Войти
Электронные микрофотографии, показывающие альфа-карбоксисомы из хемоавтотрофных бактерия Halothiobacillus neapolitanus : (A) расположены внутри клетки и (B) не повреждены после выделения. Шкала показывает 100 нм. Карбоксисомы - это бактериальные микрокомпартменты (BMC), состоящие из полиэдрических белковых оболочек, заполненных ферментами рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа (RuBisCO ) - преобладающий фермент в фиксации углерода и фермент, ограничивающий скорость в цикле Кальвина - и карбоангидраза.
Карбоксисомы считаются развиться в результате увеличения концентрации кислорода в древней атмосфере; это потому, что кислород является субстратом, конкурирующим с углекислым газом в реакции RuBisCO. Чтобы преодолеть неэффективность RuBisCO, карбоксисомы концентрируют двуокись углерода внутри оболочки за счет совместной локализованной активности карбоангидразы, которая производит двуокись углерода из бикарбоната, который диффундирует в карбоксисому. Результирующая концентрация диоксида углерода рядом с RuBisCO снижает долю оксигенации рибулозо-1,5-бисфосфата и тем самым позволяет избежать дорогостоящих фотодыхательных реакций. Окружающая оболочка препятствует потере углекислого газа, помогая увеличить его концентрацию вокруг RuBisCO. Карбоксисомы являются неотъемлемой частью механизма концентрации углекислого газа (CCM).
Карбоксисомы - наиболее изученный пример бактериальных микрокомпартментов, термин для обозначения функционально разнообразных органелл, которые имеют одинаковую белковую оболочку.
Полиэдрические тела были обнаружены с помощью просвечивающей электронной микроскопии у cyanobacterium Phormidium uncinatum в 1956 году. Позже они были обнаружены у других цианобактерий и некоторых хемотрофных бактерий этот фиксированный диоксид углерода - многие из них являются восстановителями серы или фиксаторами азота (например, Halothiobacillus, Acidithiobacillus, Nitrobacter и Nitrococcus). Полиэдрические тела были впервые очищены от Thiobacillus neapolitanus (ныне Halothiobacillus neapolitanus) в 1973 году и, как было показано, содержат RuBisCO, удерживаемый внутри жесткого внешнего покрытия. Авторы предположили, что, поскольку эти органеллы участвуют в фиксации углерода, их следует называть карбоксисомами.
Модель структуры карбоксисомы. RuBisCO и карбоангидраза расположены в ферментативном ядре (организованном различными коровыми белками) и инкапсулированы белковой оболочкой. Структурно карбоксисомы являются икосаэдрическими или квази икосаэдрическими. Электронная крио-томография подтвердила приблизительно икосаэдрическую геометрию карбоксисомы и визуализировала молекулы белка внутри (предположительно RuBisCO), расположенных в несколько концентрических слоев. Неикосаэдрические фасеточные формы некоторых карбоксисом можно естественным образом объяснить в рамках теории упругости гетерогенных тонких оболочек. Карбоксисома имеет внешнюю оболочку, состоящую из нескольких тысяч белковых субъединиц, которые инкапсулируют фермент, продуцирующий CO 2 (карбоангидразу), и фермент, связывающий углерод (RuBisCO). Белки, о которых известно, что они образуют оболочку, были структурно охарактеризованы с помощью рентгеновской кристаллографии. Белок, который составляет большую часть оболочки, образует циклический гексамер и принадлежит к семейству белков BMC. Эти гексамеры, белки BMC-H, являются основными строительными блоками оболочки. В некоторых кристаллических формах гексамеры далее собираются бок о бок, образуя плотно упакованный молекулярный слой, что, по-видимому, является тем, как собираются грани оболочки. Маленькие поры пронизывают множество различных типов гексамеров BMC-H и могут служить в качестве пути диффузии небольших субстратов (например, бикарбоната) в карбоксисому и из нее. Положительно заряженные аминокислоты в порах, вероятно, способствуют диффузии отрицательно заряженных субстратов и продуктов. Другие минорные структурные компоненты оболочки, которые были охарактеризованы, включают пентамерные белки (BMC-P белки), которые, как предполагалось, занимают вершины икосаэдрической оболочки. Третий строительный блок карбоксисомной оболочки представляет собой белок, состоящий из двух тандемных доменов BMC (BMC-T белков). Структурно многие из них, как известно, образуют псевдогексамерные тримеры. Некоторые члены семейства белков BMC-T складываются лицом к лицу и образуют крошечные клетки. Основываясь на кристаллической структуре, эти белковые клетки имеют относительно большие закрытые поры с обеих сторон, и было предложено, чтобы открытием и закрытием поры можно было управлять аналогично воздушной пробке. Такой воздушный замок, в отличие от белков BMC-H с постоянно открытыми порами, может служить путем для более крупных субстратов (рибулозо-1,5-бисфосфат) и продуктов (3-фосфоглицерат), которые должны пересекать оболочку..
