Biokimia Plasmodium

Pengantar

Parasit malaria, seperti semua organisme, harus memperoleh nutrisi dari lingkungan dan mengubah nutrisi ini untuk molekul lain atau energi (yaitu, katabolisme ).Molekul-molekul lain dan energi yang kemudian digunakan untuk mempertahankan homeostasis parasit, dan dalam pertumbuhan dan reproduksi parasit (yaitu,anabolisme ). Kedua proses anabolik dan katabolik yang dikatalisasi oleh enzim . Tumbuh dan mereproduksi organisme membutuhkan tingkat tinggi makromolekul dan biokimia lain untuk pemeliharaan struktur selular dan fungsi. Parasit malaria perlu memperoleh biokimia ini dan prekursor dari tuan rumah. [Lihat juga:Tinjauan Singkat Plasmodium Biokimia .]

Siklus hidup yang unik dan lingkungan mikro yang dihasilkan dari parasit telah menyebabkan evolusi jalur metabolisme yang berbeda dari host manusia.Dimungkinkan untuk mengeksploitasi ini jalur yang unik dan enzim dalam desain strategi terapi. Sebagai contoh, banyak anti-malaria yang diketahui mempengaruhivakuola makanan yang merupakan organel khusus untuk pencernaan sejumlah hemoblobin tuan rumah.

Daftar Isi:

• Biokimia Plasmodium -Brief Ikhtisar(Halaman Web terpisah)
• Hemoglobin Degradasi dan Vakuola Makanan
  • Menelan Host Sitoplasma
  • Makanan Vakuola Protease
  • Heme Detoksifikasi dan Radikal Oksigen
  • Ringkasan dari Makanan Vakuola(Gambar)
• Referensi
• Link lainnya

Hemoglobin Statistik

• 95% dari total protein eritrosit adalah Hb
• konsentrasi intraseluler dari Hb adalah 5 mM (> 300 mg / ml)
• 60-80% dari Hb yang terdegradasi oleh parasit
• pada 20% parasitemia, 110 g Hb dikonsumsi selama 48 jam

Parasit malaria membutuhkan asam amino untuk sintesis protein nya. Tiga sumber asam amino adalah: de novo sintesis, impor dari plasma tuan rumah, dan pencernaan dari tuan hemoglobin . (Lihat juga Plasmodium Biokimia - Protein dan Asam Amino .) Hemoglobin adalah protein yang sangat melimpah di sitoplasma eritrosit dan berfungsi sebagai sumber utama asam amino untuk parasit ( Box ). Hemoglobin dipecah menjadi peptida dan asam amino dalam kompartemen vacuolar dikenal sebagai vakuola makanan. [Lihat Wunderlich et al (2012) untuk kajian komprehensif dari vakuola makanan dan kegiatan yang berhubungan dengan vakuola.]Hemoglobin Degradasi dan Vakuola Makanan

Menelan Host Sitoplasma

Selama tahap cincin awal, parasit memakan stroma sel inang oleh pinositosis (Gambar, kanan, perhatikan ppm = parasit membran plasma ) menghasilkan vesikel membran ganda. Membran dalam, yang sesuai dengan PVM , cepat menghilang dan pencernaan hemoglobin berlangsung dalam ini vesikel kecil selama tahap trofozoit awal. Sebagai parasit dewasa, berkembang organel khusus, yang disebut cytostome , untuk penyerapan sitoplasma host dan vesikula yang mengandung pigmen kecil sekering untuk membentuk vakuola makanan besar. (Gametosit tidak membentuk vakuola makanan besar dan ditandai dengan vesikel yang mengandung pigmen kecil ditemukan di seluruh sitoplasma mereka.) Vesikel dua membran mencubit off dari dasar cytostome dan sekering dengan vakuola makanan. Membran dalam (awalnya PVM) yang segaris dan hemoglobin dilepaskan ke dalam vakuola makanan.

Protease dan Vakuola Makanan

Vakuola makanan kompartemen asam (pH 5,0-5,4) yang berisi protease kegiatan. Dalam hal ini vakuola makanan menyerupai lisosom , kecuali asam hidrolisis lainnya (misalnya., Glycosidases dan nucleases) belum teridentifikasi. Agaknya hidrolase asam lainnya tidak diperlukan karena lingkungan mikro eritrosit hampir secara eksklusif protein, dan khususnya, hemoglobin ( Box ). PH asam dari vakuola makanan dikelola oleh H ⁺ -translocating ATPase dan H a ⁺ -translocating pyrophosphatase, yang keduanya homolog dengan V-jenis transporter ditemukan pada tumbuhan. Jadi vakuola makanan mungkin homolog dengan tonoplast ditemukan pada tumbuhan dan protozoa lainnya.

