Sideróforo

Os sideróforos (do grego: "portador de ferro") son pequenos compostos con alta afinidade para quelar o ferro que segregan microorganismos como bacterias e fungos. Axudan a eses organismos a acumular ferro. Aínda que agora se acepta unha crecente gama de funcións para eles, os sideróforos están entre os axentes con capacidade de unirse ao Fe3+ máis fortes (con maior afinidade) coñecidos. Os fitosideróforos son sideróforos producidos por plantas. Escaseza de ferro soluble
Malia estar entre os elementos máis abundantes da codia terrestre, o ferro non está doadamente biodispoñible. Na maioría dos ambientes aerobios, como o solo ou o mar, o ferro encóntrase en estado férrico (Fe3+), no cal tende a formar sólidos insolubles con aspecto ferruxento. Para que os nutrientes sexan efectivos, non só deben estar dispoñibles, senón que tamén deben ser solubles. Os microbios liberan sideróforos para capturar ferro destas fases minerais, formando complexos de Fe3+ solubles, que poden ser captados polos mecanismos de transporte activo das súas células. Moitos sideróforos son péptidos non ribosómicos, aínda que varios deles se biosintetizan independentemente.
Os sideróforos son tamén importantes para algunhas bacterias patóxenas para a súa adquisición de ferro. En hóspedes mamíferos, o ferro está estreitamente unido a proteínas como a hemoglobina, transferrina, lactoferrina e ferritina. A estrita homeostase do ferro orixina unha concentración libre duns 10−24 mol L−1, polo que hai unha gran presión evolutiva sobre as bacterias patóxenas para que obteñan este metal. Por exemplo, o patóxeno do carbúnculo (ou ántrax) Bacillus anthracis libera dous sideróforos, chamados bacilibactina e petrobactina, para capturar ferro férrico das proteínas que conteñen ferro. Mentres que a bacilibactina se une á proteína do sistema inmunitario siderocalina, a petrobactina crese que evade o sistema inmunitario e é importante para a virulencia en ratos.
Os sideróforos están entre os compostos coñecidos que se unen máis fortemente ao Fe3+, sendo a enterobactina un dos máis fortes. Debido a esta propiedade, atraeron o interese da ciencia médica para a terapia de quelación de metais, na que o sideróforo desferrioxamina B está adquirindo un uso moi estendido nos tratamentos do envelenamento por ferro e talasemia.
Ademais de sideróforos, algunhas bacterias patóxenas producen hemóforos (proteínas capturadoras que se unen ao hemo) ou teñen receptores que se unen directamente a ferro/hemoproteínas. En eucariotas outras estratexias para aumentar a solubilidade e captación do ferro son a acidificación do ambiente que as rodea (procedemento usado, por exemplo, polas raíces das plantas) ou a redución extracelular de Fe3+ a ións Fe2+, que son máis solubes. Estrutura
Os sideróforos adoitan formar un complexo estable hexadentado octaédrico preferentemente co Fe3+ comparado con outros ións metálicos que son abundantes de forma natural, aínda que se hai menos de seis átomos doantes, a auga pode tamén coordinar. Os sideróforos máis efectivos son os que teñen tres ligandos bidentados por molécula, formando un complexo hexadentado e causando un menor cambio entrópico que o causado ao quelar un só ión férrico con ligandos separados. O Fe3+ é un forte ácido de Lewis, que prefire bases de Lewis fortes como átomos de oxíxeno neutros ou aniónicos cos cales coordinarse. Os microbios xeralmente liberan o ferro do sideróforo por redución a Fe2+, o cal ten pouca afinidade con eses ligandos.
