2.1嫌気性呼吸

呼吸中に、異なる膜関連デヒドロゲナーゼが水溶性基質を酸化し、膜中のメナキノン(MK)をメナキノールに還元する。 好気性条件下では、電子は酸素を水に還元するために使用され、嫌気性条件下では、硝酸塩呼吸成長電子は硝酸塩に移されて亜硝酸塩が生成される（図 5.1). 呼吸の主要な電子供与体の1つは、解糖およびトリカルボン酸サイクルで生成されるNADH+H+である。 細菌がNADH+H+のNAD+への酸化を触媒するために、2つのタイプの膜結合NADHデヒドロゲナーゼ、NDH-IおよびNDH-IIが記載されている（Yagi、1993）。 NDH-Iは大腸菌のnuoオペロンによってコードされる14個のサブユニットからなり、フラビンモノヌクレオチド（FMN）といくつかの鉄–硫黄クラスターを含み、膜を横切るプロトンポンピングへの電子移動を結合させる。 NDH-IIはndh遺伝子によってコードされる単一のサブユニットから成っています。 NDH-IIは、細胞質膜の内側に結合した膜タンパク質ではありません。 それは補綴グループとしてフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）を含み、電子移動はプロトン転座に結合されない。 Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓゲノムにおいて、３つの遺伝子、ｙｊｌｄ、ｙｕｍｂ、およびｙｕｔｊは、ＮＤＨ−ＩＩ型の潜在的なＮＡＤＨデヒドロゲナーゼをコードするが、ｎｕｏオペロンは、ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓゲノムには存在しない（Ｋｕｎｓｔ ｅ ｔ ａ ｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ ｒｅｓ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ ｒｅｓ．，, 1997). ＮＤＨと改名されたＹＪＬＤは、３ ９ ２個のアミノ酸残基からなり、Ｅ．ｃｏｌｉのＮＤＨ−ＩＩに対して２ ９％の配列同一性を示す（Ｂｅｒｇｓｍａ，Ｖａｎ Ｄｏｎｇｅｎ，＜ｄｉｖ ｉｄ＝”ａａｂｃ５ ８ｆ３ ０ １”＞＜／Ｄｉｖ＞Ｋｏｎｉｎｇｓ，１ ９ ８ ２）。 興味深いことに、BのNdhタンパク質の量。 枯草は、嫌気性条件下で有意に減少することが見出された（Ｍａｒｉｎｏ，Ｈｏｆｆｍａｎｎ，Ｓｃｈｍｉｄ，Ｍｏｂｉｔｚ，＜ｄｉｖ ｉ ｄ＝”ａａｂｃ５ ８ｆ３ ０ １”＞＜／ｄｉｖ＞Ｊａｈｎ，２ ０ ０ ０）。 Ndh遺伝子の変異が好気性増殖欠損を示したため、Ndhはb.subtilisの主要な好気性NADHデヒドロゲナーゼであると思われる（Gyan,Shiohira,Sato,Takeuchi,&Sato,2006）。 一方、yjlC-ndhオペロンの発現は、NADH/NAD+比に応答するレドックス検出転写調節因子であるRex調節因子によって調節されることが示された（第3.3項も参照）（Gyan et al., 2006). 対照的に、yumB遺伝子の発現は、トランスクリプトーム研究において硝酸塩呼吸条件下で誘導されることが見出された（E.Härtig、未発表の結果）。 YumBとYutJがタンパク質配列の類似性によって示唆されるNADHデヒドロゲナーゼ活性を有するかどうか、およびそれらが硝酸塩呼吸成長条件下で関連しているかどうかを決定する必要がある。他の好気性呼吸生物と同様に、b.subtilisはコハク酸デヒドロゲナーゼ（sdh）、より正確にはコハク酸：キノンオキシドレダクターゼ、SQRを有する（Hägerhäll、1997）。 酵素複合体は、細菌における細胞質膜および真核生物における内部ミトコンドリア膜の不可欠な部分である。 それはキノンの減少につながれるフマル酸塩にコハク酸塩の酸化に触媒作用を及ぼします。 それにより、酵素は、クエン酸サイクルおよび呼吸鎖の両方の機能的部分である（Hägerhäll、Aasa、von Wachenfeldt、Hederstedt、1992）。 B.subtilisのSQRはMKを減少させ、3つのタンパク質サブユニット、SdhA、SdhB、およびSdhCを持っています。 SdhAは、細胞質中のフマル酸へのコハク酸の二つの電子酸化を行う一つの共有結合FADを有するフラボタンパク質である。 SdhBには、SdhCのシトクロムb558のフラビン基とヘムbとの間の電子移動に機能する三つの鉄–硫黄クラスター（、、および）が含まれている。 SdhCは五つの膜貫通αヘリカルセグメントを有し、膜の細胞質側にSdhAB二量体をアンカーし、MKへの膜貫通電子移動における機能を有する（Hederstedt,Maguire,Waring,&Ohnishi,1985;Matsson,Tolstoy,Aasa,&Hederstedt,2000）….. 2つのヘムb補因子は、細胞質膜を横切ってMKが還元され、2つの陽子が消費される膜の外側への電子の移動を仲介する（Hederstedt、2002）。 これは、ユビキノンのユビキノールへの還元のためのプロトンが膜電位に影響を与えない膜の負の側で消費される大腸菌とは異なる。 B. 枯草菌およびbacillus megateriumおよびbacillus cereus株などの他の桿菌は、コハク酸塩を炭素およびエネルギー源として酸素条件下で増殖することができる（Schirawski&Unden,1995,1998）。

b.subtilis、B.megaterium、およびB.cereusは、グリセロールの存在下で嫌気性条件下で成長しない。 一致して、グリセロール-3-デヒドロゲナーゼの遺伝子はゲノムに欠けている。 しかし，ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓでは膜局在電子伝達系の好気性変異体のｇｌｐｄ遺伝子が検出された。 大腸菌に存在する他の一次デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子との相同性は見出されなかった。 明らかに、b.subtilisは限られた一次電子供与性デヒドロゲナーゼ、すなわち様々な形態のNDH-IIおよび好気性グリセロール-3-リン酸デヒドロゲナーゼを有するだけである。

