miniatura|dereita|200px|Representación estilizada do carboxisoma e estruturas bacterianas relacionadas como os compartimentos para a utilización do propanodiol (Pdu) e a etanolamina (Eut). Móstranse proteínas de cubertas dos microcomprtimentos hexaméricas que realizan diferentes funcións na cuberta en diversos tons de azul. As proteínas pentaméricas do vértice móstranse en maxenta. Os encimas encapsulados móstranse en verde, organizados en capas. [Imaxe: T. Yeates

Os microcompartimentos bacterianos (MCB ou BMC, do inglés bacterial microcompartments) son orgánulos que constan dunha cuberta proteica que encerra certos encimas e outras proteínas. Estes microcompartimentos son xeralmente duns 40 a 200 nanómetros de diámetro e están feitos enteiramente de proteínas. A función das cubertas é similar á dunha membrana, xa que son selectivamente permeables. Outros compartimentos baseados en proteínas que se encontran en bacterias e arqueas son os nanocompartimentos de encapsulina e as vesículas de gas. Os eucariotas teñen tamén orgánulos proteináceos como o complexo da bóveda.

Descubrimento

Os primeiros microcompartimentos bacterianos observáronse na década de 1950 en micrografías electrónicas de cianobacterias, e foron posteriormente denominados carboxisomas unha vez que se estableceu o seu papel na fixación do carbono. Ata a década de 1990, os carboxisomas considerábanse unha rareza exclusiva de certas bacterias autótrofas. Pero despois identificáronse xenes que codificaban proteínas homólogas ás da cuberta do carboxisonma nos operóns pdu (utilización do propanodiol) e eut (utilización da etanolamina). Seguidamente, micrografías electrónicas de células de Salmonella que crecían con propanodiol ou etanolamina mostraron a presenza de corpos poliédricos similares aos carboxisomas. O termo metabolosoma utilízase para referirse a estes compartimentos bacterianos catabólicos (en contraste co carboxisoma autótrofo).

Aínda que o carboxisoma e os compartimentos que utilizan o propanodiol (PDU) e a etanolamina (EUT) encapsulan diferentes encimas e, por tanto, teñen distintas funcións, os xenes que codifican as proteínas da cuberta son moi similares. A maioría dos xenes (que codifican as proteínas da cuberta e os encimas encapsulados) de compartimentos bacterianos caracterizados experimentalmente están localizados uns xunto aos outros en determinados loci xenéticos ou operóns. Actualmente lévanse secuenciado uns 20 000 xenomas bacterianos, e poden utilizarse métodos bioinformáticos para encontrar todos os xenes de cubertas de compartimentos bacterianos e observar cales son os outros xenes situados na súa veciñanza, o que orixinou unha lista de posibles compartimentos bacterianos. Recentemente un exame global identificou 23 loci que codificaban 10 compartimentos funcionalmente distintos en 23 filos bacterianos.

Cubertas

Familias proteicas que forman as cubertas

As cubertas dos microcompartimentos bacterianos (BMC) son icosaédricas ou case icosaédricas, e están formadas por subunidades proteicas (pseudo)hexaméricas e pentaméricas.

A familia da proteína da cuberta dos microcompartimentos bacterianos

Os principais constituíntes da cuberta dos microcompartimentos bacterianos son proteínas que conteñen dominios Pfam00936. Estas proteínas forman oligómeros que son de forma hexagonal e pénsase que forman as facetas da cuberta.

Proteínas dun só dominio (BMC-H) As proteínas BMC-H, que conteñen unha soa copia do dominio Pfam00936, son os compoñentes máis abundantes das facetas da cuberta. Determináronse as estruturas cristalinas de varias destas proteínas, que mostraron que se ensamblan en hexámeros cíclicos, tipicamente cun pequeno poro no centro. Esta abertura propúxose que está implicada no transporte selectivo de pequenos metabolitos a través da cuberta.

