elektronu transports baktērijās: ievads

Elektronu transports baktērijās: ievads

Elektronu transportu veic red-oks kofaktori (prostētiskās grupas), kas saistīti pie noteiktām energosajūdzošo membrānu proteīnu struktūrām – elektronu transporta kompleksiem

Red-oks kofaktori:

NAD(P)H, flavīni, hinoni, FeS klasteri, hema grupas, Cu+

NADH dehidrogenāzes komplekss

Sukcinātdehidrogenāze

CoQ bc1 caa3 terminālā

oksidāze O2

NADH dehidrogenāzes komplekss I

NADH dehidrogenāze II

D – laktātdehidrogenāze

hinoni bd terminālā oksidāze

bo terminālā oksidāze O2

O2

nitrātreduktāze

nitrītreduktāze

fumarātreduktāze

NO3-

NO2-

fumarāts

mitohondrijos:

E. coli

Elektronu transporta ķēdes sastāv no atsevišķiem blokiem - elektronu transporta kompleksiem

Sukcinātdehidrogenāze

Anaerobā

elpošana

E’0 [NAD+/NADH] = -320 mV

E’0 [UQ/UQH2] = 45 mV

E’0 [1/2O2/H2O] = 816 mV

E’0 ķēdē =1.14 V,

kas atbilst G = 220 kJ uz 1 molu oksidēta NADH

Standarta red-oks potenciāli elpošanas ķēdē:

Ja mitohondrijos Gp = 57 kJ uz 1 molu sintezējamā ATP,

tad oksidējot NADH molekulu izdalās enerģija, kas pietiek 3 ATP molekulu sintēzei

Elektroni tiek pārnesti no kofaktora ar zemāko (negatīvāko) red-oks potenciālu uz kofaktoru ar augstāko (pozitīvāko) red-oks potenciālu

Nitrītoksidāze

Reversais elektronu transports

Elektronu transports, kas nesākas ar NADH:

elektronus var pārnest arī virzienā no pozitīvāka uz negatīvāku redox

potenciālu, bet tam nepieciešama enerģija

I komplekss, jeb I tipa NADH dehidrogenāze (NADH:UQ oksidoreduktāze)

Red-oks kofaktori – FMN, vairāki (7) Fe/S centri (N1a, N1b, N2,...)

un kompleksā saistīts ubihinons

matrix

H+ translokācijas mehanisms – iespējams, konformāciju sūknis, kā citohromoksidāzē: red-oks reakcijas pie N2 izsauc konformāciju

izmaiņas, kuras darbina H+ vai Na+ sūkni (daļai baktēriju)

Alternatīva - II tipa NADH dehidrogenāzes:

•sastāv no vienas subvienības (ap 50 kDa)•kofaktors FAD vai FMN; pārnes elektronus no NAD(P)H uz hinonu•nepiedalās protondzinējspēka veidošanā•rezistentas pret I kompleksa inhibitoriem piericidīnu, kapsaicīnu un rotenonu

sastop kā baktērijās, tā arhejos; raugiem tās ir vienīgās NADH:hinona oksidoreduktāzes

2e-

b  o Cu 

2H+ Periplazma

UQH2

  UQ

2H+

2H++ 0.5O2 H2O

2H+

   b595 d

b558

UQH2

  UQ

2H+

2e- 2e-

2H++ 0.5O2 H2O

Citoplazma

E. coli terminālās oksidāzes

bo bd • abas oksidē ubihinolu, nevis cyt. c

• tikai bo pieder vara – hema oksidāžu grupai

• bo pumpē protonus, H+/e-=2

• bd nepumpē protonus, H+/e-=1; protondzinēj-spēku veido tikai skalārie protoni

Kabus et al. (2007) Appl Env Microbiol, 73: 861-868

Atšķirībā no E. coli, daļai baktēriju elpošanas ķēde satur bc1 kompleksu. Tas atrodas atzarā ar augstāko enerģētisko efektivitāti

Elpošanas ķēdes darbība izraisa baktēriju biomasas pastiprinātu augšanu, salīdzinot ar tīri fermentatīvu metabolismu!

Pētot anaerobi augošas baktērijas Enterococcus faecalis un Zymomonas mobilis un raugus, kam precīzi zināms ATP iznākums uz molu katabolismā noārdītā substrāta, konstatēts, ka 1 mols katabolismā ģenerētā ATP nodrošina aptuveni 10 g sausnes biomasas veidošanos, jeb

YATP ≈ 10 gsausnes/mole ATP

Savukārt, elpošana nodrošina lielāku ATP iznākumu no mola katabolismā patērētā substrāta.

