sideroforer

Artikkelstart

Sideroforer er organiske stoffer som virker som jernbærere og øker tilgjengeligheten av jern. Jern er et livsnødvendig mikronæringsstoff, og bakterier, sopp og planter bruker sideroforer for å øke opptaket av jern fra omgivelsene.

Faktaboks

Etymologi
gresk sideros – jern; pherein - bære
Også kjent som

Jernbærer. Siderofor.

Jern er et livsnødvendig overføringsmetall for alle organismer og brukes i form av cytokromer og jern-svovelproteiner til elektrontransport i respirasjonskjeden i mitokondrier og fotosyntesens elektrontransport i kloroplaster. Flere andre enzymer bruker hem som kofaktor i elektrontransport. Jernet i hemoglobinet binder og frakter oksygen. Jernreduserende bakterier bruker ferrijern som elektronakseptor i anaerob mikrobiell respirasjon, og kan danne næringsnett med jernoksidernde bakterier som bruker ferrojern som elektrondonor.

Jernforekomst

Aerobe forhold

I en atmosfære som inneholder oksygen forekommer jern hovedsakelig i en treverdig form som ferrijern (Fe3+, Fe(III)) som danner tungtløselig jernhydroksid og jernoksyhydroksider. Det lave oppløselighetsproduktet for treverdig jern gjør at jern bare finnes i ekstremt lave konsentrasjon og er lite tilgjengelig for organismene.

Stabilitetskonstanten for Fe(III)-siderofor er høy, det vil si at jernet er hardt bundet, men er lav for Fe(II)-siderofor. Når en Fe(III)-siderofor er tatt opp av organismen blir Fe(III) redusert til Fe(II) og jernet blir deretter frigitt og innarbeidet i organiske forbindelser. Sideroforen kan deretter skilles ut igjen for å hente mer jern.

Anaerobe forhold

Under anaerobe betingelser, altså når det ikke er oksygen til stede, finnes det meste av jernet i toverdig form som ferrojern (Fe2+, Fe(II). Toverdig jern har et mye høyere oppløselighetsprodukt enn treverdig jern. Det betyr at under anaerobe forhold kan jern være giftig. Sumpplanter unngår giftvirkningen av for mye Fe(II) ved å føre luft ned til røttene gjennom luftvev (aerenkym) og oksiderer Fe(II) til brunfargete uskadelige Fe(III)-forbindelser.

Jernmangel

Mangel på jern gir anemi hos dyr og mennesker. Spesielt vanskelig blir opptaket av jern ved høy pH (basiske forhold). Ved for mye kalking av en gressplen kan dette gi gulfarget gress og kalkklorose som skyldes jernmangel.

Havvann har høy pH, noe som gjør at marint planteplankton må ha sideroforer. Det er gjort forsøk med å tilføre jern til havvann for å binde mer CO2 i fotosyntesen og øke biomasseproduksjonen. Ved jernmangel kan plantene lage en surere rotsone, noe som letter jernopptaket, og noen planter kan skille ut fytosideroforer.

Typer sideroforer

Sideroforene er delt i tre hovedtyper, avhengig av hvilken mekanisme som binder jern:

  • hydroksamat-sideroforer
  • karboksylat-sideroforer, som inneholder karboksylgrupper
  • katekol-sideroforer

Hydroksamat-sideroforer inneholder hydroksamat [-N(OH)C(=O)-C-], og er ofte sykliske peptider som inneholder aminosyrene ornitin og glysin.

Alle bakteriene som gir infeksjoner hos mennesker inneholder sideroforer. Eksempler på bakteriesideroforer er enterobaktin, ferrioksamin, mykobaktin og eksochelin. Soppsideroforer kan være for eksempel ferrikrom, fusarinin og koprogen. Rhizoferrin er et polykarboksylat-siderofor som finnes i krypmuggsopp, en saprofytt som kan vokse på både planter og dyr.

