Biochemistry Plasmodium

Izvornik: Biochemistry of Plasmodium

Uvod

Malarije, kao i svi organizmi, moraju steći hranjive tvari iz okoline i pretvoriti ovi sastojci na druge molekule ili energije (tj katabolizam). Ove druge molekule i energija se zatim koristi za održavanje homeostazu parazita, i na rast i razmnožavanje parazita (tj, anabolizam). Oba anabolički i katabolički procesi su katalisana enzima. Uzgoj i reprodukciju organizmi zahtijevaju visok nivo makromolekula i drugih biohemikalija za održavanje ćelijske strukture i funkcije. Malarije treba da steknu ove biohemikalija i prekursora iz domaćina. [Vidi također: Kratak pregled Plasmodiumbiokemiju.]

Jedinstveni životni ciklus i rezultat mikroklima parazita dovela je do evolucije metaboličkih puteva koji se razlikuju od ljudskog domaćina. Moguće da iskoristi ove jedinstvene puteve i enzima u dizajnu terapijske strategije. Na primjer, mnogi anti-malarials se zna da utiču na vakuole hranu koja je posebna organele za varenje domaćin domaćina hemoblobin.

Sadržaj:

Hemoglobin Stats
  • 95% od ukupnog broja eritrocita proteina je Hb
  • intraćelijsku koncentracije Hb je 5 mm, (> 300 mg / ml)
  • 60-80% od HB je degradirana od parazita
  • na 20% parasitemia, 110 g Hb se konzumira tijekom 48 h

Hemoglobin Degradacija i hrane vakuole

Malarije zahtijeva aminokiseline za sintezu svojih proteina. Tri izvora aminokiseline su: de novo sinteze, uvoz iz domaćina plazme, i probava domaćina hemoglobina. (Vidi i Plasmodium biokemiju – Proteini i aminokiseline.) Hemoglobin je izuzetno izobilju proteina u citoplazmi eritrocita i služi kao glavni izvor aminokiselina za parazita (Box). Hemoglobin je oborio na peptide i aminokiseline unutar vakuolarnom pregrade poznat kao vakuole hrane. [Vidi Wunderlich et al (2012) za sveobuhvatan pregled vakuole hrane i aktivnosti u vezi sa vakuole.]

Gutanje Host citoplazma

Gutanje Host citoplazma

U fazi ranog prsten, parazita zauzima strome domaćina ćeliju pinocytosis (slika, desno; napomena ppm = parazit plazma membrana) što je rezultiralo dvostrukim membrane vezikule. Unutrašnji membrana, što odgovara PVM, brzo nestaje i probavu hemoglobina odvija unutar ove male vezikule u ranim trophozoite fazi. Kao parazita sazrijeva, razvija poseban organele, pod nazivom cytostome, za unos domaćina citoplazme i mali pigment koji sadrži vezikule osigurač za formiranje velike prehrambene vakuole. (Gametocytes ne čine velike prehrambene vakuole i karakterišu mali pigment koji sadrži vezikule naći u cijeloj njihove citoplazmi.) Dvaput membrana vezikule stiskati isključen iz baze cytostome i osigurač sa vakuole hranom. Unutrašnji membrana (prvobitno PVM) je radom na ek-, a hemoglobin je pušten u vakuole hrane.

Proteaza i hrane vakuole

Vakuole hrana je kisela odjeljka (pH 5,0-5,4) koji sadrži proteaze aktivnosti. U tom smislu je vakuole hrane liči na lizozom, osim drugih hidrolaze kiseline (npr., Glycosidases i nukleaza) nisu identifikovani. Pretpostavlja se da drugi hidrolaze kiseline nisu potrebni jer je mikrosredinu od eritrocita je gotovo isključivo proteina, a posebno hemoglobina (Box). U kiselim pH vakuole hrane se održava od H + -translocating ATPaza i H + -translocating pyrophosphatase, a oba su homologna V-tipa transportera nalaze u biljkama. Tako je vakuole hrana je vjerojatno homologna na tonoplast nalaze u biljkama i drugim protozoa.

