Cine a apărut primul: fotosintetaza producătoare de oxigen, sau structurile ce protejează celulele de necesarul de oxigen? Se presupune că o anumită structură a fost produsă în interiorul microbiilor chiar înainte de oxigenarea Pământului.
Oul sau găina?
Celulele în viață sunt foarte susceptibile pentru leziunile produse de oxigen și de multe componente radioactive rezultate de propriul ciclu metabolic. Organismele, totuși, au abilitatea de a produce sau prelua structurile antioxidante ce ajută la diminuarea efectelor distructive necesare supraviețuirii în mediile foarte oxidante ale Terrei. Dar Pământul a fost o planetă lipsită de oxigen( anaerobic) până ce microbii au căpătat abilitatea de a produce oxigen molecular ( O2) cu ajutorul fotosintezei, ridicând o întrebare de tipul ” cine a fost mai întâi, oul sau găina? ”: ce a evoluat primul, fotosinteza sau sistemele antioxidante?
Scriind în Angewandte Chemie, am aruncat lumină proaspătă asupra problemei că bacteria anaerobă Chlorobium limicola poate produce presupusa ergotionină antioxidantă prin o reacție enzimatică ce diferă de alte căi cunoscute. Aceasta înseamnă că cel puțin câteva structuri ce apar pot avea un rol alternativ în mediile anaerobe timpurii, doar pentru a fi reconvertite ca antioxidanți când mediile înconjurătoare devin mai oxidante.
Calea biosintetică către ergotionină
Câteva ciuperci și bacterii produc ergotionină, un presupus antioxidant.
În primul rând, enzima EgtD convertește acidul amino histidina în herinină.
Enzima Egt1 ( în ciuperci) sau perechea de enzime EgtB și EgtC ( în bacterii) catalizează reacția herininei cu donorul sulf, producând un intermediar sulfoxidă.
Oxigenul molecular ( O2) este necesar pentru reacțiile ce vor avea loc.
Sulfoxida intermediată produsă este transformată într-un acid sulfenic de către enzima EgtE.
Acidul sulfenic este în final, convertit în ergotionină non- enzimatică.
Chlorobium limicola codifică o enzimă, EanB, ce poate converti hercinină direct în ergotionină în prezența unui donor pe bază de sulf potrivit, fără oxigen. Cofactorii și produsele secundare ale reacției nu sunt încă știute.
Biosinteza ergotioninei
Se credea că un mediu aerobic este indispensabil pentru biosinteza ergotioninei. Asamblarea ei are loc printr-o serie de transformări chimice, începând cu acidul amino histidină. Primul pas în această cale aduce trei grupuri metil la gruparea amino a histidinei, pentru a forma un intermediar pe nume hercinină. În fungi, ergotionina produce, ca și Neurospora crassa, enzima Egt1 apoi catalizează oxidarea hercininei și acidului amino cisteinic, și se combină pentru a forma intermediatul sulfoxid; cisteina este sursa atomului de sulf ce se închide cu ergotionină.
Un proces similar oxidativ este calatizat de enzima EgtB și EgtC în bacterii ca Mycobacterium smegmatis, cu peptidul gama- glutamil- cisteina ce servește ca donor de sulf. În ambele fungi și bacterii, oxigenul molecular este necesar pentru aceptarea celor patru electroni ce sunt eliberați pe parcursul acestor reacții de oxidare – ceea ce înseamnă că procesul de conversie a hercininei către sulfoxidă necesită un mediu aerobic.
Ultimul pas al căii este descompunerea sulfoxidei, un proces catalizat de către enzima EgtE. Acidul sulfenic rezultat este convertit direct în ergotionină în prezența reducanților potriviți.
Alternativ, într-un mediu mai oxidant, acidul sulfenic poate reacționa cu el însuși non-enzimatic, formând ergotionina și regenerând hercinină în acest proces.
EanB este similar cu rodanasa, o enzimă ce detoxifică cianida, și reacția poate conduce într-o manieră asemănătoare cu cea a formării rodanasei, prin formațiunea grupului de per- sulfidă ( SSH) dintr-un reziduu al cisteinei în site-ul activ al enzimei. Apoi, posibil ca persulfidul să atace hercinina pentru a genera un disulfid mixt intermediar ce ulterior se degradează pentru a produce ergotionina.
Prin urmare, C. limicola poate produce ergotionină în schimbul supraviețuirii complete în mediile acvatice anaerobe, unde subzistă pe seama surselor de sulf printr-un tip de fotosinteză ce nu produce molecule de oxigen ca un produs secundar.
Dar, doar pentru că un organism prezintă gene pentru producerea anaerobă de ergotionină acest lucru nu înseamnă că va produce acel compus neapărat. Totuși, bacteria anaerobă, Salinibacter ruber – ce este mult mai ușor de cultivat decât C. limicola, și posedă numai gene pentru calea anaerobă a ergotioninei – chiar produce ergotionină la nivele comparabile cu cele observate în bacteria ce se bazează pe calea aerobă. Prin urmare, se arată că ergotionina nu este produsă numai în bacteriile aerobe și fungi, dar și în bacteriile anaerobe.
Ergotionina a fost găsită în celulele și țesuturile vegetale și animale. Acumularea de ergotionină la nivel celular în animale necesită un transportor proteic specific, dar asemenea acumulare nu arată a fii crucială pentru supraviețuirea animalului. Pentru exemplu, insuficiența de acumulare a ergotioninei au lăsat șoarecii foarte neafectați, excepție făcând pentru o creștere susceptibilă la stresul oxidativ. Pe de o parte ergotionina probabil servește, în principal, ca un antioxidant protectiv, pe de altă parte moleculele ca glutationul și acidul ascorbic ( vitamina C) pot determina același efect, totuși, este încă o întrebare deschisă discuțiilor.
Dacă rolul primar al ergotioninei este cel de antioxidant, atunci la ce sunt utilizate anaerobele ca C. limicola ? S-a efectuat o analiză filogenetică a organismelor capabile de producerea de ergotionină, ceea ce a demonstrat că aceste microorganisme se despică în două brațe, de obicei, distincte dependente de ce genomuri sunt codificate de EgtB aerobic și EanB anaerobic. Totuși, a rămas să fie observat când ergotionina este produsă actual de către organismele anaerobe, autorii au sugerat că divergența evoluționară dintre căile anaerobice și aerobice probabil a avut loc undeva în trecutul îndepărtat. Prin urmare, este posibil ca ergotionina să fii avut un rol, dar necunoscut, sub condițiile anaerobice pe Pământ, în trecut, doar dacă ar fi fost cooptat târziu ca antioxidant biologic.
Concluzii
S-a stabilit că procesul de ergotionina biosintetică merită investigații suplimentare – nu doar pentru reacțiile enzimatice neobișnuite ce le presupune, dar mai ales pentru a obține o înțelegere în studiul posibilor funcții proprii. Liniile ulterioare ale investigațiilor vor include determinarea dacă microbii anaerobi într- adevăr au produs ergotionina, cum lucrează enzimele răspuns, și, în ultimul rând, rolul ergotioninei în biochimia acestor organisme.
Cea mai nouă cale descoperită aruncă lumină către evoluția structurilor naturale în general, și către căile de biosinteză responsabile de producția lor.