Os sideróforos clasifícanse xeralmente polos ligandos que usan para quelar o ferro férrico. Os grupos principais de sideróforos son: catecolatos (fenolatos), hidroxamatos e carboxilatos (por exemplo, derivados do ácido cítrico). O ácido cítrico pode tamén actuar como sideróforo. A ampla variedade de sideróforos existente pode deberse a presións evolutivas exercidas sobre os microbios para producr sideróforos estruturalmente diferentes que non se poden transportar polos sistemas de transporte activo doutros microbios nin, no caso de patóxenos, desactivar polo organismo hóspede. Diversidade
Exemplos de sideróforos producidos por varias bacterias e fungos: Sideróforos hidroxamatos Sideróforos catecolatos Ligandos mixtos Ligandos aminocarboxilatos Unha lista completa de estruturas de sideróforos (unhas 250) preséntase no Apéndice 1 da referencia. Funcións biolóxicas
Bacterias e fungos
En resposta á limitación de ferro no seu ambiente, os xenes implicados na produción e captación de sideróforos en microbios son desreprimidos, o que leva á fabricación de sideróforos e das proteínas apropiadas para a captación. En bacterias os represores dependentes de Fe2+ únense ao ADN augas arriba dos xenes implicados na produción de sideróforos a altas concentracións de ferro intracelular. A baixas concentracións, o Fe2+ disóciase do represor, o cal á súa vez se disocia do ADN, orixinando a transcrición dos xenes. En bacterias gramnegativas e bacterias grampositivas ricas en AT isto está normalmente regulado polo represor Fur (regulador da captación de ferro), mentres que nas bacterias grampositivas ricas en GC (por exemplo, Actinomycetota) intervén DtxR (represor da toxina diftérica), así chamado porque a produción da perigosa toxina diftérica por Corynebacterium diphtheriae está tamén regulada por este sistema.
Isto vai seguido da excreción do sideróforo no ambiente extracelular, onde o sideróforo actúa como secuestrador e solubiliza o ferro. Os sideróforos son despois recoñecidos por receptores específicos de células na membrana externa da célula. En fungos e outros eucariotas, o complexo Fe-sideróforo pode ser reducido extracelularmente a Fe2+, aínda que en moitos casos o complexo completo Fe-sideróforo é transportado activamente a través da membrana celular. En bacterias gramnegativas, estes son transportados ao periplasma por receptores dependentes de TonB, e son transferidos ao citoplasma por transportadores ABC.
Unha vez no citoplasma da célula, o complexo Fe3+-sideróforo adoita ser reducido a Fe2+ para liberar o ferro, especialmente no caso de ligandos de sideróforos máis febles como hidroxamatos e carboxilatos. O ferro pode liberarse tamén pola descomposición do sideróforo ou outros mecanismos biolóxicos, especialmente no caso de catecolatos como a ferro férrico-enterobactina, cuxa redución potencial é demasiado baixa para axentes redutores como o flavín adenín dinucleótido, polo que cómpre unha degradación encimática para liberar o ferro.
Plantas
Aínda que hai suficiente ferro na maioría dos solos para o crecemento das plantas, a deficiencia de ferro das plantas é un problema en solos calcarios debido á baixa solubilidade do hidróxido de ferro(III). O solo calcario supón o 30% do solo agrícola mundial. Nesas condicións as plantas gramíneas (cereais, arroz, herbas) segragan fitosideróforos no solo, un exemplo típico é o ácido desoximuxineico. Os fitosideróforos teñen unha estrutura diferente da dos sideróforos bacterianos e fúnxicos, con dous centros de unión α-aminocarboxilato, xunto cunha soa unidade α-hidroxicarboxilato. Esta última función bidentada proporciona fitosideróforos cunha alta selectiviadade polo ferro(III). Cando crecen nun solo deficiente en ferro, as raíceas das plantas gramíneas segregan sideróforos na rizosfera. Na captura do ferro(III) o complexo ferro–fitosideróforo é transportado a través da membrana citoplasmática usando un mecanismo de simporte de protóns. O complexo ferro(III) é despois reducido a ferro(II) e o ferro é transferido á nicotianamina, a cal, aínda que moi similar aos fitosideróforos, é selectiva para o ferro(II) e non se segrega polas raíces. A nicotianamina transloca o ferro polo floema a todas as partes da planta.
