2.1 Anaerob respirasjon

under respirasjon oksiderer forskjellige membranassosierte dehydrogenaser vannløselige substrater og reduserer menaquinon (MK) i membranen til menaquinol. Under aerobe forhold brukes elektronene til å redusere oksygen til vann, mens under anaerobe forhold overføres nitrat respiratoriske vekstelektroner til nitrat for å gi nitritt(Fig. 5.1). EN stor elektrondonor av respirasjon ER NADH + H + produsert i glykolyse og tricarboxylsyre syklusen. TO typer membranbundne NADH-dehydrogenaser, NDH – I OG NDH-II, har blitt beskrevet for bakterier for å katalysere oksidasjonen AV NADH + H + TIL NAD+ (Yagi, 1993). NDH-i består av 14 underenheter, kodet av nuo-operonen I Escherichia coli, og inneholder flavinmononukleotid (FMN) og flere jern-svovelklynger for å koble elektronoverføring til protonpumping over membranen. NDH-II består av en enkelt underenhet kodet av ndh-genet. NDH-II ER ikke et integrert membranprotein, men forbundet med den indre siden av den cytoplasmatiske membranen. Den inneholder flavin-adenin-dinukleotid (FAD) da protesegruppe og elektronoverføring ikke er koblet til protontranslokasjon. I b. subtilis-genomet koder tre gener, yjlD, yumB og yutJ, potensielle NADH-dehydrogenaser AV NDH-II-typen, mens en nuo-operon er fraværende fra b. subtilis-genomet (Kunst et al., 1997). YjlD, omdøpt Ndh, består av 392 aminosyrerester og viser 29% sekvensidentitet TIL NDH-II Av E. coli (Bergsma, Van Dongen, & Konings, 1982). Interessant, mengden Ndh protein Av B. subtilis ble funnet signifikant redusert under anaerobe forhold (Marino, Hoffmann, Schmid, Mobitz, & Jahn, 2000). Ndh synes å være den viktigste aerobic NADH dehydrogenase Av b. subtilis, som mutasjon av ndh genet viste en aerob vekst defekt (Gyan, Shiohira, Sato, Takeuchi, & Sato, 2006). I mellomtiden ble det vist at uttrykket av yjlC-ndh-operonen er regulert Av Rex-regulatoren, en redoks-sensing transkripsjonell regulator, som reagerer PÅ NADH / NAD + – forholdet (se Også Avsnitt 3.3) (Gyan et al., 2006). I kontrast ble uttrykket av yumB-genet funnet indusert under nitrat respiratoriske forhold i transkriptomstudier (E. Hä, upubliserte resultater). Hvorvidt YumB og YutJ har NADH dehydrogenase aktivitet som foreslått av protein sekvens likhet og om de er relevante under nitrat respiratoriske vekstforhold må bestemmes.

Som andre aerob-respirerende organismer, har b. subtilis en succinat dehydrogenase (sdh) eller mer presist et succinat:kinonoksidoreduktase, SQR (H@gerh@ll, 1997). Enzymkomplekset er en integrert del av den cytoplasmatiske membranen i bakterier og den indre mitokondriamembranen i eukaryoter. Det katalyserer oksydasjonen av succinat til fumarat kombinert med reduksjonen av kinon. Enzymet er dermed en funksjonell del av både sitronsyresyklusen og respirasjonskjeden (Hä, Aasa, von Wachenfeldt, Hederstedt, 1992). SQR i b. subtilis reduserer MK og har tre proteinunderenheter, SdhA, SdhB og SdhC. SdhA er et flavoprotein med en kovalent bundet KJEPP som utfører de to elektronoksydasjonene av succinat til fumarat i cytoplasma. SdhB inneholder tre jern-svovel klynger (,, og ) som fungerer i elektronoverføring mellom flavin gruppe og heme b av cytokrom b558 I SdhC. SdhC har fem transmembrane α-spiralformede segmenter og forankrer SdhAB-dimer på den cytoplasmatiske siden av membranen og funksjoner i transmembranelektronoverføring TIL MK (Hederstedt, Maguire, Waring, & Ohnishi, 1985; Matsson, Tolstoy, Aasa, & Hederstedt, 2000). De to heme b-kofaktorene formidler overføring av elektroner over cytoplasmisk membran til ytre side av membranen der MK reduseres og to protoner forbrukes (Hederstedt, 2002). Dette er forskjellig fra E. coli hvor protonene for reduksjon av ubiquinon til ubiquinol forbrukes på den negative siden av membranen, noe som ikke påvirker membranpotensialet. B. subtilis og Andre Baciller, Som Bacillus megaterium og Bacillus cereus stammer, kan vokse under oksiske forhold med succinat som karbon og energikilde (Schirawski & Unden, 1995, 1998).

