2.1 Anaerobní dýchání

Při dýchání, různé membrány-dehydrogenázy související oxidovat ve vodě rozpustné substráty a snížit menachinon (MK) v membráně na menaquinol. Za aerobních podmínek, elektrony se používají ke snížení kyslíku do vody, vzhledem k tomu, že během anaerobních podmínek, na dusičnanu dýchacích růst elektrony jsou převedeny na dusičnany na výnos dusitanů (Obr. 5.1). Jedním z hlavních elektronových dárců dýchání je NADH+H + produkovaný v glykolýze a cyklu kyseliny trikarboxylové. Dva typy membránu vázané NADH dehydrogenáz, NDH-já a NDH-II, byly popsány pro bakterie katalyzují oxidaci NADH+H+ na NAD+ (Yagi, 1993). NDH-I se skládá ze 14 podjednotek, kódovaných podle nuo operon u bakterie Escherichia coli a obsahuje flavin mononucleotide (FMN) a několik železo–sirných klastrů na pár elektron transfer na proton čerpání přes membránu. NDH-II se skládá z jedné podjednotky kódované genem ndh. NDH-II není integrální membránový protein, ale je spojen s vnitřní stranou cytoplazmatické membrány. Obsahuje flavinadenin dinukleotid (FAD), protože protetická skupina a přenos elektronů není spojen s protonovou translokací. V genomu B. subtilis kódují tři geny, yjlD, yumB a yutJ potenciální NADH dehydrogenázy typu NDH-II, zatímco nuo operon v genomu B. subtilis chybí (Kunst et al., 1997). YjlD, přejmenován Ndh, se skládá z 392 aminokyselinových zbytků a ukazuje 29% sekvenční identity k NDH-II E. coli (Bergsma, Van Dongen, & Konings, 1982). Je zajímavé, že množství Ndh proteinu B. subtilis byl nalezen významně snížený za anaerobních podmínek (Marino, Hoffmann,Schmid, Mobitz, & Jahn, 2000). Ndh se zdá být hlavní aerobní NADH dehydrogenázy B. subtilis, jako mutace ndh gen vykazoval aerobní růst vadu (Gyan, Shiohira, Sato, Takeuchi, & Sato, 2006). Mezitím, bylo zjištěno, že exprese yjlC-ndh operon je regulován Rex regulátor, redox-snímání transkripční regulátor, který reaguje na NADH/NAD+ poměr (viz také Bod 3.3) (Gyan et al., 2006). Naproti tomu exprese genu yumB byla zjištěna indukována za dusičnanových respiračních podmínek ve studiích transkriptomu (e. Härtig, nepublikované výsledky). Je třeba určit, zda YumB a YutJ mají aktivitu NADH dehydrogenázy, jak naznačuje podobnost proteinové sekvence, a zda jsou relevantní za podmínek respiračního růstu dusičnanů.

stejně Jako ostatní aerobní-způsoby dýchání organismů, B. subtilis má sukcinát dehydrogenázy (sdh) nebo přesněji sukcinát:chinon oxidoreduktázu, SQR (Hägerhäll, 1997). Enzymový komplex je nedílnou součástí cytoplazmatické membrány u bakterií a vnitřní mitochondriální membrány u eukaryot. Katalyzuje oxidaci sukcinátu na fumarát spojený s redukcí chinonu. Enzym je tedy funkční součástí cyklu kyseliny citronové i respiračního řetězce (Hägerhäll ,Aasa, von Wachenfeldt, Hederstedt, 1992). SQR v B. subtilis redukuje MK a má tři proteinové podjednotky, SdhA, SdhB a SdhC. SdhA je flavoprotein s jeden kovalentně vázaný FAD, který provádí dva elektronové oxidace sukcinátu na fumarát v cytoplazmě. SdhB obsahuje tři klastry železa a síry (, , a), které fungují při přenosu elektronů mezi flavinovou skupinou a hem b cytochromu b558 v SdhC. SdhC má pět transmembránových α-helikální segmenty a kotvy SdhAB dimeru na cytoplazmatické straně membrány a funkce transmembránové elektron převod do MK (Hederstedt, Maguire, Waring, & Ohnishi, 1985; Matsson, Tolstoj, Aasa, & Hederstedt, 2000). Dva kofaktory hemu b zprostředkovávají přenos elektronů přes cytoplazmatickou membránu na vnější stranu membrány, při které je MK redukován a jsou spotřebovány dva protony (Hederstedt, 2002). To se liší od E. coli, kde jsou protony pro redukci ubichinonu na ubichinol spotřebovány na negativní straně membrány, což neovlivňuje membránový potenciál. B. subtilis a další Bacily, jako je Bacillus megaterium a Bacillus cereus kmenů, může růst v rámci oxic podmínky s sukcinát jako zdroj uhlíku a energie (Schirawski & Vystavený, 1995, 1998).