Beberapa kegiatan protease yang berbeda, yang mewakili tiga dari empat kelas utama protease , telah diidentifikasi dalam vakuola makanan (Tabel). Beberapa plasmepsins dan falcipains telah diidentifikasi. Pencernaan hemoglobin mungkin terjadi dengan proses semi-memerintahkan melibatkan aksi sekuensial protease yang berbeda ( Goldberg, 2005 ). Beberapa gen plasmespsin telah diidentifikasi dalam genom dari P. falciparum dan empat ini seperti ditampilkan berfungsi dalam vakuola makanan ( Banerjee, 2002 ). Plasmepsin-1 dan plasmepsin-2 adalah yang terbaik ditandai dan keduanya mampu membelah hemoglobin didenaturasi antara fenilalanin dan leusin residu terletak di posisi 33 dan 34 pada rantai alpha-globin. Residu ini terletak di domain dilestarikan dikenal sebagai daerah sendi, yang diyakini penting dalam menstabilkan struktur keseluruhan hemoglobin. Pembelahan di situs ini mungkin menyebabkan subunit globin untuk memisahkan dan sebagian terungkap. Ini berlangsung akan mengekspos situs protease tambahan dalam globin polipeptida rantai. The plasmepsins lainnya, serta plasmepsin-1 dan plasmepsin-2, dan falcipains kemudian dapat lebih menurunkan ini fragmen globin besar. Ia telah mengemukakan bahwa falcipain-2 (Shenai 2000 ), dan mungkin falcipain-3 ( Sijwali 2001 ), mampu mencerna baik hemoglobin asli dan karena itu juga dapat berpartisipasi dalam pembelahan awal hemoglobin.

Falcilysin tidak bisa mencerna baik hemoglobin asli atau globin terdenaturasi, tapi mudah membelah fragmen polipeptida kecil (sampai dengan 20 asam amino) yang dihasilkan oleh aksi falcipain dan plasmepsin. Situs spesifisitas dari falcilysin melengkapi plasmepsins dan falcipains dan mengarah pada pembentukan peptida6-8 asam amino panjang. Oleh karena itu, pencernaan hemoglobin adalah proses semi-memerintahkan melibatkan degradasi awal untuk fragmen besar diikuti oleh degradasi setelah kecil peptida (Gambar, dari Wunderlich et al, 2012 ). Jalur yang diusulkan hemoglobin pencernaan melibatkan pembelahan awal oleh plasmepsin-1 (dan mungkin falcipain-2) diikuti oleh tindakan gabungan dari beberapa plasmepsins dan falcipains. The fragmen peptida yang dihasilkan oleh pencernaan ini kemudian dicerna menjadi peptida kecil oleh falcilysin.

Awalnya n o vakuola makanan terkait exopeptidase aktivitas dapat diidentifikasi dalam vakuola makanan ( Kolakovich 1997 ). Namun, dua peptidases amino (APP) yang kemudian ditemukan di vakuola makanan ( Dalal dan Klemba 2007 ) yang dapat mengkonversi peptida menjadi asam amino. Selain itu, dipeptidyl aminopeptidase (DPAP) aktivitas telah diidentifikasi dalam vakuola makanan ( Kemba 2004 ). Hal ini mendalilkan bahwa DPAP dapat menghapus dipeptides dari N-termini dari peptida yang dihasilkan melalui tindakan dari berbagai endopeptidases di vakuola makanan dan kemudian peptidases amino dapat mengkonversi menjadi asam amino. Netral aminopeptidase kegiatan telah diidentifikasi dalam sitoplasma beberapa Plasmodium spesies ( Curley 1994 ; Florent 1998 ).