Quelatación en Pseudomonas aeruginosa
O ferro é un importante nutriente para a bacteria Pseudomonas aeruginosa; porén, o ferro non está facilmente accesible no seu ambiente. Para superar este problema, P. aeruginosa produce sideróforos para que se unan ao ferro e o transporten. Pero a bacteria que produce os sideróforos non necesariamente recibe o beneficio directo da captación de ferro. O que máis ben ocorre é que todos os membros da poboación celular teñen a mesma probabilidade de acceder aos complexos ferro-sideróforo. A produción de sideróforos tamén require que a bacteria gaste enerxía. Así, a produción de sideróforos pode considerarse como un carácter xenético altruísta porque é beneficioso para o grupo local pero custoso para o individuo. Esta dinámica altruísta require que cada membro da poboación celular contribúa igualmente á produción de sideróforos. Pero ás veces poden ocorrer mutacións que causen que algunhas bacterias produzan menores cantidades de sideróforos. Estas mutacións danlles unha vantaxe evolutiva porque a bacteria pode seguir beneficiándose da produción colectiva de sideróforos sen sufrir o custo enerxético. Deste xeito, pode dedicar máis enerxía ao seu crecemento. Os membros da poboción celular que pode producir eficientemente estes sideróforos adoitan denominarse cooperadores; os membros que producen pouco ou ningún sideróforo denomínanse tramposos. Segundo investigacións realizadas, cando os cooperadores e tramposos crecen xuntos, os cooperadores teñen unha diminución en fitness, mentres que os tramposos teñen un incremento. Observouse que a magnitude do cambio en fitness increméntase co aumento da limitación de ferro. Cun incremento de fitness os tramposos poden gañar na competición cos cooperadores; isto leva a unha diminución global da fitness do grupo, debido á falta de suficiente produción de sideróforos.
Pioverdina e produción de sideróforos en Pseudomonas aeruginosa
Nun estudo recente examinouse a produción de pioverdina (PVD), un tipo de sideróforo, na bacteria P. aeruginosa. Este estudo centrábase na construción, modelaxe e simulación de dinámicas da biosíntese de PVD, un factor de virulencia, por medio dunha estratexia sistémica. Esta estratexia considera que a vía metabólica da síntese de PVD está regulada polo fenómeno da percepción do quórum, un sistema de comunicación celular que permite á bacteria coordinar o seu comprtamento baseándose na densidade da súa poboación.
O estudo mostrou que a medida que o crecemento bacteriano se incrementaba, tamén o facía a concentración extracelular de moléculas sinalizadoras para a percepción do quórum, emulando así o comportamento natural da cepa de P. aeruginosa PAO1. Para levar a cabo este estudo, construíuse un modelo de rede metabólica de P. aeruginosa baseado no modelo iMO1056, a anotación xenómica da cepa P. aeruginosa PAO1, e a vía metabólica da síntese de PVD. Este modelo incluía a síntese de PVD, reaccións de transporte, intercambio e moléculas de sinalización da percepción do quórum.
O modelo resultante, chamado CCBM1146, mostrou que o fenómeno da percepción do quórum inflúe directamente no metabolismo de P. aeruginosa cara á biosíntese de PVD en función do cambio na intensidade do sinal da percepción do quórum. Este traballo é o primeiro informe in silico dun modelo integrativo que comprende a rede regulatoria de xenes da percepción do quórum e a rede metabólica de P. aeruginosa, proporcionando unha visión detallada de como a produción de pioverdina e sideróforos en P. aeruginosa están influenciadas pola percepción do quórum. Ecoloxía
Os sideróforos fixéronse importantes no nicho ecolóxico definido polo baixa dispoñibilidade de ferro, sendo o ferro un dos factores limitantes do crecemento críticos para virtualmente todos os microorganismos aerobios. Hai catro hábitats ecolóxicos principais: a auga do solo e da superficie, a auga mariña, os tecidos das plantas (para os patóxenos) e os tecidos animais (para os patóxenos).