Ряд вирусных капсидов также являются икосаэдрическими, состоящими из гексамерных и пентамерных белков, но в настоящее время нет доказательств, указывающих на какую-либо эволюционную связь между оболочкой карбоксисомы и вирусными капсидами.
Есть два типа карбоксисом. Хотя они могут казаться похожими по внешнему виду, они различаются по составу белков, включая форму RuBisCO, которую они включают. Более того, исследования выявили фундаментальные различия в их генной организации и, возможно, в том, как они собираются.
Электронная микрофотография (A) альфа-карбоксисом в Halothiobacillus neapolitanus и (B) бета-карбоксисом в Synechococcus elongatus PCC 7942, обозначенных стрелками Альфа-карбоксисомы также называются cso тип карбоксисомы. Они содержат Форму IA RuBisCO; они обнаружены у альфа-цианобактерий, некоторых нитрифицирующих бактерий, некоторых сероокисляющих бактерий (например, Halothiobacillus neapolitanus) и некоторых пурпурных бактерий. Альфа-карбоксисома была первым бактериальным микрокомпартментом, который был очищен и охарактеризован. Электронно-микроскопические исследования очищенных альфа-карбоксисом или срезов клеток, содержащих альфа-карбоксисомы, показали, что они обычно имеют диаметр 100-160 нм. Общие строительные блоки для оболочки альфа-карбоксисом называются CsoS1A / B / C (BMC-H), CsoS4A / B (BMC-P) и CsoS1D (BMC-T). CsoS4A / B были первыми белками BMC-P, экспериментально продемонстрированными как второстепенные компоненты оболочки BMC (требуется всего 12 пентамеров, чтобы покрыть вершины икосаэдра). CsoS1D - это первый BMC-T, который был структурно охарактеризован; это также первый пример димеризации двух строительных блоков BMC лицом к лицу для создания крошечной клетки. Клетка CsoS1D имеет закрытые поры на обоих концах, что, как предполагается, способствует прохождению через оболочку больших метаболитов. Помимо специфической формы RuBisCO, другие инкапсулированные белки отличают альфа-карбоксисомы от бета-карбоксисом, таких как CsoS2 и CsoSCA. Белок CsoS2 имеет очень высокий pI и уникальную первичную структуру. Первичная структура CsoS2 выглядит трехчастной, состоящей из N-концевой, средней и C-концевой областей. Повторяющиеся мотивы можно идентифицировать в N-концевых и средних областях. Недавно было предложено, чтобы это был изначально неупорядоченный белок, играющий важную роль в сборке альфа-карбоксисом. CsoSCA - это связанная с оболочкой бета-карбоангидраза. Исследования Halothiobacillus neapolitanus показали, что пустые оболочки нормальной формы и состава собираются в карбоксисомных мутантах, лишенных RuBisCO, что позволяет предположить, что биогенез альфа-карбоксисомной оболочки и секвестрация ферментов - это два независимых, но функционально связанных процесса. Интересно, что в карбоксисомах Halothiobacillus neapolitanus были обнаружены химерные и гетерологичные виды RuBisCO, и именно большая субъединица RuBisCO определяет, изолирован ли фермент в карбоксисомах или нет.