好気性条件下では、電子はメナキノールからシトクロムbc1複合体を介してaa3型シトクロムcオキシダーゼに渡される。 微小好気性条件下では，酸素親和性の高いシトクロムｂ ｄ型メナキノールオキシダーゼを用いた。 末端電子受容体としてのフマル酸塩は、枯草菌を含む様々な桿菌について除外された（Schirawski&Unden,1995）。 その結果，フマル酸レダクターゼの遺伝子は枯草菌ゲノムには見出されなかった。 Bacillus licheniformisおよびBacillus circulansのような他の桿菌株は、大腸菌のようにフマル酸塩を呼吸することができる。

嫌気性成長条件下では、b.subtilisは電子を呼吸硝酸レダクターゼに排他的に移動させる。 細菌では，細胞質同化型ｎａｄ（Ｐ）Ｈ依存性硝酸レダクターゼ（Ｎａｓ），膜結合呼吸型硝酸レダクターゼ（Ｎａｒ），およびペリプラズム非類似性硝酸レダクターゼ（Ｎａｐ）の三つの異なる硝酸レダクターゼ系に分類される。 3つはいずれもDMSOレダクターゼファミリーのタンパク質に属し、ビス-モリブドプテリングアニンジヌクレオチド(MGD)補因子を含む(Moreno-Vivian,Cabello,Martinez-Luque,Blasco,&Castillo,1999)。 B.subtilisのゲノムは呼吸の硝酸塩のレダクターゼNarだけを符号化します。 Nar酵素は典型的には3つのサブユニットから構成されている。 大きなサブユニットNarGはMGD補因子を持つ活性部位を含み、小さな可溶性サブユニットNarHは一つと三つの中心を持ち、サブユニットNarIはシトクロムbである。Narはキノールオキシダーゼであり、メナキノールプールはシトクロムbサブユニットNarIによって酸化される。 二つの電子はnariのヘムbを介してNarHの鉄–硫黄クラスターに流れ、最後に硝酸を亜硝酸塩に還元する細胞質サブユニットNarGに流れる。 Ｎａｒｊタンパク質は酵素の一部ではないが、膜結合酵素の最終組立に必要である（Ｂｌａｓｃｏ，Ｉｏｂｂｉ，Ｒａｔｏｕｃｈｎｉａｋ，Ｂｏｎｎｅｆｏｙ，＜ｄｉｖ ｉ ｄ＝”ａａｂｃ５ ８ｆ３ ０ １”＞＜／ｄｉｖ＞Ｃｈｉｐｐａｕｘ，１ ９ ９ ０；Ｚａｋｉａｎ ｅ ｔ ａ ｌ．，１ ９ ９ ０；ｂｌａｓｃｏ，Ｉｏｂｂｉ，Ｒａｔｏｕｃｈｎｉａｋ，Ｂｏｎｎｅｆｏｙ，＜ｄｉｖ ｉ ｄ＝”ａａｂｃ５ ８ｆ, 2010). ペリプラズムにおけるキノール酸化とサイトゾルにおける硝酸塩還元のための異なる部位のために、硝酸塩レダクターゼNarはプロトン勾配の生成に寄与する（Fig. 5.1). Ｎａｒ遺伝子座は，ｎａｒｇｈｊｉオペロン（呼吸硝酸レダクターゼをコードする），ｎａｒｋ（潜在的な亜硝酸塩押出タンパク質のための），オープンリーディングフレームｙｗｉｃ（未知の機能の），嫌気性呼吸および発酵の調節因子をコードするａｒｆｍ，および嫌気性調節因子Ｆｎｒの遺伝子からなる（Ｃｒｕｚ-Ｒａｍｏｓ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、１ ９ ９ ５；Ｋｕｎｓｔ ｅ ｔ ａ ｌ．, 1997).次いで亜硝酸塩は、同化性亜硝酸塩レダクターゼＮａｓｄｅによってさらにアンモニアに変換される（Ｃｒｕｚ−Ｒａｍｏｓ ｅ ｔ ａ ｌ． 1995;Hoffmann,Frankenberg,Marino,&Jahn,1998;Hoffmann et al., 1995; Nakano&Zuber,1998)。 同化またはアンモニウム産生NADH依存性亜硝酸塩レダクターゼは、亜硝酸塩のアンモニウムへの6電子還元を触媒するシロヘム含有酵素である。 亜硝酸塩レダクターゼ遺伝子ＮＡＳＤＥはＮＡＳＤＥＦオペロンの一部であり、ＮＡＤＨ依存性硝酸塩レダクターゼをコードするＮＡＳＢＣオペロンのすぐ下流に見出された（Ｎａｋｏｎｏ，Ｙａｎｇ，Ｈａｒｄｉｎ，＜ｄｉｖ ｉ ｄ＝”, 1995).