Auga do solo e superficial
O solo é unha rica fonte de xéneros bacterianos e fúnxicos. Especies grampositivas comúns son as que pertencen a Actinomycetales e as especies do xénero Bacillus, Arthrobacter e Nocardia. Moitos destes organismos producen e segregan ferrioxaminas que promoven o crecemento de non só os organismos produtores, senón tamén doutras poboacións microbianas que poden utilizar seideróforos exóxenos. Entre os fungos do solo están Aspergillus e Penicillium que producen predominantemente ferricromos. Este grupo de sideróforos consiste en haxapéptidos cíclicos e consecuentemente son altamente resistentes á degradación ambiental asociada cun amplo rango de encimas hidroliticos que están presentes no solo húmico. Os solos que conteñen material vexetal en descomposición posúen valores de pH baixos de só 3–4. Nesas condicións os organismos que producen sideróforos hidroxamatos teñen unha vantaxe debido á extrema estabilidade acida destas moléculas. A poboación microbiana de auga doce é similar á do solo, de feito moitas bacterias son retiradas por lavado do solo. Ademais, os lagos de auga doce conteñen grandes poboacións de especies de Pseudomonas, Azomonas, Aeromonas e Alcaligenes.
Auga mariña
A diferenza da maioría de fontes de auga doce, os niveis de ferro na superficie da auga mariña son extremadamente baixos (de 1 nM a 1 μM nos 200 m superiores) e moito menor que os de V, Cr, Co, Ni, Cu e Zn. Virtualmente todo este ferro está en estado ferro(III) e en complexo con ligandos orgánicos. Estes baixos niveis de ferro limitan a produción primaria do fitoplancto e orixinaron a hipótese do ferro, na que se propón que un influxo de ferro promovería o crecemento do plancto e, por tanto, reduciría o CO2 atmosférico. Esta hipótese foi comprobada en máis de dez ocasións e en todos os casos orixináronse floracións masivas de fitoplancto. Porén, as floracións persistiron durante períodos variables de tempo. Unha observación interesante feita nalgúns destes estudos foi que a concentración de ligandos orgánicos se incrementou nun curto espazo de tempo para igualar a concentración do ferro engadido, o que implicaba unha orixe biolóxica e, en vista da súa afinidade polo ferro, posiblemente os ligandos eran sideróforos ou de natureza similar aos sideróforos. Un dato significativo é que a cantidade de bacterias heterótrofas tamén se incrementaba marcadamente nas floracións inducidas polo ferro. Así, hai un sinerxismo entre o fitoplancto e as bacterias heterótrofas. O fitoplancto necesita ferro (proporcionado por sideróforos bacterianos), e as bacterias heterótrofas necesitan fontes de carbono distintas do CO2 (proporcionadas polo fitoplancto).
A natureza diluída do ambiente mariño peláxico promove grandes perdas difusivas e converte en problemáica a eficiencia das estratexias normais de captación de fero baseadas en sideróforos. Porén, motas bacterias mariñas heterótrofas producen sideróforos, aínda que con propiedades diferentes dos producidas polos orgnismos terrestres. Moitos sideróforos mariños son activos en superficies e tenden a formar agregados, por exemplo as acuaquelinas. A presenza dunha cadea de acilo graxo fai que as moléculas teñan unha alta actividade en superficies e unha capacidade de formar micelas. Así, cando se segregan, estas moléculas únense a superficies e unhas a outras, facendo deste modo máis lenta a velocidade de difusión lonxe do organismo secretor e mantendo unha concentración de sideróforo local relativamente alta. O fitoplancto ten necesidades altas de ferro e aínda así a maioría (ou posiblemente todo) non produce sideróforos. Porén, o fitoplancto pode obter ferro de complexos sideróforos con axuda de redutases unidas a membrana e certamente do ferro(II) xerado por descomposición fotoquímica de sideróforos con ferro(III). Así, unha gran proporción do ferro, se non todo, absorbido polo fitoplancto depende da produción bacteriana de sideróforos.
Patóxenos de plantas
A maioría dos patóxenos de plantas invaden o apoplasma liberando encimas pectolíticos que facilitan o espallamento do organismo invasor. As bacterias frecuentemente infectan plantas entrando nos tecidos polos estomas. Unha vez entraron nas plantas espállanse e multiplícanse nos espazos intercelulares. En enfermidades vasculares bacterianas, a infección esténdese polo interior da planta a través do xilema.