Сигнатурными белками бета-карбоксисомы являются форма IB RuBisCO и гомолог гамма-карбоангидразы. Бета-карбоксисомы обычно больше, чем альфа-карбоксисомы: наблюдаемые диаметры для них варьируются от 200 до 400 нм. Структурные белки, которые необходимы для образования карбоксисом, кодируются в консервативном локусе карбоксисомы, известном как локус ccm. Локус ccm включает гены белков ядра CcmM и CcmN и белков оболочки CcmK (белок BMC-H), CcmL (белок BMC-P) и CcmO (белок BMC-T).
Белок CcmM полной длины состоит из домена гамма-карбоангидразы на и трех-пяти небольших субъединичных доменов (SSLD; которые напоминают RbcS, небольшую субъединицу RuBisCO) на его С-конец. Ген ccmM содержит внутренний сайт трансляции, который производит короткую форму CcmM (белок, который состоит только из SSLD); как длинные, так и короткие формы CcmM необходимы для сборки карбоксисома. CcmN содержит несколько доменов гексапептидных повторов на своем N-конце и короткий α-спиральный инкапсулирующий пептид на C-конце.
Другие структурные компоненты карбоксисом кодируются вне локуса ccm. CcmP - это белок BMC-T, который абсолютно консервативен среди организмов, образующих бета-карбоксисомы. Псевдогексамер CcmP складывается, образуя нанокомпартмент - пример белка, образующего воздушную пробку. Аналогичным образом, в некоторых штаммах цианобактерий бета-карбоксисомы содержат бета-карбоксисому, которая не обнаруживается в локусе ccm.
Бета-карбоксисома собирается изнутри наружу, сначала формируется ферментное ядро, которое затем инкапсулируется белковой оболочкой. Сборка карбоксисом происходит посредством серии белок-белковых взаимодействий: фермент RuBisCO и две изоформы (полная длина и короткая форма) белка CcmM взаимодействуют посредством SSLD; в штаммах, содержащих CcaA, бета-карбоангидраза переносится в ядро карбоксисомы за счет взаимодействия с N-концом полной длины CcmM. Как только прокарбоксисома (ядро карбоксисомы) сформирована, N-конец адапторного белка CcmN взаимодействует с N-концом CcmM, в то время как C-конец CcmN рекрутирует белки оболочки CcmK (BMC-H) и CcmO (BMC). -Т). Последним шагом является добавление вершин, образованных белком BMC-P CcmL, которые затем полностью покрывают ферментное ядро.
Как и в случае с другими BMC, карбоксисома, привлекает значительное внимание исследователей для применения в синтетической биологии. Было показано, что перенос генетического модуля, кодирующего альфа-карбоксисому, приводит к образованию карбоксисомоподобных структур в E. coli. Было показано, что биоинженерия карбоксисомных оболочек возможна, и сообщалось о бета-карбоксисомах, сконструированных из химерных белков или с химерными оболочками. Прогнозируется, что введение карбоксисом в хлоропласты растений как часть механизма концентрирования СО2 (такого как у цианобактерий) значительно улучшит чистую фиксацию СО2 и урожайность. Экспрессия белков оболочки бета-карбоксисом и комплексов формы IB Rubisco-CcmM в хлоропластах табака была достигнута, но это не привело к образованию компартментов, содержащих Rubisco. Дальнейшим достижением было создание минимальных альфа-карбоксисом из цианобактерии Cyanobium PCC7001 в хлоропластах табака, содержащих форму IA Rubisco и белки CsoS1A и CsoS2. Пока что идентифицируемые функциональные карбоксисомы еще не сконструированы в хлоропластах растений. Тем не менее, успешное улучшение фотосинтеза у растений с использованием этого подхода в конечном итоге зависит от работы белков-переносчиков в мембране внутренней оболочки хлоропласта, которые помогают генерировать высокую концентрацию бикарбоната внутри хлоропласта.