b. subtilis, B. megaterium Og b. cereus vokser ikke under anaerobe forhold i nærvær av glyserol. I avtalen mangler gener for en glyserol-3-dehydrogenase i genomene. Imidlertid ble et glpD-gen for den aerobe varianten av det membranlokaliserte elektronoverføringssystemet detektert I b. subtilis. Ingen homologi ble funnet for gener som koder for andre primære dehydrogenaser som finnes I E. coli, slik som ulike formatdehydrogenase, hydrogenaser, l-laktatdehydrogenase, d – aminosyre dehydrogenase, malat: kinonoksidoreduktaser eller kinoproteinglukosedehydrogenase. Åpenbart har b. subtilis bare et begrenset sett med primære elektrondonerende dehydrogenaser, nemlig forskjellige former FOR NDH-II og aerob glyserol-3-fosfat dehydrogenase.under aerobe forhold sendes elektronene fra menakinol via cytokrom bc1-komplekset til aa3-typen cytokrom c-oksidase. Under mikroaerofil tilstand brukes cytokrom bd-type menakinoloksidase med høy oksygenaffinitet. Fumarat som terminal elektron akseptor ble ekskludert for ulike baciller, inkludert b. subtilis (Schirawski & Unden, 1995). Følgelig er gener for en fumaratreduktase ikke funnet I b. subtilis-genomet. Andre Bacillistammer, Som Bacillus licheniformis og Bacillus circulans, kan puste fumarat som E. coli.under anaerobe vekstforhold overfører b. subtilis elektronene utelukkende til respiratorisk nitratreduktase. I bakterier klassifiseres tre forskjellige nitratreduktasesystemer: de cytoplasmatiske assimilatoriske NAD (P)H-avhengige nitratreduktasene (Nas), den membranbundne respiratoriske nitratreduktasene (Nar) og de periplasmiske dissimilatoriske nitratreduktasene (Nap). Alle tre tilhører DMSO reduktasefamilien av proteiner og inneholder bis-molybdopterin guanindinukleotid (MGD) kofaktor (Moreno-Vivian, Cabello, Martinez-Luque, Blasco, & Castillo, 1999). B. subtilis-genomet koder Bare for respiratorisk nitratreduktase Nar. Nar enzymer vanligvis er sammensatt av tre underenheter. Den store Underenheten NarG inneholder det aktive stedet MED mgd-kofaktoren, en mindre løselig Underenhet NarH havner en og tre sentre, og underenheten NarI er en cytokrom b. Nar er en kinoloksidase og menaquinol-bassenget oksyderes av cytokrom b-underenheten NarI. To elektroner flyter via heme b Av NarI til jern-svovel klynger Av NarH og til slutt til cytoplasmatisk underenhet NarG som reduserer nitrat til nitritt. NarJ-proteinet er ikke en del av enzymet, men nødvendig for sluttmontering av det membranbundne enzymet (Blasco, Iobbi, Ratouchniak, Bonnefoy, & Chippaux, 1990; Zakian et al., 2010). På grunn av de forskjellige stedene for kinoloksydasjon i periplasma og for nitratreduksjon i cytosol, bidrar nitratreduktase Nar til genereringen av en protongradient (Fig. 5.1). Nar locus består av narGHJI-operonen( koding av respiratorisk nitratreduktase), narK( for et potensielt nitritt ekstruderingsprotein), den åpne leserammen ywiC (med ukjent funksjon), arfM som koder for modulatoren for anaerob respirasjon og gjæring, og også genet for den anaerobe regulatoren Fnr (Cruz-Ramos et al., 1995; Kunst et al., 1997).Nitritt blir så videre omdannet til ammoniakk Av den assimilerende nitritreduktase NasDE (Cruz-Ramos et al., 1995; Hoffmann, Frankenberg, Marino, & Jahn, 1998; Hoffmann et al., 1995; Nakano & Zuber, 1998). Assimilerende ELLER ammonium-produserende NADH-avhengig nitritt reduktase er et sirohemholdig enzym som katalyserer seks-elektron reduksjon av nitritt til ammonium. Nitritt reduktase gener nasDE var en del av en nasDEF operon og funnet umiddelbart nedstrøms av nasBC operon, som koder FOR NADH-avhengig nitrat reduktase (Nakano, Yang, Hardin, & Zuber, 1995; Ogawa et al., 1995).