Enam transporter asam amino telah diidentifikasi dalam Plasmodium genom. Namun, ada lokasi yang tidak diketahui. Pfmdr-1 telah diterjemahkan ke membran vakuola makanan dan merupakan anggota dari ATP-binding cassette (ABC) transporter superfamili. Beberapa transporter ABC berfungsi untuk mentranslokasi polipeptida melintasi membran. Sebagai contoh, STE gen 6 ragi mengangkut faktor-jenis perkawinan (a asam 12 amino peptida). Pfmdr-1 dapat melengkapi STE 6 gen ( Volkman 1995 ) menunjukkan bahwa hal itu bisa berfungsi untuk memompa peptida kecil ke dalam sitoplasma parasit . Namun, data yang lebih baru menunjukkan bahwa Pf mdr-1 fungsi kemungkinan untuk mengimpor zat terlarut, termasuk obat, ke dalam vakuola makanan ( Rohrbach 2006 ).

Transporter lain diekspresikan pada membran vakuola makanan Pf CRT (chloroquine resistance transproter). Pf CRT awalnya diidentifikasi dalam studi hubungan genetik sebagai dikaitkan dengan resistensi klorokuin. Pf CRT adalah anggota dari transporter obat / metabolit (DMT) superfamili dan dapat klorokuin ekspor dan obat lain dari vakuola makanan. Peptida dapat memblokir ekspor obat melalui Pf CRT, sehingga menunjukkan bahwa Pf CRT dapat berfungsi dalam translokasi peptida dari vakuola makanan ke sitoplasma parasit ( Martin 2009 ). Studi tambahan menunjukkan bahwa Pf CRT adalah proton (H ⁺ ) -coupled eksportir nutrisi polyspecific mampu mengangkut berbagai substrat ( Juge 2015 ).

Singkatnya, skenario yang mungkin untuk pencernaan lengkap hemoglobin terdiri dari tindakan bersama dari plasmepsins, falcipains dan falcilysin mengarah ke produksi peptida kecil. Peptida kecil kemudian diubah menjadi asam amino atau dipeptides yang kemudian dikonversi dalam asam amino. Peptida kecil, dipeptides, dan asam amino translokasi ke dalam sitoplasma parasit melalui Pf CRT menggunakan proton gradien elektrokimia. Peptida dan di-peptida dikonversi ke asam amino di sitoplasma dengan peptidases amino berlimpah.
 

Detoksifikasi Heme dan ROI

Pencernaan hemoglobin juga melepaskan heme . Heme bebas adalah racun karena kemampuannya untuk mengacaukan dan membran melisiskan, serta menghambat aktivitas beberapa enzim. Tiga, dan mungkin empat, mekanisme yang heme didetoksifikasi telah diidentifikasi:

• penyerapan dari heme bebas ke hemozoin , atau pigmen malaria;
• degradasi difasilitasi oleh hidrogen peroksida dalam vakuola makanan;
• degradasi glutathione tergantung yang terjadi dalam sitoplasma parasit;
• dan mungkin oxygenase heme yang ditemukan di P. berghei (hewan pengerat parasit) dan P. knowlesi (monyet parasit), tetapi tidak P. falciparum .

Kedua jalur pembentukan hemozoin dan jalur degradatif mungkin berfungsi secara bersamaan dengan 25-50% dari heme bebas yang diubah menjadi hemozoin dan sisanya terdegradasi ( Ginsburg 1999 ). Namun, beberapa studi menunjukkan bahwa hingga 95% dari besi bebas yang dilepaskan selama hemoglobin pencernaan ditemukan dalam hemozoin ( Egan 2008 ). X-ray kristalografi dan analisis spektroskopi menunjukkan bahwa hemozoin memiliki struktur yang sama dengan b -hematin ( PAGOLA 2000 ). b -hematin adalah dimer heme dibentuk melalui ikatan kovalen timbal balik antara gugus asam karboksilat pada cincin protoporfirin-IX dan atom besi dari dua molekul heme (Gambar, melihat gambar juga lebih besar ). Dimer ini berinteraksi melalui ikatan hidrogen untuk membentuk kristal hemozoin. Oleh karena itu, pembentukan pigmen paling tepat digambarkan sebagai biocrystallization, atau biomineralization, proses ( Hempelmann 2007 ; Egan 2008 ). Mekanisme pembentukan hemazoin tidak diketahui, tetapi baru-baru protein yang dapat mengkatalisis pembentukan hemozoin telah dijelaskan ( Jani 2008) . Lipid juga dapat berpartisipasi dalam proses dalam tubuh lipid telah diamati dalam vakuola makanan dan hemozoin berhubungan dengan lipid ( Egan 2008 ).