Jernhypotesen

Generelt er fritt jern skadelig i en organisme, og derfor er jern bundet i hem eller i jern-svovelproteiner. Organismene må holde kontroll på jernkonsentrasjonen og sørge for at det er bundet og ikke forekommer fritt, for å unngå Fenton-reaksjoner og Haber-Weiss-reaksjoner som gir skadelige frie radikaler.

Organismer med sterke sideroforer får en konkurransefordel i økosystemer med dårlig tilgang på jern. Jernhypotesen går ut på at den organismen som er mest effektiv til å ta opp jern i en aerob økosystemnisje er den organismen som behersker og er vinneren i nisjen.

Jernbindende proteiner

Hos pattedyr er jern bundet til hemoglobin i røde blodceller, til laktoferrin i morsmelk, tårer og svette, til transferrin som er et glykoprotein i blodplasma og slimhinner, samt proteinet ferritin. Ferritin finnes både hos prokaryoter og eukaryoter, og lagrer jern. Noen mener at jernbindende proteiner også kan ha en viktig funksjon i beskyttelse mot sykdom ved å gjør jern utilgjengelig for bakterier og sopp. Selv om man ikke har funnet sideroforer i dyr, så virker siderokalin som et antibakterielt stoff ved å binde jern meget hardt. I vannkulturer (hydroponikk) for dyrking av planter tilføres kompleksbundet chelatert jern bundet til sitronsyre eller EDTA.

Jernets tilgjengelighet

Omgivelsene påvirker i stor grad hvor tilgjengelig jernet er for organismene. Noen av de viktigste faktorene er surhetsgraden i omgivelsene (pH) og hvorvidt det er oksygen til stede i atmosfæren.

Oppløselighetsproduktet Ksp for ferrijern ved 25 °C er ekstremt lavt og viser hvor tungtløselig ferrijern (Fe3+) er sammenlignet med ferrojern (Fe2+):

Fe(OH)3 ↔ Fe3+ + 3OH- Ksp= 1,6·10-39

Fe(OH)2 ↔ Fe2+ + 2OH- Ksp= 7,9·10-16

Det vil si at

[Fe3+][OH-]3 = 1,6·10-39

[Fe2+][OH-]2= 7,9·10-16

For eksempel ved pH=7 hvor konsentrasjonen av hydroksylioner [OH-]= 10-7:

[Fe3+] [OH-]21 = 1,6·10-39

blir konsentrasjonen av Fe3+ lik 1,6·10-18 molar (M), en ekstremt lav konsentrasjon. Den lave konsentrasjonen er forklaringen på hvorfor alle organismer i en oksygenatmosfære har vanskeligheter med å ta opp jern. For å øke jernopptaket bruker de blant annet sideroforer.

Sure forhold

Derimot ved sure forhold, for eksempel pH=4 er [OH-]= 10-10

som gir

[Fe3+] [OH-]30 = 1,6·10-39

og konsentrasjonen av Fe3+ blir 1,6·10-9 M. Dette er en milliardøkning i jernkonsentrasjon som bare skyldes at pH er senket fra 7 til 4. Å senke pH-en er altså en av strategiene organismer kan bruke for å skaffe seg mer jern. Planter kan benytte dette ved å surgjøre rotsonen, i tillegg til strategiene med å binde jern som jern-chelater eller sideroforer. I havvann er pH-en høyere, cirka 8, noe som gir en ekstra utfordring for opptak av jern i planteplankton.

Anaerobe forhold

Derimot under anaerobe forhold blir konsentrasjonen av toverdig ferrijern (Fe2+) så høy at det kan gi jernforgiftning.

Ved pH=7 blir

[Fe2+][OH-]14= 7,9 10-16

og konsentrasjonen av Fe2+ blir lik 7,9·10-2 M, altså store mengder tilgjengelig jern. En så høy konsentrasjon at det kan virke skadelig.

Sumpplanter unngår jernforgiftning ved å oksider ferrojern (Fe2+) til ferrijern (Fe3+) som gir brune utfellinger av jernoksider på utsiden av røttene.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg