Udział ektoiny w tworzeniu ochronnych struktur wodnych wokół biomolekuł

• Autorzy: Dzierżewicz Z. , Balwierz R. , Sarecka-Hujar B. , Jasińska-Balwierz A. , Dolińska B.

Warianty tytułu

EN

The role of ectoine in formation of protective water structures around the biomolecules

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ektoina jest iminokwasem wyizolowanym z ekstremofilnych, halofilnych, fototroficznych bakterii purpurowych. Ektoina wykazuje działanie ochronne w stosunku do różnych biomolekuł, może gromadzić się w komórkach w wysokich stężeniach i zabezpieczać je przed stresem środowiskowym np. temperaturowym lub osmotycznym. W warunkach fizjologicznych ektoina występuje w postaci jonu obojnaczego, wykazuje znaczne powinowactwo do cząsteczek wody. Zdolność ektoiny do wiązania cząsteczek wody skutkuje większą gęstością utworzonej trwałej sieci zorientowanych cząsteczek wody wokół biopolimerów, w tym enzymów oraz błon biologicznych. Celem pracy było omówienie budowy i właściwości ektoiny, ze szczególnym uwzględnieniem jej roli w tworzeniu struktur wodnych o charakterze ochronnym.

EN

Ectoine is an imino acid, isolated from extremophilic, halophilic, phototrophic purple bacteria. Ectoine shows a protective effect against various biomolecules. It can accumulate in cells at high concentrations and protect cell-important molecules against different stressors, e.g. temperature or osmosis. Under physiological conditions, ectoine occurs in the form of a zwitterion, and has also a significant affinity to water molecules. The ability of the ectoine to bind water molecules results in a higher density of the established stable network of oriented water molecules around biopolymers, including enzymes and biological membranes. The aim of the paper is show the structure and properties of ectoine, with emphasis on its role in the formation of water structures with significant protective importance.

Słowa kluczowe

PL

ektoina; ekstremofity; ochronne struktury wodne

EN

ectoine; extremophytes; protective water structures

• Wydawca: Jacek Doskocz
• Czasopismo: Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 24, nr 1
• Strony: 1--7
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Dzierżewicz Z.

• Śląska Wyższa Szkoła Medyczna w Katowicach, Wydział Ochrony Zdrowia, 40-085 Katowice, ul. Mickiewicza 29

autor

Balwierz R.

• Śląska Wyższa Szkoła Medyczna w Katowicach, Wydział Ochrony Zdrowia, 40-085 Katowice, ul. Mickiewicza 29

autor

Sarecka-Hujar B.

• Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, 41-200 Sosnowiec, ul. Kasztanowa 3

autor

Jasińska-Balwierz A.

• SPZOZ Zespół Szpitali Miejskich w Chorzowie, Oddział Chorób Wewnętrznych, 41-500 Chorzów, ul. Strzelców Bytomskich 11

autor

Dolińska B.

• Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, 41-200 Sosnowiec, ul. Kasztanowa 3