Struktur Heme dan Hemozoin

Dia me b -Hematin Hemozoin Legenda. (Kiri) Struktur kimia heme. (Pusat) Ball dan tongkat model b-hematin. Ikatan timbal balik antara oksigen dan zat besi yang ditampilkan dalam warna ungu. (Kanan) Ruang Model mengisi struktur hemozoin diusulkan (dimodifikasi dari PAGOLA 2000 ). Sebuah single b Unit -hematin diuraikan dengan warna kuning. Warna adalah sama di semua 3 angka. Lihat juga angka yang lebih besar .

Sebagian dari heme bebas dapat terdegradasi menjadi metabolit tidak beracun. Tiga proses yang potensial telah dijelaskan: dalam makanan vakuola hidrogen peroksida dimediasi oksidasi dari porfirin cincin mengarah ke pembukaan dan kerusakan berikutnya; beberapa heme translocates melintasi membran vakuola makanan ke dalam sitoplasma inang dimana teroksidasi oleh glutation tereduksi (GSH); dan aktivitas oksigenase heme telah diidentifikasi dalam beberapa parasit malaria non-manusia. Namun, peran proses ini bermain di degradasi heme tidak diketahui.

Klorokuin dan lainnya 4-aminoquinolines menghambat pembentukan pigmen, serta proses heme degradatif ( Ginsburg 1999 ) , dan dengan demikian mencegah detoksifikasi heme. Heme bebas mendestabilkan membran vacuolar makanan dan membran lainnya dan menyebabkan kematian parasit. [Lihat pembahasan lebih rinci tentang tindakan klorokuin .] Fakta bahwa biocrystallization heme adalah proses yang unik untuk parasit dan tidak ditemukan dalam rekening tuan rumah untuk indeks terapi obat yang tinggi seperti dengan tidak adanya resistensi obat. Banyak obat antimalaria lainnya menargetkan vakuola makanan menunjukkan pentingnya organel ini dan berbagai fungsi (Ringkasan Gambar) bagi kelangsungan hidup parasit.

Besi terikat pada hemoglobin terutama di negara besi (Fe ²⁺ ). Rilis hasil heme besi yang teroksidasi ke keadaan besi (Fe ³⁺ ). Elektron dibebaskan oleh oksidasi ini besi mempromosikan pembentukan intermediet oksigen reaktif (ROI) seperti radikal anion superoksida dan hidrogen peroksida. ROI dapat menyebabkan kerusakan sel. Superoksida dismutase (SOD) dan katalase adalah enzim-enzim seluler yang berfungsi untuk mencegah stres oksidatif oleh detoksifikasi superoksida dan hidrogen peroksida, masing-masing. Kedua kegiatan ini ditemukan dalam vakuola makanan dan mungkin telah diperoleh dari tuan rumah selama menelan sitoplasma eritrosit. (Lihat juga Plasmodium Biokimia - Redox metabolisme .) Hidrogen peroksida juga dapat diekspor ke dalam sitoplasma parasit di mana ia didetoksifikasi oleh katalase dan glutation peroksidase. Beberapa hidrogen peroksida diproduksi sebagai hasil dari Fe ²⁺ ® Fe ³⁺ konversi dapat juga digunakan untuk degradasi peroxidative heme.