Hrana vakuole Proteaze
Ime Razred
plasmepsins asparaginska (kiselina)
falcipains cistein (tiol)
falcilysin metalo

Nekoliko različitih aktivnosti proteaze, koji predstavljaju tri od četiri glavne klase proteaza, identifikovani su u vakuole hrane (tabela). Identifikovani su višestruke plasmepsins i falcipains. Probavu hemoglobina vjerojatno nastaje polu-naredio proces koji uključuje sekvencijalni akciju različitih proteaza (Goldberg, 2005). Nekoliko plasmespsin geni su identificirani u genomu P. falciparum i četiri od tih apprear da funkcioniše u vakuole hrane (Banerjee, 2002). Plasmepsin-1 i plasmepsin-2 su najbolje opisuje i kako su sposobni za paranje Nedenaturisan hemoglobina između fenilalanin i leucina ostataka nalazi na pozicijama 33 i 34 na alfa-globinskog lanaca. Ovi ostaci se nalaze u konzerviranom domeni poznat kao šarke regiji, za koju se vjeruje da je ključna u stabilizaciju ukupnoj strukturi hemoglobina.Rascjep na ovom mjestu po svoj prilici izaziva globinskog podjedinice odvajanje i djelomično odvijati. Ovaj odvija će izlagati dodatnim proteaze lokacije unutar globinskog polipeptida lanaca. Druga plasmepsins, kao i plasmepsin-1 i plasmepsin-2, a falcipains su tada u mogućnosti da dalje degradirati ovih velikih globinskog fragmente. Pretpostavlja se da falcipain-2 (Shenai, 2000), i eventualno falcipain-3 (Sijwali, 2001), su u stanju da vari ili native hemoglobina i stoga također mogu sudjelovati u početnoj dekolteu hemoglobina.

Falcilysin ne može probaviti ni maternji hemoglobina ili denaturisano globinskog, ali lako cijepa mali polipeptidni fragmenti (do 20 aminokiselina) stvara djelovanjem falcipain i plasmepsin. Sajt specifičnosti falcilysin upotpunjuje plasmepsins i falcipains i dovodi do stvaranja peptida 6-8 aminokiselina u dužini. Stoga, probavu hemoglobina je polu-naredio proces koji uključuje početni degradacije velikih fragmenata praćeno naknadnim degradacije malim peptidi (Slika, od Wunderlich et al, 2012). Predloženi put hemoglobina probave uključuje početni rascjep po plasmepsin-1 (i eventualno falcipain-2), a zatim u kombinaciji akcije nekoliko plasmepsins i falcipains. Peptidnih fragmenata koje su proizvele ove probave su onda vare u manje peptide po falcilysin.

Hrana vakuole Proteaze

U početku n o hrani vakuole povezanih exopeptidase aktivnost mogla identificirati unutar vakuole hrane (Kolakovich 1997). Međutim, dvije amino peptidaze (APP) su naknadno pronađena u vakuole hrane (Dalal i Klemba, 2007) koji se može pretvoriti u peptide u aminokiseline. Osim toga, dipeptidil aminopeptidaza (DPAP) aktivnost je identificiran u vakuole hrane (Kemba 2004). Smatra se da je DPAP može ukloniti dipeptida iz N-Termini peptida generira kroz akcije različitih endopeptidases u vakuole hrane i zatim amino peptidaze može pretvoriti u ovih aminokiselina. Neutral amino peptidaze aktivnost je identificirana u citoplazmi nekoliko vrsta Plasmodium (Curley 1994; Florent 1998).

