Journal of Glycomics & Lipidomics
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Abstrakt

Bewertung der metabolischen Redoxhomöostase bei Prokaryoten

Sanna Kreula

Die Arbeit konzentriert sich auf die zelluläre Redoxhomöostase in prokaryotischen Mikroorganismen und insbesondere auf Faktoren, die mit dem Stoffwechsel des Nicotinamidadenin-Cofaktors [NADP(H) und NAD(H)] in  E. coli  und dem photoautotrophen Cyanobakterium  Synechocystis sp . PCC 6803 verbunden sind. Diese Cofaktoren sind an zahlreichen Elektronentransferreaktionen in der Zelle beteiligt und verknüpfen enzymatische Reaktionen mit dem Gesamtenergiestoffwechsel mit biosynthetischen Reaktionen und Haushaltsfunktionen. Ein umfassender Überblick über die Interaktionen und Regelkreise ist daher von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Anpassung an unterschiedliche  Umweltbedingungen , wie sie beispielsweise beim Übergang zwischen autotrophem und heterotrophem Wachstumsmodus bei Cyanobakterien auftreten. Das Hauptziel besteht darin, die Rolle der protonengradientengekoppelten Pyridinnukleotid-Transhydrogenase PntAB zu untersuchen. Funktionelle Charakterisierung kombiniert mit Strukturmodellierung von PntAB in  Synechocystis sp . PCC 6803 wurde durchgeführt und es wurden informationsreiche Netzwerke erstellt, um neue Kandidaten zu identifizieren, die an der NADP(H)-Regulierung in verschiedenen Organismen beteiligt sind. Darüber hinaus wird PntAB durch Deletions- und Überexpressionsmutanten unter anaeroben Fermentationsbedingungen und bei verschiedenen pH-Werten in  E. coli untersucht . Insbesondere soll die Initiative klären, inwieweit die Regulierung des Cofaktor-Redoxgleichgewichts auf der Ebene alternativer kataboler Wege beim Glukoseabbau stattfindet und welche Rolle PntAB unter diesen spezifischen Bedingungen spielt. Der Ansatz besteht darin,  pntAB  -Überexpressions- und Knock-out-Stämme zu erzeugen und sie in ihren phänotypischen Wachstumseigenschaften sowie in Bezug auf Änderungen im zentralen Kohlenstoffstoffwechsel zu vergleichen, indem die Verteilung lokaler Aminosäureverhältnisse unter Verwendung von C13-markierter Glukose als Sonde analysiert wird ^.  Die Redoxchemie ist ein wesentlicher Bestandteil des Pflanzenstoffwechsels. Der zelluläre Redoxzustand wird durch Oxidation oder Reduktion verschiedener redoxaktiver Spezies bestimmt, die an einer Vielzahl von Stoffwechselreaktionen beteiligt sind. Im Chloroplasten werden Reduktionsmittel wie Ferredoxin (Fdx) und NADPH durch die photosynthetische Elektronentransportkette produziert und zusammen mit ATP zur Erzeugung von Zuckerphosphaten, Aminosäuren und vielen anderen Metaboliten verwendet, die dem Rest der Zelle zugeführt werden. Darüber hinaus ist der NAD(P)H-Stoffwechsel an zentralen Prozessen wie Glykolyse, Fermentation und oxidativem Pentosephosphatweg (OPP) im Zytosol, Tricarbonsäurezyklus (TCA),   respiratorischem Elektronentransport und biosynthetischen Prozessen in Mitochondrien sowie Photorespiration in Plastiden, Mitochondrien und Peroxisomen beteiligt.Der Redoxstatus ist nicht nur ein wesentlicher Bestandteil des Stoffwechsels, sondern spielt auch eine aktive Rolle bei der Stoffwechselregulierung. In dieser Hinsicht fungiert der Redoxstatus als wichtiger Integrator des Zellstoffwechsels und wird gleichzeitig selbst durch Stoffwechselprozesse reguliert. Dies ermöglicht eine Neuanpassung globaler Stoffwechselwege und der Homöostase des Redoxstatus als Reaktion auf Änderungen der Umweltbedingungen, was eine Neuprogrammierung der Genexpression und eine posttranslationale Modifikation von Zielenzymen durch Thiol-Disulfid-Modulationen beinhaltet. Die zugrunde liegenden Signalwege wurden in den vergangenen Jahren nur teilweise entdeckt. Während viel über Redoxstatussignale bekannt ist, die an der Lichtaktivierung photosynthetischer Prozesse beteiligt sind, ist wenig über die Redoxregulierung anderer Stoffwechselwege im