Ringkasan Kegiatan dan Fungsi Food Vakuola

Referensi

• Banerjee R, Liu J, Beatty W, Pelosof L, Klemba M, dan Goldberg DE (2002) Empat plasmepsins aktif dalam Plasmodium falciparum vakuola makanan, termasuk protease dengan aktif-situs 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, dan Dalton, JP (1994) aminopeptidase dari Plasmodium falciparum ,Plasmodium chabaudi chabaudi dan Plasmodium berghei . J. eUK. Microbiol. 41, 119-123.
• Dalal, S dan Klemba M (2007) Peran selama dua aminopeptidase di vacuolar hemoglobin katabolisme di Plasmodium falciparum . J Biol Chem 282, 35978-35987 .
• Egan TJ (2008) Haemozoin formasi. Mol Biochem Parasitol 157, 127-136 .
• Eggleson KK , Duffin KL, dan Goldberg, DE (1999) Identifikasi dan karakterisasi falcilysin, sebuah metallopeptidase invovled di hemoglobin katabolisme dalam parasit malaria Plasmodium falciparum . J Biol Chem 274, 32411-32417 .
• Florent saya , Derhy Z, Allary M, Monsigny M, Mayer R, dan Schrével J (1998) A Plasmodium falciparum gen aminopeptidase milik keluarga M1 seng-metallopeptidases dinyatakan dalam tahap erythrocytic. Mol Biochem Parasitol 97, 149-160 .
• Ginsburg H , Ward SA, dan Bray PG (1999) Model terpadu tindakan klorokuin. Parasitol. Hari ini 15, 357 .
• Goldberg DE (2005) degradasi Hemoglobin. Curr Top Microbiol Immunol 295, 275-291 .
• Goldberg DE , Slater AFG, Beavis RC, Chait B, Cerami A, dan Henderson GB (1991) degradasi Hemoglobin dalam malaria patogen manusia Plasmodium falciparum : jalur catablolic diprakarsai oleh protease aspartat tertentu. J Exp Med 173, 961-969.
• Hempelmann E (2007) Hemozoin biocrystallization di Plasmodium falciparum dan aktivitas antimalaria dari inhibitor kristalisasi. Parasitol Res 100, 671-676 .
• Jani D, Nagarkatti R, Beatty W, Angel R, Slebodnick C, Andersen J, Kumar S, Rathore D (2008) HDP-Sebuah novel heme detoksifikasi protein dari parasit malaria. PLoS Pathogens 4 (4) e1000053 .
• N Juge, Moriyama S, Miyaji T, Kawakami M, Iwai H, Fukui T, Nelson N, Omote H, Moriyama Y (2015) Plasmodium Falciparum Klorokuin Resistance Transporter Apakah A H ^Tasu -Coupled Polyspecific Nutrent Dan Obat Eksportir. Proc Natl Acad Sci 112 USA, 3356-3361 .
• Klemba M, Gluzman I dan Goldberg DE (2004) A Plasmodium falciparum aminopeptidase dipeptidyl saya berpartisipasi dalam degradasi vacuolar hemoglobin. J Biol Chem 279, 43,000-43,007 .
• Kolakovich KA , Gluzman IY, Duffin KL, dan Goldberg DE (1997) Generasi peptida hemoglobin dalam vakuola pencernaan asam dari Plasmodium falciparumberimplikasi transportasi peptida dalam produksi asam amino. Mol Biochem Parasitol 87, 123-135.
• Martin RE, Marchetti RV, Cowan AI, Howett SM, Broer S, Kirk K (2009) Klorokuin transportasi melalui transporter resistensi klorokuin parasit malaria ini. Ilmu 325, 1680-1682 .
• Pagola S , Stephens PW, Bohle DS, Kosar AD, dan Madsen SK (2000) Struktur pigmen malaria b -haematin. Nature 404, 307-310.
• Rohrbach P, Sanchez CP, Hayton H, Friedrich O, Patel J, Sidhu ABS, Ferdig MT, Fidock DA, Lanzer M (2006) linkage genetik pfmdr1 dengan vacuolar makanan terlarut impor Plasmodium falciparum . EMBO J 25, 3000-3011 .
• Rosenthal PJ , McKerrow JH, Aikawa M, Nagasawa H, dan Leech JH (1988) Sebuah proteinase sistein malaria diperlukan untuk degradasi hemoglobin olehPlasmodium falciparum . J Clin Invest 82, 1560-1566.
• Shenai BR , Sijwali PS, Singh A, dan Rosenthal PJ (2000) Karakterisasi asli dan rekombinan falcipain-2, sebuah trophzoite sistein protease pokok dan hemoglobinase penting dari Plasmodium falciparum . J Biol Chem 275, 29000-29010 .
• Sijwali PS , Shenai BR, Gut J, Singh A, dan Rosenthal PJ (2001) Ekspresi dan karakterisasi Plasmodium falciparum haemoglobinase falcipain-3. Biochem. J. 360, 481-489.
• Volkman SK , Cowman AF, dan Wirth DF (1995) komplementasi fungsional gen ste6 dari Saccharomyces cerevisiae dengan gen pfmdr1 dari Plasmodium falciparum . Proc Natl Acad Sci USA 92, 8921-8925.
• Wunderlich J, Rohrbach P, dan Dalton JP (2012) The malaria vakuola pencernaan. Frontiers di Bioscience S4, 1424-1428 .