Šest aminokiselina transporteri su identifikovane u Plasmodium genomu. Međutim, postoje lokacije nisu poznati. Pfmdr-1 je lokaliziran u vakuole membrana hranu i član ATP-vezivanje kaseta (ABC) transportera natporodice. Neki ABC transportera funkcionirati na pomjeriti polipeptidi preko membrane. Na primjer, STE 6 gena kvasca prevozi faktora a-tipa parenja (kiselina peptid od 12 amino). Pfmdr-1 može nadopuniti STE 6 gen (Volkman 1995) ukazuje na to da bi mogao funkcionirati pumpati mali peptida u parazita citoplazmi . Međutim, noviji podaci ukazuju na to da Pf MDR-1 vjerojatno funkcija za uvoz rastvorene supstance, uključujući droge, u vakuole hrane (Rohrbach 2006). Još jedan transporter je izrazio na hranu vakuole membrana je Pf CRT (hlorokin otpor transproter). Pf CRT je član droge / metabolit transporter (DMT) natporodice i mogu izvoziti hlorokin i druge droge iz vakuole hrane. Peptidi su u mogućnosti da blokira izvoz droge preko Pf CRT, i na taj način ukazuje na to da Pf CRT može funkcionirati u preseljenje peptida iz vakuole hranu parazita citoplazme (Martin 2009).

Ukratko, a vjerojatno scenario za kompletnu probavu hemoglobina se sastoji od zajedničkih akcija u plasmepsins, falcipains i falcilysin vodi na proizvodnju malih peptida. Mali peptidi se zatim pretvaraju u aminokiseline ili dipeptida koji se zatim pretvoriti u aminokiseline. Mali peptidi i dipeptida ne potpuno pretvaraju u aminokiseline unutar vakuole hrana može biti translokacioni u parazita citoplazmu, gdje amino peptidaze obavlja završnu konverziju na aminokiseline.

Detoksikacija hem i ROI

Probavu hemoglobina i oslobađa hem. Besplatan Hem je otrovan zbog svoje sposobnosti da destabilizuje i Lyse membrana, kao i inhibira aktivnost nekoliko enzima. Tri, a možda i četiri, identifikovani su mehanizmi kojima se hem detoksikuju:

  • sekvestracija slobodnog hem u hemozoin, ili malarijskim pigment;
  • degradacija olakšan hidrogen peroksid u vakuole hrane;
  • degradacija je glutation-zavisni koja se javlja u parazita citoplazmi;
  • i eventualno hem oksigenaz koja je pronađena u P. berghei (glodara parazita) i P. knowlesi (Simian parazita), ali ne i P. falciparum.

Oba formiranje hemozoin put i degradativni putevi vjerojatno funkcionirati paralelno sa 25-50% slobodnog hem pretvara u hemozoin, a ostatak se degradirana (Ginsburg 1999). Međutim, neke studije pokazuju da do 95% slobodnog željeza pušten tijekom probave hemoglobina nalazi u hemozoin (Egan 2008). X-ray kristalografije i spektroskopskih analiza pokazuje da hemozoin ima istu strukturu kao i b -hematin (Pagola 2000). B -hematin je hem dimer formirana putem recipročne kovalentne veze između grupa karboksilne kiseline na protoporphyrin-IX prsten i željeza atoma dva hem molekula (slika, vidi i veći slike). Ove dimeri interakciju kroz vodik obveznica formiraju kristale hemozoin.Dakle, formiranje pigment je najbolje opisati kao biocrystallization, ili biomineralizacija, proces (Hempelmanom 2007; Egan 2008). Mehanizam nastanka hemazoin nije poznat, ali je nedavno protein koji može katalizirati stvaranje hemozoin je opisan (Jani 2008) . Lipidi mogu također sudjelovati u procesu u koji lipida tijela nisu uočeni u vakuole hrane i hemozoin je povezana sa lipidima (Egan 2008).

Strukture hem i Hemozoin
Hem beta-Hem hemozoin
Hem B -Hematin Hemozoin
Legenda. (Lijevog) Kemijska struktura hem. (Centar) Ball i štap model B-hematin. Recipročna veza između kisika i željeza prikazan u ljubičasto. (Desno) Space model punjenje predloženih hemozoin strukture (modificirani od Pagola 2000). Jedan B -hematin jedinica je navedeno u žutom. Boje su isti u sva 3 cifre. Vidi također veće brojke.

Jedan dio slobodnog hem može biti degradiran u neotrovne metabolita. Tri potencijalna procesi su opisani: u hrani vakuole je hidrogen peroksid posredovane oksidaciju od porfirina prstena dovodi do otvaranja i naknadne slom; neki od hem translocates preko hrane vakuole membranu u domaćina citoplazmu gdje se oksidira smanjen glutationa (GSH); a oksigenaz aktivnost hem je identificirana u nekim parazitima ne-ljudske malarije. Međutim, uloga ovi procesi igraju u degradaciji hem nije poznat.

Hlorokin i drugi 4-aminoquinolines inhibiraju formiranje pigmenta, kao i procesi hem degradativni (Ginsburg 1999), i na taj način spriječiti detoksikaciju hem. Slobodan hem destabilizira hrane vakuolarnom membrane i druge membrane i dovodi do smrti parazita. [Vidi detaljniju raspravu o akcijama hlorokin.] Činjenica da je biocrystallization hem je jedinstven proces parazita i nije pronađena u domaćinu račune za visok terapijski indeks takve droge u odsustvu otpora droge. Mnoge druge anti-malarials ciljati vakuole hrane ukazuje na važnost ove organele i njegove razne funkcije (Pregled slika) na preživljavanje parazita.

Peglu vezan za hemoglobin je prije svega u crne stanje (Fe 2+). Otpuštanje rezultata hem željeza se oksidira u željezni stanje (Fe 3+). Elektroni oslobodili ovaj oksidacija željeza promovirati stvaranje reaktivnih intermedijera kisika(ROI) kao što je superoksid anion radikala i vodikovog peroksida. ROI može dovesti do oštećenja ćelija. Superoksid dismutaza (SOD) i katalaze su ćelijski enzime koji je funkcija sprječavanje oksidativnog stresa detoksikacije superoksid i hidrogen peroksida, odnosno. Oba ova aktivnosti se nalaze u vakuole hrane i možda u toku uzimanja u eritrocita citoplazme dobijen od domaćina. (Vidi i Plasmodium biokemiju – Redox metabolizma.) Vodonik peroksid može se izvoziti u parazita citoplazmu gdje se detoksikuju od katalaze i glutation peroksidaze. Neki od vodikovog peroksida nastaje kao rezultat Fe 2+ ® Fe 3+ konverzije može koristiti za peroxidative degradacije hem.