Plastid und des extraplastidialen Stoffwechsels bekannt. Während neuere Studien Beweise für die Existenz von Redoxsignalen liefern, die den Stoffwechsel und die Genexpression zwischen verschiedenen Organellen wie Plastid, Mitochondrium und Zellkern koordinieren, ist ihre Natur noch nicht geklärt. In dieser Übersicht beschreiben wir die Redoxstatus-Kontrolle des Stoffwechsels und die metabolische Kontrolle des Redoxstatus auf zellulärer und subzellulärer Ebene, wobei wir uns hauptsächlich auf posttranslationale Mechanismen konzentrieren. Trotz der Fülle an Literatur, die sich mit der redoxstatusregulierten Genexpression beschäftigt, werden wir dies nur am Rande beschreiben, da es Gegenstand einiger hervorragender neuerer Übersichten ist. Im ersten Teil werden redoxstatusbezogene Stoffwechselprozesse in ihrem subzellulären Kontext beschrieben, im Hinblick auf redoxstatusregulierende Eigenschaften und intraorganelläre Signale, die an ihrer Koordination beteiligt sind. In dieser Hinsicht liegt unser Hauptaugenmerk auf Organellen wie Plastiden, Mitochondrien und Peroxisomen, wobei die Leser auf andere umfassende Übersichten verwiesen werden, um Einzelheiten zu sowohl zytosolischen als auch apoplastischen Aspekten des Redoxstatus zu erfahren, wobei hier nur ein grober Überblick über die wichtigsten Merkmale im Zusammenhang mit dem zellulären Stoffwechsel und der zellulären Funktion gegeben wird. Im zweiten Teil werden wir die Integration auf zellulärer Ebene diskutieren und uns dabei hauptsächlich auf interorganellare Signale konzentrieren, die die Regulierung des Redoxstatus des Stoffwechsels zwischen verschiedenen subzellulären Kompartimenten koordinieren. Plastidiale Redoxstatusbiologie Chloroplasten sind pflanzenspezifische Organellen mit wichtigen Eigenschaften, von denen die herausragendste ihre Fähigkeit ist, sauerstoffhaltige Photosynthese durchzuführen. Während dieses Prozesses wird Lichtenergie von den Photosystemen I (PS I) und II (PS II) in der Thylakoidmembran absorbiert und zur Aktivierung des photosynthetischen Elektronentransports verwendet. Der lineare Elektronenfluss erfordert, dass beide Photosysteme in Reihe arbeiten, was zu einem Elektronentransfer von Wasser zu NADP ⁺ führt  , um NADPH als Reduktionsmittel und einen trans-Thylakoid-Protonengradienten zu erzeugen, der die ATP-Synthese  über  CF ₀ F _{1 antreibt.}ATPase. Dabei handelt es sich um den Elektronentransfer von PS II zu PS I  über  Plastochinon (PQ), den Cytochrom b ₆ f-  Komplex und Plastocyanin als zusätzliche Redoxträger. Auf der Stromaseite von PS I werden Elektronen anschließend an Fdx abgegeben, das als mobiler Elektronenträger fungiert und Elektronen über Fdx-NADP-Reduktase (FNR) an NADP ⁺  verteilt  , um NADPH zu produzieren, oder direkt an bestimmte Prozesse im Stroma, wie S- und N-Assimilation, die Synthese von Chlorophyll und Fettsäuren und Reaktionen, die an der Redoxregulierung von Chloroplasten beteiligt sind. Bei letzterem werden Elektronen von Fdx  über  Fdx-Trx-Reduktase (FTR) an Thioredoxine (Trxs) übertragen. Trxs sind kleine regulatorische Proteine, die eine redoxaktive Disulfidgruppe enthalten, die den Thiol-Disulfid-Austausch von Zielproteinen steuert. Bei Pflanzen bilden Trxs eine mittelgroße Genfamilie mit 10 verschiedenen Isoformen ( f 1–2,  m 1–4,  x ,  y 1–2 und  z ), die sich im Chloroplasten von Arabidopsis befinden, während andere Isoformen im Zytosol und in den Mitochondrien vorkommen.  In-vitro  -Studien mit gereinigten Proteinen zeigen, dass Trxs  f  und  m  an der Regulierung des Stromastoffwechsels beteiligt sind, während x-, y- und z-Typen als reduzierende Substrate für antioxidative Enzyme dienen. In jüngerer Zeit wurden genetische Studien verwendet, um die spezifischen Rollen verschiedener Trxs  in vivo weiter zu entschlüsseln , was Hinweise darauf lieferte, dass verschiedene Isoformen von Trxs  f  und  m  in Pflanzen unterschiedliche Funktionen haben.