| Beschreibung |
Ectoin ist ein Carboxamidin-Heterozyklus, der durch formale Kondensation von (2S)-2,4-Diaminobuttersäure mit Essigsäure gewonnen wird. Es spielt eine Rolle als Osmolyt. Es ist ein Carboxamidin, ein Mitglied der 1,4,5,6-Tetrahydropyrimidine und eine Monocarbonsäure. Es ist eine konjugierte Säure eines Ectoinats. Es ist ein Tautomer eines Ectoin-Zwitterions. |
| ein kleines organisches Molekül |
Ectoin, ein kleines organisches Molekül, kommt häufig in aeroben, chemoheterotrophen und halophilen Organismen vor und ermöglicht ihnen das Überleben unter extremen Bedingungen. Diese Organismen schützen ihre Biopolymere (Biomembranen, Proteine, Enzyme und Nukleinsäuren) durch erhebliche Ectoinsynthese und -anreicherung innerhalb der Zelle vor Dehydrierung, die durch hohe Temperaturen, Salzkonzentration und niedrige Wasseraktivität verursacht wird. Der organische Osmolyt Ectoin und Hydroxyectoin sind amphotere, wasserbindende, organische Moleküle. Sie sind im Allgemeinen mit dem Zellstoffwechsel kompatibel, ohne die Biopolymere oder physiologischen Prozesse negativ zu beeinflussen, und sind sogenannte kompatible gelöste Stoffe. Kleine organische Moleküle. |
| Physikochemische Eigenschaften |
Wie andere kompatible gelöste Stoffe sind Ectoin und 5-Hydroxyectoin Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die in Wasser gut löslich sind (etwa 4 M bei 20 °C), wodurch die Anreicherung dieser Verbindungen in nahezu molaren Konzentrationen in stark osmotisch beanspruchten mikrobiellen Zellen ermöglicht wird. Verschiedene biophysikalische Techniken wurden verwendet, um die Auswirkungen von Ectoin auf die Hydratation von Proteinen und Zellmembranen sowie auf über Wasserstoffbrücken vermittelte Wechselwirkungen zu untersuchen. Insgesamt zeigten diese Daten, dass Ectoin von der Monoschicht aus dichtem Hydratationswasser um lösliche Proteine und von der unmittelbaren Hydratationsschicht an der Grenzfläche zwischen Membran und Flüssigkeit ausgeschlossen ist. Ectoin verbessert die Eigenschaften von Wasserstoffbrückenbindungen in wässrigen Lösungen und trägt dadurch zur Dynamik und Stabilisierung makromolekularer Strukturen bei. Ectoin besitzt eine negativ geladene Carboxylatgruppe, die an eine Ringstruktur gebunden ist, die eine delokalisierte positive Ladung enthält. Das daraus resultierende Wechselspiel zwischen hydrophilen und hydrophoben Kräften beeinflusst die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Wasser und gelösten Stoffen und übt dadurch starke Auswirkungen auf die Hydratation von Ectoin selbst, die Bindung von Ionen und den Einfluss auf die lokale Wasserstruktur aus. Molekulardynamiksimulationen haben gezeigt, dass Ectoin und 5-Hydroxyectoin starke Wasserbinder sind und sieben bzw. neun Wassermoleküle in einem Abstand von weniger als 0,6 nm um sich herum ansammeln können. Zusammengenommen ermöglichen die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Ectoin eine physiologisch angemessene Hydratation des Zytoplasmas bei seiner auf Osmosestress reagierenden Anreicherung, haben Auswirkungen auf die lokale Wasserstruktur und üben außerdem einen großen schützenden Einfluss auf die Stabilität von Proteinen und die Funktionalität von Makromolekülen aus. |
| Osmolytische Eigenschaften von Ectoin |
Ectoin und 5-Hydroxyectoin werden von Mikroorganismen als Reaktion auf echten osmotischen Stress produziert und nicht nur als Reaktion auf einen Anstieg des äußeren Salzgehalts. In Fällen, in denen der Aufbau von Ectoin-/5-Hydroxyectoin-Pools detaillierter untersucht wurde, besteht häufig ein linearer Zusammenhang zwischen dem zellulären Gehalt dieser gelösten Stoffe und der externen Salinität/Osmolarität. Dieser Befund impliziert, dass Bakterienzellen inkrementelle Erhöhungen des Ausmaßes des umweltbedingten osmotischen Stresses wahrnehmen, diese Informationen genetisch/physiologisch verarbeiten und dann ihre Ectoin/5-Hydroxyectoin-Biosynthesekapazität fein abgestimmt einstellen können, um die auferlegten Einschränkungen zu lindern durch hohe Osmolarität auf Zellhydratation, Physiologie und Wachstum. Durch eine hohe Osmolarität bedingte Erhöhungen der zellulären Ectoin-Pools werden größtenteils durch osmotisch reagierende Erhöhungen der Transkription der Ectoin/5-Hydroxyectoin-Biosynthesegene erreicht, obwohl es auch posttranskriptionelle Effekte geben könnte. Ein Beweis für die Rolle von Ectoin als wirksamer Schutz vor Osmosestress ist die Feststellung, dass die Störung der ectABC-Biosynthesegene eine osmotische Empfindlichkeit verursacht und die genetische Störung des Gens (ectD) für die Ectoinhydroxylase in Chromohalobacter salexigens die Fähigkeit beeinträchtigt, effektiv mit hohem Stress umzugehen Extreme Wachstumstemperaturen. In Mikroorganismen, die sowohl Ectoin als auch 5-Hydroxyectoin synthetisieren können, findet man häufig eine Mischung dieser beiden gelösten Stoffe. Interessanterweise bot eine solche 1:1-Mischung (jeweils 0,5 mM) den besten Schutz vor Salz- und Hitzestress für Streptomyces coelicolor, wenn sie dem Wachstumsmedium zugesetzt wurde. Allerdings gibt es auch Mikroorganismen, die bei osmotischem Stress und verschiedenen Wachstumsphasen der Kultur scheinbar fast ausschließlich 5-Hydroxyectoin produzieren. |
| Existenz |
Ectoin kommt in hohen Konzentrationen in halophilen Mikroorganismen vor und verleiht Resistenz gegen Salz- und Temperaturstress. Ectoin wurde erstmals im Mikroorganismus Ectothiorhodospira halochloris identifiziert, wurde jedoch seitdem in einer Vielzahl gramnegativer und grampositiver Bakterien gefunden. |
| Biosynthese von Ectoin |
Ectoine kommen häufig in aeroben heterotrophen Eubakterien vor. Das Eingangsmolekül der Ectoin-Biosynthese ist Aspartat-Semialdehyd, ein Zwischenprodukt im Aminosäurestoffwechsel. Der Aldehyd wird in L-2,4-Diaminobuttersäure umgewandelt, die dann zu Nγ-Acetyldiaminobuttersäure (NADA) acetyliert wird. Der letzte Schritt ist die Zyklisierung dieses gelösten Stoffes unter Bildung von Ectoin. Die Ectoinsynthese wird durch den Prozess von drei Genen durchgeführt: ectABC. Das ectA-Gen kodiert für Diaminobuttersäure-Acetyltransferase; ectB kodiert für die Diaminobuttersäure-Aminotransferase und ectC kodiert für Ectoinsynthase.
Ectoin wird aus Aspartat-Semialdehyd synthetisiert, dem zentralen Zwischenprodukt bei der Synthese von Aminosäuren, die zur Familie der Aspartate gehören. Die Bildung von Ectoin umfasst drei enzymatische Schritte. Zunächst wird Aspartat-Semialdehyd mit Glutamat als Aminogruppendonor zu 2,4-Diaminobuttersäure (DABA) transaminiert. Die Transaminierung wird durch die DABA-Transaminase ectB katalysiert. EctB ist ein Protein mit 421 Resten und einer Molekülmasse von 46,1 kDa, das K 1 für seine Transaminaseaktivität und für die Proteinstabilität benötigt. Gelfiltrationsexperimente mit gereinigtem Protein aus H. elongata weisen darauf hin, dass die DABA-Aminotransferase ectB im nativen Zustand ein Homohexamer bilden könnte. Anschließend wird durch DABA-Nγ-Acetyltransferase ectA eine Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf DABA übertragen, um Nγ-Acetyl-L-2,4-diaminobuttersäure zu synthetisieren. EctA ist ein Protein mit 192 Resten und einer berechneten Molekularmasse von 21,2 kDa. Schließlich katalysiert die Ectoinsynthase ectC die zyklische Kondensation von Nγ-Acetyl-2,4-diaminobuttersäure, die zur Bildung von Ectoin führt. EctC ist ein Protein mit 137 Resten und einem berechneten Molekulargewicht von 15,5 kDa mit einem pI-Wert von 4,9. Das ectC-Protein gehört zur Enzymfamilie der Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen. In-vitro-Experimente mit gereinigtem ectC zeigten, dass die Ectoin-Synthase-Aktivität und die Affinität zu ihrem Substrat durch NaCl stark beeinflusst werden. Unter bestimmten Stressbedingungen (z. B. erhöhte Temperaturen) wandelt H. elongata einen Teil des Ectoins durch Ectoinhydroxylase (EctD) in 5-Hydroxyectoin um. Die Ectoinhydroxylase EctD besteht aus 332 Aminosäuren und hat ein Molekulargewicht von 37,4 kDa. Das ectD-Protein ist ein Mitglied einer Oxygenase-Unterfamilie innerhalb der nicht-hämhaltigen, Eisen(II)- und α-Ketoglutarat-abhängigen Dioxygenase-Superfamilie. Es wurde gezeigt, dass Ectoinhydroxylase die direkte Hydroxylierung von Ectoin zu 5-Hydroxyectoin katalysiert. Die Gene für die Ectoin-Biosynthese ectABC sind geclustert und können nur 5 kb vom Endpunkt der Chromosomenreplikation entfernt gefunden werden. Das ectD-Gen, das die Hydroxylase für die Hydroxyectoin-Synthese codiert, befindet sich außerhalb des ectABC-Clusters. Kürzlich haben Schwibbert und Mitarbeiter die Transkriptionsinitiationsstellen von ectABC kartiert und zwei Promotoren vor ectA und einen stromaufwärts von ectC gefunden. Stromaufwärts von ectA wurden ein mutmaßlicher σ70-Promotor und ein osmotisch induzierbarer σ38-Promotor gefunden, während vor ectC ein σ54-kontrollierter Promotor lokalisiert ist. σ54-kontrollierte Promotoren sind häufig an der Transkription stickstoffregulierter Gene beteiligt. Die Transkriptionsregulation von ectABC durch einen osmoregulierten σ38-Promotor und einen σ54-Promotor steht im Einklang mit physiologischen Beobachtungen, die bei anderen Bakterien wie Corynebacterium glutamicum und Halorhodospira (früher Ectothiorhodospira) halochloris gemacht wurden. Bei diesen Organismen wurde gezeigt, dass die Synthese der kompatiblen gelösten Stoffe Prolin bzw. Glycinbetain nicht nur vom Salzgehalt, sondern auch von der Stickstoffversorgung bestimmt wird. Die Ectoin-Biosynthese wird auf der Ebene der Transkription und Enzymaktivität reguliert. Die Transkriptomanalyse von H. elongata ergab einen Anstieg der mRNA von ectA, ectB und ectC mit steigender Natriumchloridkonzentration von 0,6 % (0,1 M) auf 12 % (2 M) NaCl. Ähnliche Ergebnisse wurden aus der Proteomanalyse erhalten, die einen Anstieg des ectABC-Proteins bei erhöhten Salzgehalten zeigte. Der Beitrag der Expression und Enzymaktivität von ectABC zur osmoregulierten Ectoinsynthese wurde an Zellen von H. elongata untersucht, die mit behandelt wurden, um die Proteinbiosynthese zu unterbinden. Kulturen von H. elongata mit und ohne Cm, die bei 1 % NaCl (0,17 M) und 4 % NaCl (0,68 M) wuchsen, wurden einer osmotischen Hochverschiebung ausgesetzt. Die Salzkonzentration der Kulturen, die mit 1 % NaCl wuchsen, wurde auf 4 % NaCl und in den Kulturen, die mit 4 % NaCl wuchsen, auf 8 % NaCl erhöht. Die mit Cm behandelten Zellen, die bei einer niedrigen Salzkonzentration von 1 % NaCl gezüchtet wurden, konnten als Reaktion auf den Salzschock, der den Salzgehalt auf 4 % NaCl erhöhte, nicht ausreichend Ectoin synthetisieren. |
| Beschreibung |
Ectoin ist ein zyklischer organischer Tetrahydropyrimidin-Osmolyt, der im halophilen Bakterium Ectothiorhodospira halochloris entdeckt wurde. Es ist der am häufigsten von aeroben heterotrophen Eubakterien produzierte gelöste Stoff und wurde ausführlich als Osmoprotektivum und Stabilisator für Zellen und Biomoleküle charakterisiert.
Ectoin gilt als Mitglied der Familie der kleinen Molekül-Chaperone (SMCs). SMCs reichern sich in hohen intrazellulären Konzentrationen an und verhindern so die Fehlfaltung/Denaturierung von Proteinen und anderen labilen Makromolekülen. Ectoin schützt Enzyme und ganze Zellen vor schädlichen Bedingungen wie Einfrieren, Trocknen oder Erhitzen. Dieses Molekül besitzt neben anderen kompatiblen gelösten Stoffen die Fähigkeit, die proteolytische Aktivität von Trypsin und Chymotrypsin zu bewahren. Es hat sich gezeigt, dass es Hitzeschockproteine induziert und proinflammatorische Signale in menschlichen Keratinozyten herunterreguliert. Es ist selbst bei Konzentrationen von bis zu 100 mM nicht toxisch für die Zellumgebung.
Ectoin hemmt in vitro stark die Bildung von Ab42-Amyloid und verringert so die Toxizität für menschliche Neurblastomzellen. Es wurde festgestellt, dass Ab42 das vorherrschende proteolytische Fragment in Amyloid-Plaques ist. Daher könnte Ectoin als potenzieller Inhibitor im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen wirken. |
| Verwendungsmöglichkeiten |
Ectoin ist ein natürlicher Schutz, der Proteine und andere Zellstrukturen stabilisiert und die Haut vor Belastungen wie UV-Strahlung und Trockenheit schützt. |
| Definition |
Ectoin ist ein Carboxamidin-Heterozyklus, der durch formale Kondensation von (2S)-2,4-Diaminobuttersäure mit Essigsäure gewonnen wird. Es spielt eine Rolle als Osmolyt. Es ist ein Carboxamidin, ein Mitglied der 1,4,5,6-Tetrahydropyrimidine und eine Monocarbonsäure. Es ist eine konjugierte Säure eines Ectoinats. Es ist ein Tautomer eines Ectoin-Zwitterions. |
| Biochemische/physiologische Wirkungen |
Ectoin ist ein Osmoprotektivum in einer Vielzahl von Mikroorganismen, einschließlich heterotropher, halophiler und nicht-halophiler Bakterien wie Streptomyces und E. coli. Dieser kompatible gelöste Stoff schützt E. coli auch während des Trocknens und der Lagerung. Ecdyson wird mit der Stabilisierung von Protein- und Lipiddoppelschichten in Verbindung gebracht. Es reguliert auch die Aufrechterhaltung des Fülldrucks und reduziert den Austrocknungsstress. Es kann zur Behandlung von entzündlichen Erkrankungen wie allergischer Rhinitis, atopischer Dermatitis und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung eingesetzt werden. Ecdyson verursacht in vitro strukturelle Veränderungen in der DNA und schützt die DNA vor ionisierender Strahlung (IR). Es verhindert in vitro die Bildung von Insulinamyloid. Ecdyson ist ein Osmoprotektivum in einer Vielzahl von Mikroorganismen, einschließlich heterotropher, halophiler und nicht-halophiler Bakterien wie Streptomyces und E. coli. Dieser kompatible gelöste Stoff schützt E. coli auch während des Trocknens und der Lagerung. Ecdyson wird mit der Stabilisierung von Protein- und Lipiddoppelschichten in Verbindung gebracht. Es reguliert auch die Aufrechterhaltung des Fülldrucks und reduziert den Austrocknungsstress. Es kann zur Behandlung von entzündlichen Erkrankungen wie allergischer Rhinitis, atopischer Dermatitis und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung eingesetzt werden. Ecdyson verursacht in vitro strukturelle Veränderungen in der DNA und schützt die DNA vor ionisierender Strahlung (IR). Es verhindert in vitro die Bildung von Insulinamyloid. |
| Referenzen |
1. Galinski, EA, et al., 1,4,5,6-Tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidincarbonsäure. Eine neuartige zyklische Aminosäure aus halophilen phototrophen Bakterien der Gattung Ectothiorhodospira. Eur. J. Biochem., 149, 135–139 (1985).
2. Kanapathipillai, M. et al., Ectoin und Hydroxyectoin hemmen die Aggregation und Neurotoxizität von Alzheimer-b-Amyloid. FEBS Letters, 579, 4775–4780 (2005).
3. Kolp, S. et al., Kompatible gelöste Stoffe als Schutzmittel für Zymogene gegen Proteolyse. Biochim. Biophys. Acta, 1764, 1234-1242 (2006).
4. Buommino, E. et al., Ectoin aus halophilen Mikroorganismen induziert die Expression von Hsp70 und Hsp70B′ in menschlichen Keratinozyten und moduliert so die proinflammatorische Reaktion. Zellstress & Kap., 10, 197-203 (2005). |