Proteínas de dominio en tándem (BMC-T)

É un conxunto de proteínas de cuberta compostas de copias en tándem (fusionadas) do dominio Pfam00936 (proteínas BMC-T). As proteínas BMC-T caracterizadas estruturalmente forman trímeros que son de forma pseudohexamérica. Algunhas estruturas cristalinas de BMC-T mostran que os trímeros poden colocarse enfrontados. En ditas estruturas, un poro dun trímero está nunha conformación “aberta”, mentres que o outro está pechado, o que suxire que debería haber un mecanismo de hermeticidade que modula a permeabilidade dalgunhas cubertas de microcompartimentos. Outro conxunto de proteínas BMC-T contén un clúster [4Fe-4S], e pode estar implicada no transporte de electróns a través da cuberta do microcompartimento.

A familia EutN/CcmL (BMC-P) Cómpren doce unidades pentagonais para tapar os vértices dunha cuberta icosaédrica. Resolvéronse as estruturas cristalinas de proteínas da familia EutN/CcmL (Pfam03319) e observouse que forman pentámeros (BMC-P). A importancia das proteínas BMC-P na formación das cubertas parece variar entre os diferentes microcompartimentos. Son necesarias para a formación da cuberta dos microcomprtimentos PDU xa que os mutantes nos cales foron eliminados os xenes das proteínas BMC-P non poden formar as cubertas, pero non para o alfa-carboxisoma: sen proteínas BMC-P, os carboxisomas aínda poden ensamblarse e moitos están alongados; estes carboxisomas mutantes parecen estar “furados” ou non ser estancos.

Relación coas cápsides virais

Aínda que as cubertas dos microcompartimentos bacterianos son similares en arquitectura a moitas cápsides virais, as proteínas de cuberta non teñen ningunhas homoloxía estrutural ou de secuencia coas proteínas das cápsides.

Permeabilidade das cubertas Está ben establecido que dentro da cuberta dos microcompartimentos bacterianos están empaquetados encimas e que debe ter lugar certo grao de secuestro de cofactores e metabolitos. Porén, outros metabolitos e cofactores deben tamén poder cruzar a cuberta para que funcione o microcompartimento. Por exemplo, nos carboxisomas, a ribulosa 1,5-bisfosfato, o bicarbonato e o fosfoglicerato deben cruzar a cuberta, mentres que a difusión de oxíxeno e dióxido de carbono están aparentemente limitadas. De xeito similar, nos microcompartimentos PDU, a cuberta debe ser permeable ao propanodiol, propanol, propionil-fosfato e potencialmente tamén á vitamina B12, pero está claro que o propionaldehido está dalgún modo secuestrado para impedir que se dane a célula. Hai algunhas probas de que o ATP debe tamén cruzar algunhas cubertas de microcompartimentos bacterianos.

Propúxose que o poro central formado nas teselas de proteínas hexagonais da cuberta son os condutos a través dos cales difunden os metabolitos á cuberta. Por exemplo, os poros da cuberta do carboxisoma teñen unha carga positiva global, que se propuxo que atrae negativamente substratos cargados como o bicarbonato. Nos microcompartimentos PDU, os experimentos de mutaxénese mostraron que a proteína de cuberta PduA é a ruta utilizada polo substrato propanodiol para entrar. Para grandes metabolitos, parece que nalgunhas proteínas BMC-T hai un mecanismo de peche e apertura. No microcompartimento EUT, a apertura/peche do gran poro da proteína da cuberta EutL está regulada pola presenza do principal substrato metabólico, a etanolamina.

A presenza de clústeres de ferro-xofre nalgunhas proteínas de cuberta, seguramente no poro central, fixo que se suxerise que pode servir como conduto a través do cal poden transportarse electróns a través da cuberta.

Tipos

Un exame global recente de datos de secuencias de xenomas microbianos indicou unhas dez funcións metabólicas encapsuladas en cubertas de microcompartimentos. A maioría están implicados na fixación do carbono (carboxisomas) ou na oxidación de aldehidos (metabolosomas).