Unha vez dentro da planta, as bacterias necesitan capturar o ferro de dous ligandos transportadores de ferro principais, a nicotianamina e o citrato. Para faceren isto producen sideróforos; así a enterobcterial Erwinia chrysanthemi produce dous sideróforos: crisobactina e acromobactina. O grupo das Xanthomonas de patóxenos de plantas produce sideróforos xantoferrinas para capturar o ferro.
Como nos humanos, as plantas tamén posúen proteínas que se unen a sideróforos implicadas na defensa do hóspede, como o principal alérxeno do pole do bidueiro, Bet v 1, que se segregan usualmente e posúen unha estrutura similar á lipocalina.
Patóxenos de animais
As bacterias e fungos patóxenos desenvolveron maneiras de sobrevivir en tecidos animis. Poden invadir o tracto gastrointestinal (Escherichia, Shigella e Salmonella), o pulmón (Pseudomonas, Bordetella, Streptococcus e Corynebacterium), pel (Staphylococcus) ou o tracto urinario (Escherichia e Pseudomonas). Tales bacterias poden colonizar feridas (Vibrio e Staphylococcus) e ser responsables de septicemias (Yersinia e Bacillus). Algunhas bacterias sobreviven por longos períodos de tempo en orgánulos intracelulares, por exemplo Mycobacterium. (ver táboa). Debido a este risco continuo de invasión bacteriana e fúnxica, os animais desenvolveron varias liñas de defensa baseadas en estratexias inmunolóxicas, o sistema de complemento, a produción de proteínas que se unen ao ferro–sideróforo e a "retirada" xeral de ferro. Hai dous tipos principais de proteínas que se unen ao ferro presentes na maioría dos animais que proporcionan protección contra a invasión microbiana; a protección extracelular proporciónaa a familia da transferrina de proteínas e a protección intracelular dállela a ferritina. A transferrina está presente no soro sanguíneo a aproximadamente 30 μM e contén dous sitios de unión ao ferro, cada un cunha afinidade extremadamente alta polo ferro. En condicións normais está nun 25–40% saturado, o que significa que calquera ferro libremente dispoñible no soro será inmediatamente capturado, o que impide o crecemento microbiano. A maioría dos sideróforos non poden retirar o ferro da transferina. Os mamíferos tamén producen lactoferrina, que é similar á transferrina do soro, pero posúe unha afinidade aínda maior polo ferro. A lactoferrina está presente en fluídos secretores, como a suor bágoas e leite], minimizando así a infección bacteriana.
A ferritina está presente no citoplasma das células e limita o nivel de ferro intracelular a aproximadamente 1 μM. A ferritina é unha proteína moito máis grande que a transferrina e con capacidade de unirse a varios miles de átomos de ferro de forma non tóxica. Os sideróforos non poden mobilizar directamente o ferro da feritina.
Ademais destas dúas clases de proteínas que se unen ao ferro, unha hormona, a hepcidina, está implicada no control e liberación de ferro de enterocitos absorbentes, hepatocitos que almacenan ferro e macrófagos. A infección orixina unha inflamación e a liberación de interleucina-6 (IL-6 ), que estimula a expresión da hepcidina. En humanos, a produción de IL-6 ten como resultdo unha baixa concentración de ferro sérico, facendo difícil que os patóxenos invasores consigan infectar. Esta depleción de ferro demostrouse que limita o crecemento bacteriano en localizacións extracelulares e intracelulares.
Ademais das tácticas de "retirada do ferro", os mamíferos producen unha proteína que se une ao ferro–sideróforo, a sideroquelina. A sideroquelina é un membro da familia de proteínas da lipocalina, que, aínda que son diversas en secuencia, presentan un pregamento estrutural moi conservado, un barril β antiparalelo de 8 febras que forma un sitio de unión con varias febras β adxacentes. Por outra parte, outra proteína, a siderocalina (lipocalina 2) ten 3 residuos cargados positivamente tamén localizados no peto hidrófobo e estes crean un sitio de unión de alta afinidade para a ferro(III)–enterobactina. A siderocalina é un potente axente bacteriostático contra E. coli. É segregada como resultado da infección tanto por macrófagos coma por hepatocitos, e a enterobactina é capturada do espazo extracelular. Aplicacións médicas
Os sideróforos teñen aplicacións en medicina nas terapias de sobrecarga de ferro e aluminio e de antibióticos para mellorar a chegada do fármaco á súa diana. Comprender o mecanismo dos sideróforos abriu novas oportunidades para deseñar pequenas moléculas inhibidoras que bloqueen a biosíntese de sideróforos e, por tanto, o crecemento e virulencia bacterianos en ambientes con limitación de ferro.
Os sideróforos son útiles como fármacos ao facilitaren a mobilización do ferro en humanos, especialmente no tratamento de enfermidades do ferro, debido a súa alta afinidade polo ferro. Unha aplicación potencialmente poderosa é usar as capacidades que teñen os sideróforos para transportar ferro para levar fármacos ás células preparando conxugados entre os sideróforos e axentes antimicrobianos. Como os microbios recoñecen e utilizan só certos sideróforos, crese que tales conxugados terán unha actividade antimicrobiana selectiva. Un exemplo é o antibiótico da familia da cefalosporina cefiderocol.
A entrega no seu destino de fármacos mediada polo transporte de ferro microbiano (sideróforos) utiliza o recoñecemento dos sideróforos como axentes de entrega de ferro para facer que o microbio asimile sideróforos conxugados con fármacos. Estes fármacos son letais para o microbio e causan a morte deste cando se administran conxugados a sideróforos. Ao engadir grupos funcionais que se unen ao ferro propios de sideróforos a antibióticos, a súa potencia aumenta enormemente. Isto débese ao sistema de captación de ferro mediado por sideróforos da bacteria. Aplicacións agrícolas
As Poaceae ou gramíneas inclúen importantes especies como a cebada e o trigo que poden secuestrar eficazmente o ferro ao liberaren fitosideróforos polas súas raíces na zona do solo que as rodea ou rizosfera. Os compostos químicos producidos polos microorganismos na rizosfera poden tamén incrementar a dispoñibilidade e captación de ferro. Plantas como a avea poden asimilar o ferro por medio destes sideróforos microbianos. Demostrouse que as plantas poden utilizar o sideróforo de tipo hidroxamato ferricromo, ácido rodotorúlico e ferrioxamina B; o sideróforo de tipo catecol agrobactina; e os sideróforos de ligando mixto de catecol-hidroxamato-hidroxiácido biosintetizados por bacterias saprófitas que colonizan as raíces. Todos estes compostos prodúcense por cepas de bacterias rizosféricas, que teñen necesidades nutricionais simples, e atópanse na Natureza en en solos, follaxe, auga doce, sedimentos, e auga mariña.
As pseudomónadas fluorescentes recoñecéronse como axentes de biocontrol contra certos patóxenos de plantas do solo. Producen pigmentos amarelo-verdosos (pioverdinas) que fluorescen baixo a luz ultravioleta e funcionan como sideróforos. Privan aos patóxenos do ferro que precisan para o seu crecemento e patoxénese. Outros ións metálicos quelados
Os sideróforos naturais ou sintéticos poden quelar ións metálicos distintos dos ións de ferro. Exemplos son: aluminio, galio, cromo, cobre, zinc, chumbo, manganeso, cadmio, vanadio, circonio, indio, plutonio, berkelio, californio, e uranio. Procesos relacionados
Outras maneiras alternativas de asimilar ferro son a redución en superficies, diminución do pH, utilización de hemos, ou extracción de metais en complexo con proteínas. Datos recentes indican que as bacterias mariñas producen moléculas que quelatan o ferro con propiedades similares aos sideróforos en condicións de niveis de fosfato limitantes para o seu crecemento. Na natureza o fosfato únese a dierentes tipos de minerais de ferro e, por tanto, hipotetizouse que as bacterias poden usar moléculas similares a sideróforos para disolver tales complexos para acceder ao fosfato.