Bauchop and Elsden (1960) J Gen Microbiol, 23: 457-469

Protonatkarīgā ATP sintāze darbojas abos virzienos:

• ja protondzinējspēks ir pietiekami liels, tā sintezē ATP, izmantojot protondzinējspēka enerģiju

• ja H+ ir mazs – tā hidrolizē ATP, lai uzturētu protondzinējspēku – darbojas kā protonus pumpējoša ATPāze

• ja elektronu transports neuztur H+ (piem. daudzās anaerobajās baktērijās) tad H+ATPāze ir galvenais protondzinējspēka uzturētājs

NADH dehidrogenāzes komplekss I

NADH dehidrogenāze II

D – laktātdehidrogenāze

hinoni bd terminālā oksidāze

bo terminālā oksidāze O2

O2

nitrātreduktāze

nitrītreduktāze

fumarātreduktāze

NO3-

NO2-

fumarāts

E. coli

Elpošanas ķēdes redoks regulācija:

Vai visi elektronu transporta ķēdes kompleksi tiek ekspresēti pie dažādām skābekļa koncentrācijām?

Sukcinātdehidrogenāze

Anaerobā

elpošana

Lazazzera et al. (1996) J Biol Chem, 271: 2762-2768

Fnr: fumarate nitrate reductase regulator

Homologs katabolītu represijas regulatoram Crp: cyclic AMP receptor protein (izņemot cisteīnus saturošo N-terminālo deļu)

Līdzīgas promotoru sekvences:

‘Fnr box’ TTGAT- - - - ATCAA

‘Crp box’ TGTGA - - - - TCACA

Fnr tieši reaģē uz skābekļa klātbūtni

: Fe2+ -> Fe3+

Allen (1993) FEBS Lett, 332: 203-207

ArcB

ArcA

ArcA/B divkomponentu regulatorā sistēma

(aerobic respiratory control)

ArcB membrānā integrētā N-terminālā daļa reaģē uz hinonu red-oks stāvokli: reducēts hinons inducē histidīna autofosforilēšanos, bet ArcB tālāk fosforilē ArcA un to aktivē

Jones et al. (2007) Infect Immun, 75: 4891-4899

NADHdeh I

NADHdeh II

  Elpošanas ķēde N2 fiksējošās baktērijās nevien ģenerē enerģiju, bet arī veic respiratorās

aizsardzības (“Respiratory protection”) funkciju.    Nitrogenāzes komplekss ir nestabils O2 klātbūtnē

   A. vinelandii spēj saistīt N2 tikai tad, ja šūnā tiek

uzturēta ļoti zema skābekļa koncentrācija   A. vinelandii aerobos apstākļos pastiprināti ekspresē citohromu bd, kuram, salīdzinot ar E. coli, ir zemāka skābekļa afinitāte un augstāks apgriezienu skaits.    Cyd- mutanti skābekļa klātbūtnē nespēj saistīt N2.

   Zemu skābekļa koncentrāciju šūnā nodrošina ļoti aktīva, bet enerģētiski mazefektīva elpošanas ķēde  

A. vinelandii CydR ir Fnr homologs

CydR nodrošina cyt bd transkripcijas represiju, ja skābekļa iekššūnas koncentrācija ir zema, un zaudē savu represora funkciju pie augstas skābekļa koncentrācijas

Poole and Cook (2000) Adv Microb Physiol, 43: 165-224

Brekasis et al. (2003) EMBO Journal, 22: 4856-4865

Vairumam Gram-pozitīvo baktēriju sastop citu red-oks regulatoro sistēmu, kuras nav Gram-negatīvajās baktērijās – Rex represoruRex atklāts Streptomyces coelicolor; tas ir 258 aminoskābes saturošs proteīns, kurš disociē no savas saistīšanās vietas pie promotera tad, kad pie tā piesaistās NADH. Tas ir regulators, kurš tieši reaģē uz NADH/NAD attiecību (NADH un NAD konkurē par vienu saistīšanās vietu).

NADH nesaistījis Rex kavē cyt d un hema biosintēzes komponentu ekspresiju

CydAB

NAD+ NADH

Ekstremofīlā dzīvesveida bioenerģētikas problēmas:

•Jānodrošina pietiekami zema membrānas H+ (Na+) caurlaidība

•Jānodrošina makromolekulu stabilitāte

•Jāuztur pietiekami augsts protondzinējspēks vai nātrijdzinējspēks ATP sintēzei un transportam

•Jānodrošina iekššūnas pH homeostāze

Termofīlajām baktērijām un arhejiem proteīnu termostabilitāti nodrošina:

•izteikti nepolāra centrālā molekulas daļa•minimāla virsmas/tilpuma attiecība•maz glicīna (kas tādējādi palielina molekulas rigiditāti)•uz virsmas daudz jonu saišu•aktīvas chaperonu sistēmas, kas reparē denaturētās molekulas

DNS termostabilitāti nodrošina:

•reversā girāze, kas nodrošina pozitīvo superspiralizāciju•saistīšanās pie histoniem līdzīgiem proteīniem

Acidofīliem un alkalofīliem primārais izdzīvošanas priekšnoteikums -

nodrošināt iekššūnas pH homeostāziPicrophylus oshimae, kurš optimāli aug pie pH 0.7 un T 60 oC, spēj uzturēt iekššūnas pH ap 5

No šejienes –

Svarīga membrānu stabilitāte un zema jonu caurlaidība!

Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

Monoslāni veidojošie termoacidofīlo arheju tetraēteru lipīdi: stabilāki pie augstām temperatūrām, ekstrēma pH, rezistenti pret oksidēšanos, skābju hidrolīzi un lipāžu iedarbībuLiposomas no termoacidofīlo arheju lipīdiem ir ar relatīvi zemāku protonu caurlaidību(Thermoplasma acidophilum, Sulfolobus solfataricus, Picrophilus oshimae )

Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

Pie dažādām temperatūrām augošām baktērijām un arhejiem ir aptuveni līdzīga protonu caurlaidība, lai gan pie nemainīga lipīdu sastāva pieaugot temperatūrai, jonu caurlaidība pieaug; tātad mikroorganismi spēj adaptēt savu membrānas lipīdu sastāvu atbilstoši augšanas temperatūrai

Izņēmumi – termofīli ar augstu membrānas protonu caurlaidību; tādēļ daļa termofīlo baktēriju kā energosajūdzošo jonu izmanto Na+, taču tad grūtāk regulēt pHin

Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

neitrofīli

alkalifīli acidofīli

termofīlieanaerobi

H+(Na+)-dzinējspēka ģenerēšana un patērēšana

Transporta sistēmas iedalās:

• primārajās, kuras vienu enerģijas veidu pārvērš citā (piem. ķīmisko enerģiju – gradientu enerģijā)

• sekundārajās, kuras viena gradienta enerģiju izmanto cita gradienta veidošanai

protondzinējspēku tieši izmantojošās sistēmas pieder pie:

sekundārajām

Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

Hipertermofīlās baktērijas un arheji izmanto g.k. ATP-atkarīgo transportu ar ļoti augstu substrāta afinitāti

Daļa termofīlo baktēriju un alkalifīlās baktērijas kā galveno izmanto Na+-atkarīgo sekundāro transportu; acidofīlās baktērijas kā galveno izmanto H+-atkarīgo sekundāro transportu

Ekstremofīliem nesastop PTS sistēmu

Hicks et al. (2010) BBA, 1797: 1362-1377

Pretēji gaidītajam, Na+-atkarīgā ATPāze sastopama tikai anaerobajām alkalifīlajām baktērijām;(protonatkarīgā ATPāze aerobajos alkalifīlos darbojas kā sintāze, bet ne kā ATPāze! – jo ir risks paaugstināt jau tā augsto pHin)

Alkalifīlās aerobās baktērijas kā energosajūdzošo jonu izmanto H+

problēma:

kā notiek ATP sintēze pie zema protondzinējspēka un zemas H+ koncentrācijas?

• paaugstināts c subvienību skaits ATP sintāzes rotorā?

• lokalizētās protonu plūsmas?

Tight

Open

Loose

Ja pagriežoties rotoram par 120o sintezējas 1 ATP, tad vairāk H+ pārnesošo c subvienību rotorā nozīmē vairāk protonu, kas pārnesti uz vienu ATP

A tridecameric c ring of the adenosine triphosphate (ATP) synthase from the thermoalkaliphilic Bacillus sp. strain TA2.A1 facilitates ATP synthesis at low electrochemical proton potential Meier et al. (2007) Mol Microbiol, 65: 1181-1192

Guffanti and Hicks (1991) J Gen Microbiol, 137: 2375-2379

Ja H+= 136 mV jeb 13.1 kJ uz molu H+,

un Gp= 45.2 kJ uz molu ATP,

tad H+/ATP = starp 3 un 4

E. coli ATPāzes rotors satur 10 c subvienības. Alkalifīliem c subvienību ir nedaudz vairāk:

Ja H+= 50 mV jeb 4.8 kJ uz molu H+,

un Gp= 46 kJ uz molu ATP,

tad H+/ATP = starp 9 un 10 !

Alkalifīliem c subvienību skaits nav tik liels, un tas nevar būt mainīgs

electron transport O2

H2O

H+ H+ H+

H+ H+ H+ H+

ADP+Pi=ATP

H+H+H+ H+H+

H+H+

H+

Ja daļa pāri membrānai elpošanas ķēdes pārnesto protonu nenonāk ārpusšūnas ūdens fāzē, bet paliek pie membrānas virsmas, kur no elpošanas ķēdes tiek novadīti līdz ATP sintāzei, tad ‘efektīvais’ protondzinējspēks var būt daudz lielāks par mērīto