملات الكاتلاز (على سبيل المثال ، العصيات و pseudomonads). ومن المثير للاهتمام أن نشاط الكاتلاز المحدد في Mn-catalase في P. calidifontis كانت مرتفعة بشكل غير معهود (23500 وحدة / ملجم بروتين) (Amo و Atomi و Imanaka 2002).


& ltp> يوفر هذا القسم معلومات حول اسم (أسماء) البروتين والجينات والمرادفات (المرادفات) وحول الكائن الحي الذي يمثل مصدر تسلسل البروتين. & ltp> & lta href = '/ help / names_and_taxonomy_section' target = '_ top'> أكثر. & lt / a> & lt / p> الأسماء وتصنيف أمبير i

الطفرات

مفتاح الميزةالمنصب (ق)وصف الإجراءات عرض رسوميطول
& ltp> هذا القسم الفرعي من & lta href = "http://www.uniprot.org/manual/pathology٪5Fand٪5Fbiotech٪5Fsection"> "علم الأمراض والتكنولوجيا الحيوية" & lt / a> يصف تأثير الطفرة التجريبية لأحد أو أكثر من الأحماض الأمينية على الخصائص البيولوجية للبروتين. & ltp> & lta href = '/ help / mutagen' target = '_ top'> المزيد. & lt / a> & lt / p> الطفرات i 50C → H: يحتفظ بمعظم أنشطة الكلورة والبيروكسيد والإيبوكسيد والكتلاز. 1 المنشور

& # xd & ltp> معلومات منظمة يدويًا والتي يوجد لها أدلة تجريبية منشورة. & lt / p> & # xd & # xd & ltp> & lta href = "/ manual / Evidences # ECO: 0000269"> المزيد. & lt / a> & lt / p> & # xd تأكيد يدوي استنادًا إلى التجربة في i


الانتماءات

قسم البيولوجيا الكيميائية والصيدلانية ، جامعة جرونينجن ، جرونينجن ، هولندا

ماري كاثرين سيغموند وأمبير جيريت جيه بولارندس

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

مساهمات

م. فحص بيانات المقال ، وكتب المخطوطة وأعد الأرقام. كلاهما M.-C.S. و G.J.P. ساهم في مناقشة ومراجعة وتحرير المخطوطة قبل تقديمها.

المؤلف المراسل


شاهد الفيديو: Enzymes شرح بالعربي (كانون الثاني 2022).