Bibliografia

• [1] J.M. Pastor, M. Salvador, M. Argandona, V. Bernal, M. Reina-Bueno, L.N. Csonka, J.L. Iborra, C. Vargas, J.N. Nieto, M. Canovas: Ectoines in cell stress protection: Uses and biotechnological production, Biotechnology Advances, vol. 28, 2010, s. 782–801.
• [2] A.E. Galiński, H. Pfeiffer, G.H. Truper: 1,4,5,6-Terrahydro-2-methyl-4-pyrimidinecarboxylic acid A novel cyclic amino acid from halophilic phototrophic bacteria of the genus Ectothiorhodospira, European Journal of Biochemistry, vol. 149, 1985, s. 135–139.
• [3] M. Löffler, E.A. Carrey, E. Zameitat: Orotic acid, more than just an intermediate of pyrimidine de novo synthesis, Journal of Genetics and Genomics vol. 42, 2015, s. 207–219.
• [4] A. Bownik, Z. Stępniewska: Ectoine as a promising protective agent in humans and animals, Archives of Industrial Hygiene and Toxicology, vol. 67(4), 2016, s. 260–265.
• [5] Z. Stępniewska, A. Kuźniar, A. Pytlak, J. Ciepielski: Ektoina — przeciwstresowa cząsteczka przyszłości, Kosmosproblemy nauk biologicznych, vol. 63, 2014, s. 25–35.
• [6] P.H. Werner, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavallieri, M. Odelius, H. Ogasawara, L.A. Naslund, T.K. Hirsch, L. Ojamae, P. Glatzel, L.G.M. Petterssen, A. Nilsson: The structure of the first coordination shell in liquid water, Science, vol. 304, 2004, s. 995–999.
• [7] T. Tokushima, Y. Harada, O. Takahashi, Y. Senda, H. Ohashi, L.M. Petterssen, A. Nilsson, A. Shin: High resolution X-ray emision spectroscopy of liquid water: the observation of two structural motif, Chemical Physics Letters, vol. 460, 2008, s. 387–400.
• [8] M.B. Hahn, F. Uhlig, T. Solomun, U.J. Smiatek, H. Sturm: Combined influence of ectoine and salt: spectroscopic and numerical evidence for compensating effects on aqueous solutions, Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 18, 2016, s. 28398–28402.
• [9] M.B. Hahn, T. Solomun, R. Wellhausen, S. Hermann, H. Seitz, S. Meyer, H.J. Kunte, J. Zeman, F. Uhlig, J. Smiatek, H. Sturm: Influence of the Compatible Solute Ectoine on the Local Water Structure: Implications for the Binding of the Protein G5P to DNA, The Journal of Physical Chemistry B, vol. 119(49), 2015, s. 15212–15220.
• [10] C. Held, D. Paschek, G. Sadowski: Eigenschaften von Ectoinen in wässrigen Lösungen, Universität, Dortmund 2008.
• [11] R. Graf, S. Anzali, J. Buenger, F. Pfluecker, H. Driller: The multifunctional role of ectoine as a natural cell protectant, Clinics in Dermatology, vol. 26(4), 2008, s. 326–333.
• [12] D. Bünger, J. Degwert: The protective function of compatible solute ectoine on the skin cells and its biomolecules with respect to UV-radiation, immunosuppression and membrane damage, IFSCC Magasine, vol. 4(2), 2001, s. 1–6.
• [13] R.K. Harishchandra, S. Wulff, G. Lentzen, T. Neuhaus, H.J. Galla: The effect of compatible solute ectoines on the structural organization of lipid monolayer and bilayer membranes, Biophysical Chemistry, vol. 150, 2010, s. 37–46.
• [14] M.B. Burg, J.D. Ferraris: Intracellular organic osmolytes: function and regulation, Journal of Biological Chemistry, vol. 283(12), 2008, s. 7309–7313.
• [15] K. Reuter, M. Pittelkow, J. Bursy, A. Heine, T. Craan, E. Bremer: Synthesis of 5-hydroxyectoinefrom ectoine: crystal structure of the non-hemeiron (II) and 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase EctD, PLoS One, vol. 5(5), 2010, e10647.
• [16] M.A. Schröter, S. Meyer, M.B. Hahn, T. Solomun, H. Sturm, H.J. Kunte: Ectoine protects DNA from damage by ionizing radiation, Scientific Reports, vol. 7(1), 2017, s. 15272–15274.
• [17] G. Lentzen, T. Schwarz: Extremolytes: natural compounds from extremophiles for versatile applications, Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 72, 2006, s. 623–634.
• [18] K. Lippert, E.A. Galinski: Enzyme stabilization be ectoine-type compatible solutes: protection against heating, freezing and drying, Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 37, 1992, s. 61–65.
• [19] K. Göller, E.A. Galinski: Protection of a model enzyme (lactate dehydrogenase) against heat, urea and freeze–thaw treatment by compatible solutes additives, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, vol. 7, 1999, s. 37–45.
• [20] L. Zhang, Y. Wang, C. Zhang, Y. Wang, D. Zhu, C. Wang, S. Nagata: Supplementation effect of ectoine on thermostability of phytase, Journal of Bioscience and Bioengineering vol. 102(6), 2006, s. 560–563.
• [21] S. Barth, M. Huhn, B. Matthey, A. Klimka, E.A. Galinski, A. Engert: Compatible-solute-supported periplasmic expression of functional recombinant proteins under stress conditions, Applied and Environmental Microbiology, vol. 66(4), 2000, s. 1572–1579.
• [22] M. Schnoor, P. Voss, P. Cullen, T. Böking, H.J. Galla, E.A. Galinski, S. Lorkowski: Characterization of the synthetic compatible solute homoectoine as a potent PCR enhancer, Biochemical and Biophysical Research Communications vol. 322, 2004, s. 867–872.
• [23] N. Mascellani, X. Liu, S. Rossi, J. Marchesini, D. Valentini, D. Arcelli, C. Taccioli, M. Helmer Citterich, C.G. Liu, R. Evangelisti, G. Russo, J.M. Santos, C.M. Croce, S. Volinia: Compatible solutes from hyperthermophiles improve the quality of DNA microarrays, BMC Biotechnology, vol. 7, 2007, s. 82.
• [24] U. Heinrich, B. Garbe, H. Tronnier: In vivo assessment of Ectoin: a randomized, vehicle-controlled clinical trial, Skin Pharmacology and Physiology, vol. 20(4), 2007, s. 211–218.
• [25] A. Marini, K. Reinelt, J. Krutmann, A. Bilstein: Ectoine-containing cream in the treatment of mild to moderate atopic dermatitis: a randomised, comparator-controlled, intra-individual double-blind, multi-center trial, Skin Pharmacology and Physiology, vol. 27(2), 2014, s. 57–65.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).