B. subtilis, B. megaterium a B. cereus nerostou za anaerobních podmínek v přítomnosti glycerolu. Po dohodě chybí v genomech geny pro glycerol-3-dehydrogenázu. V B. subtilis byl však detekován gen glpD pro aerobní variantu membránově lokalizovaného systému přenosu elektronů. Žádné homologie bylo zjištěno, že geny kódující další primární dehydrogenáz přítomen v E. coli, jako jsou různé dehydrogenázy mravenčanu, hydrogenases, l-laktát dehydrogenázy, d-amino kyselina dehydrogenázy, malát:chinon oxidoreduktázy, nebo quinoprotein glukóza dehydrogenáza. Je zřejmé, že B. subtilis disponuje pouze omezenou sadu primární elektron-darování dehydrogenáz, a sice, různé formy NDH-II a aerobní glycerol-3-fosfát dehydrogenázy.

za aerobních podmínek jsou elektrony předávány z menachinolu přes komplex cytochromu bc1 do cytochromu C oxidázy typu aa3. V mikroaerofilním stavu se používá menachinoloxidáza typu cytochromu bd s vysokou afinitou kyslíku. Fumarát jako terminální elektronový akceptor byl vyloučen pro různé bacily, včetně B. subtilis (Schirawski & Vystavený, 1995). V důsledku toho se geny pro fumarátreduktázu nenacházejí v genomu B. subtilis. Jiné kmeny bacilů, jako je Bacillus licheniformis a Bacillus circulans, mohou dýchat fumarát jako E.coli.

za anaerobních růstových podmínek přenáší B. subtilis elektrony výhradně na respirační dusičnanreduktázu. U bakterií, tři různé nitrát reduktázy systémy jsou klasifikovány: cytoplazmatické assimilatory NAD(P)H-dependentní dusičnanů reductases (Nas), na membránu vázané dýchacích nitrát reduktázy (Nar), a periplasmic dissimilatory dusičnanů reductases (Nap). Všechny tři patří do DMSO reduktázy rodiny proteinů a obsahují bis-molybdopterin guanin dinucleotidu (MGD) kofaktor (Moreno-Vivian, Cabello, Martinez-Luque, Blasco, & Castillo, 1999). Genom B. subtilis kóduje pouze respirační nitrátreduktázu Nar. Nar enzymy se obvykle skládají ze tří podjednotek. Velké podjednotky NarG obsahuje aktivní místo s MGD kofaktor, menší rozpustné podjednotky NarH skrývá jeden a tři centra, a podjednotky NarI je cytochrom b. Nar je quinol monoaminooxidázy a menaquinol bazén je oxidován cytochromem b podjednotky NarI. Dva elektrony proudí hem b NarI do shluků železa a síry NarH a nakonec do cytoplazmatické podjednotky NarG, která redukuje dusičnany na dusitany. Na NarJ protein není součástí enzymu, ale potřebné pro finální montáž membránu vázaných enzymů (Blasco, Iobbi, Ratouchniak, Bonnefoy, & Chippaux, 1990; Zakiana et al., 2010). Vzhledem k různým místům pro oxidaci chinolu v periplasmě a pro redukci dusičnanů v cytosolu přispívá nar dusičnan reduktázy k tvorbě protonového gradientu (obr. 5.1). Nar locus se skládá z narGHJI operon (kódování dýchacích nitrátreduktáza), práskač (pro potenciální dusitanů vytlačování bílkovin), open reading frame ywiC (neznámá funkce), arfM kódování, modulátor anaerobní dýchání a fermentace, a také gen pro anaerobní regulátor Fnr (Cruz-Ramos et al., 1995; Kunst et al., 1997).

dusitan se pak dále přeměňuje na amoniak asimilační dusitan reduktázou NasDE (Cruz-Ramos et al ., 1995; Hoffmann, Frankenberg, Marino, & Jahn, 1998; Hoffmann et al., 1995; Nakano & Zuber, 1998). Asimilační nebo dusitan reduktáza závislá na nadh produkující amonium je enzym obsahující siroheme, který katalyzuje šestielektronovou redukci dusitanů na amonium. Dusitan reduktázy geny nasDE byly součástí nasDEF operon a zjistil, bezprostředně navazující na nasBC operon, který kóduje NADH-dependentní nitrát reduktázy (Nakano, Yang, Hardin, & Zuber, 1995; Ogawa et al., 1995).