Carboxisomas: fixación do carbono

ningún|miniatura|460px|Micrografías electrónicas que mostran alfa-carboxisomas da bacteria quimioautótrofa Halothiobacillus neapolitanus: (A) dispostos dentro da célula, e (B) intactos despois do seu illamento. As barras de escala indican 100 nm.

Os carboxisomas encapsulan os encimas ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilase/oxixenase (RuBisCO) e anhidrase carbónica en bacterias que fixan o carbono como parte dun mecanismo de concentración de carbono. O bicarbonato bombéase ao citosol e difunde ao carboxisoma, onde a anhidrase carbónica o converte en dióxido de carbono, que é o substrato da RuBisCO. A cuberta do carboxisoma crese que só é escasamente permeable ao dióxido de carbono, o cal ten como resultado un incremento efectivo da concentración de dióxido de carbono arredor da RuBisCO, o que favorece a fixación do carbono. Os mutantes que carecen dos xenes que codifican a cuberta do carboxisoma presentan un fenotipo cunha alta demanda de carbono debido á perda de concentración de dióxido de carbono, o que ten como resultado un incremento da fixación de oxíxeno pola RuBisCO. Propúxose tamén que as cubertas restrinxen a difusión de oxíxeno, o que impide a actividade de oxixenase, reducindo a fotorrespiración malgastadora de enerxía.

Metabolosomas: oxidación de aldehidos

Ademais dos carboxisomas anabólicos, caracterizáronse varios microcompartimentos bacterianos catabólicos que participan no metabolismo heterótrofo por medio de aldehidos de cadea curta; estes denomínanse en conxunto metabolosomas.

Estes microcompartimentos bacterianos comparten unha química encapsulada común impulsada por tres encimas centrais: aldehido deshidroxenase, alcohol deshidroxenase e fosfotransacilase. Como os aldehidos poden ser tóxicos para as células ou volátiles, crese que están secuestrados dentro do metabolosoma. O aldehido é fixado inicialmente ao coencima A pola aldehido deshidroxenase dependente de NAD+, mais estes dous cofactores deben ser reciclados, xa que aparentemente non poden cruzar a cuberta. Estas reaccións de reciclaxe están catalizadas por unha alcohol deshidroxenase (NAD+), e unha fosfotransacetilase (coencima A), orixinando un composto acilo fosforilado que pode facilmente ser unha fonte para a fosforilación a nivel de substrato ou entrar no metabolismo central, dependendo de se o organismo está crecendo aeróbica ou anaerobicamente. Parece ser que a maioría, se non todos, os metabolosomas utilizan estes encimas centrais. Os metabolosomas tamén encapsulan outro encima que é específico para o substrato inicial do compartimento bacteriano, que xera o aldehido; este considérase o encima sinatura do compartimento bacteriano considerado.

Microcompartimentos bacterianos PDU (PDU BMC)

Algunhas bacterias poden utilizar o 1,2-propanodiol como fonte de carbono. Utilizan un microcompartimento bacteriano para encapsular varios encimas usados nesta vía (Sampson e Bobik, 2008). Un microcompartimento PDU (de utilización do propanodiol) está tipicamente codificado por un locus de 21 xenes. Estes xenes son suficientes para a ensamblaxe dos microcompartimentos bacterianos, xa que poden ser transplantados dun tipo de bacteria a outro, o que dá lugar a un metabolosoma funcional no organismo receptor. Este é un exemplo de bioenxeñaría que igualmente proporciona evidencias que apoian a hipótese do operón egoísta. O 1,2-propanodiol é deshidratado a propionaldehido pola propanodiol deshidratase, que necesita vitamina B12 como cofactor. O propionaldehido causa mutacións no ADN e por esa razón é tóxico para as células, o que posiblemente explica por que este composto está secuestrado dentro dun microcompartimento. Os produtos finais do microcompartimento PDU son propanol e propionil-fosfato, que é despois desfosforilado a propionato, xerando un ATP. O propanol e o propionato poden utilizarse como substratos para o crecemento.

Microcompartimentos bacterianos EUT (EUT BMC)