Pregled aktivnosti i funkcije hrane vakuole

The Food vakuole

Reference

  • Banerjee R, Liu J, Beatty W, Pelosof L, Klemba M, i Goldberg DE (2002) Četiri plasmepsins su aktivni u Plasmodium falciparum hrane vakuole, uključujući proteaze sa aktivnim licu mjesta histidin. Proc Natl Acad Sci USA 99, 990 -995.
  • Curley GP, O'Donovan SM, McNally J, Mullally M, O'Hara H, Troy A, O'Callaghan SA, i Dalton, JP (1994) iz aminopeptidases Plasmodium falciparum, Plasmodium chabaudi chabaudi i Plasmodium berghei. J. EÜK. Microbiol. 41, 119-123.
  • Dalal, S i Klemba M (2007) Uloge za dva aminopeptidases u vakuolarnom hemoglobina katabolizma u Plasmodium falciparum. J Biol Chem 282, 35978-35987.
  • Egan TJ (2008) Haemozoin formaciju. Mol Biochem Parasitol 157, 127-136.
  • Eggleson KK, Duffin KL, i Goldberg, DE (1999) Identifikacija i karakterizacija falcilysin, a metalopeptidaza invovled u hemoglobina katabolizma u malarije parazit Plasmodium falciparum. J Biol Chem 274, 32411-32417.
  • Florent I, Derhy Z, Allary M, Monsigny M, Mayer R, i Schrevel J (1998) A Plasmodium falciparum aminopeptidaza gena koja pripada porodici M1 cinka-metallopeptidases je izražena u eritrocita fazama. Mol Biochem Parasitol 97, 149-160.
  • Ginsburg H, Ward SA, i Bray PG (1999) je integrirani model hlorokin akcije. Parasitol. Danas 15, 357.
  • Goldberg DE (2005) degradacija Hemoglobin. Curr Top Microbiol Immunol 295, 275-291.
  • Goldberg DE, Slater AFG, Beavis RC, Čat B, Cerami A, i Henderson GB (1991) degradacija hemoglobina u malarije patogena Plasmodium falciparum ljudski: a catablolic put inicirao određenu asparaginska proteaze. J Exp Med 173, 961-969.
  • Hempelmann E (2007) Hemozoin biocrystallization u Plasmodium falciparum i malarije aktivnost inhibitora kristalizacije. Parasitol Res 100, 671-676.
  • Jani D, Nagarkatti R, Beatty W, Angel R, Slebodnick C, Andersen J, Kumar S, Rathore D (2008) HDP-A roman hem detoksikacija proteina od malarije. PLoS patogena 4 (4) e1000053.
  • Klemba M, Gluzman sam i Goldberg DE (2004) A Plasmodium falciparum dipeptidil aminopeptidaza sam sudjeluje u degradaciji vakuolarnom hemoglobina. J Biol Chem 279, 43,000-43,007.
  • Kolakovich KA, Gluzman IY, Duffin KL, i Goldberg DE (1997) Generacija hemoglobina peptida u kiselom probavni vakuole Plasmodium falciparum implicira peptid transporta u proizvodnji aminokiselina. Mol Biochem Parasitol 87, 123-135.
  • Martin RE, Marchetti RV, Cowan AI, Howett SM, Broer S, Kirk K (2009) Hlorokin transport preko malarije parazita otpor hlorokin transportera. Science 325, 1680-1682.
  • Pagola S, Stephens PW, Bohle DS, Kosar AD, i Madsen SK (2000) Struktura malarije pigmenta B -haematin. Priroda 404, 307-310.
  • Rohrbach P, Sanchez CP, Hayton H, Friedrich O, Patel J, Sidhu ABS, Ferdig MT, Fidock DA, Lanzer M (2006) Genetska povezanost pfmdr1 s hranom vakuolarnom rastvorene uvoz u Plasmodium falciparum. EMBO J 25, 3000-3011.
  • Rosenthal PJ, McKerrow JH, Aikawa M, Nagasawa H, i Leech JH (1988) A malarije cistein proteinaza je neophodan za razgradnju hemoglobina po Plasmodium falciparum. J Clin Invest 82, 1560-1566.
  • Shenai BR, Sijwali PS, Singh A, i Rosenthal PJ (2000) Karakterizacija native i rekombinantne falcipain-2, a glavni trophzoite cistein proteaze i bitne hemoglobinase Plasmodium falciparum. J Biol Chem 275, 29000-29010.
  • Sijwali PS, Shenai BR, Gut J, Singh A, i Rosenthal PJ (2001) izražavanja i karakterizacija Plasmodium falciparum haemoglobinase falcipain-3. Biochem. J. 360, 481-489.
  • Volkman SK, Cowman AF, i Wirth DF (1995) Funkcionalna dopunu u ste6 gena Saccharomyces cerevisiae u sa pfmdr1 gen Plasmodium falciparum. Proc Natl Acad Sci USA 92, 8921-8925.
  • Wunderlich J, Rohrbach P, i Dalton JP (2012) The malarije probavni vakuole. Frontiers in Bioscience S4, 1424-1428.

No Comments

Leave a Reply