1 / 28

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:

maggy-herrera
Download Presentation

Elektronu transports baktērijās: ievads

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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+

  2. Elektronu transporta ķēdes sastāv no atsevišķiem blokiem - elektronu transporta kompleksiem mitohondrijos: NADH dehidrogenāzes komplekss aa3terminālā oksidāze CoQ bc1 c O2 Sukcinātdehidrogenāze E. coli NADH dehidrogenāzes komplekss I bo terminālā oksidāze O2 NADH dehidrogenāze II hinoni bd terminālā oksidāze O2 D – laktātdehidrogenāze nitrātreduktāze NO3- Anaerobā elpošana Sukcinātdehidrogenāze nitrītreduktāze NO2- fumarātreduktāze fumarāts

  3. Elektroni tiek pārnesti no kofaktora ar zemāko (negatīvāko) red-oks potenciālu uz kofaktoru ar augstāko (pozitīvāko) red-oks potenciālu Standarta red-oks potenciāli elpošanas ķēdē: E’0 [NAD+/NADH] = -320 mV E’0 [UQ/UQH2] =45 mV E’0 [1/2O2/H2O] =816 mV E’0ķēdē =1.14 V, kas atbilst G =220 kJuz 1 molu oksidēta NADH Ja mitohondrijos Gp =57 kJuz 1 molu sintezējamā ATP, tad oksidējot NADH molekulu izdalās enerģija, kas pietiek 3 ATP molekulu sintēzei

  4. Elektronu transports, kas nesākas ar NADH: elektronus var pārnest arī virzienā no pozitīvāka uz negatīvāku redox potenciālu, bet tam nepieciešama enerģija Reversais elektronu transports Nitrītoksidāze

  5. matrix I komplekss, jeb I tipa NADH dehidrogenāze(NADH:UQ oksidoreduktāze) Red-oks kofaktori –FMN, vairāki (7)Fe/Scentri (N1a, N1b, N2,...) unkompleksā saistītsubihinons H+ translokācijas mehanisms – iespējams,konformāciju sūknis, kā citohromoksidāzē: red-oks reakcijas pie N2 izsauc konformāciju izmaiņas, kuras darbina H+ vai Na+ sūkni (daļai baktēriju)

  6. 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

  7. E. coli terminālās oksidāzes bo bd • abas oksidē ubihinolu, nevis cyt. c Periplazma 2H+ 2H+ 2H+ • tikai bo pieder vara – hema oksidāžu grupai 2e- 2e- b o Cu b595 d UQH2 UQ UQH2 UQ 2e- b558 •bo pumpē protonus, H+/e-=2 2H+ 2H++ 0.5O2 H2O 2H++ 0.5O2 H2O Citoplazma •bd nepumpē protonus, H+/e-=1; protondzinēj-spēku veido tikai skalārie protoni

  8. Atšķirībā no E. coli, daļai baktēriju elpošanas ķēde satur bc1 kompleksu. Tas atrodas atzarā ar augstāko enerģētisko efektivitāti Kabus et al. (2007) Appl Env Microbiol, 73: 861-868

  9. 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

  10. 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

  11. Elpošanas ķēdes redoks regulācija: Vai visi elektronu transporta ķēdes kompleksi tiek ekspresēti pie dažādām skābekļa koncentrācijām? E. coli NADH dehidrogenāzes komplekss I bo terminālā oksidāze O2 NADH dehidrogenāze II hinoni bd terminālā oksidāze O2 D – laktātdehidrogenāze nitrātreduktāze NO3- Anaerobā elpošana Sukcinātdehidrogenāze nitrītreduktāze NO2- fumarātreduktāze fumarāts

  12. 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 Lazazzera et al. (1996) J Biol Chem, 271: 2762-2768 : Fe2+ -> Fe3+

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

  14. NADHdeh I NADHdeh II Jones et al. (2007) Infect Immun, 75: 4891-4899

  15. 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

  16. Vairumam Gram-pozitīvo baktēriju sastop citu red-oks regulatoro sistēmu, kuras nav Gram-negatīvajās baktērijās – Rex represoru Rex 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 NADH NAD+ CydAB Brekasis et al. (2003) EMBO Journal, 22: 4856-4865

  17. 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

  18. 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 homeostāzi Picrophylus 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!

  19. Monoslāni veidojošie termoacidofīlo arheju tetraēteru lipīdi: stabilāki pie augstām temperatūrām, ekstrēma pH, rezistenti pret oksidēšanos, skābju hidrolīzi un lipāžu iedarbību Liposomas no termoacidofīlo arheju lipīdiem ir ar relatīvi zemāku protonu caurlaidību (Thermoplasma acidophilum, Sulfolobus solfataricus, Picrophilus oshimae ) Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

  20. 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

  21. H+(Na+)-dzinējspēka ģenerēšana un patērēšana neitrofīli termofīlie anaerobi alkalifīli acidofīli Albers et al. (2001) Extremophiles, 5: 285-294

  22. 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

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

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

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

  26. E. coli ATPāzesrotors satur 10 c subvienības. Alkalifīliem c subvienību ir nedaudz vairāk: 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 JaH+= 136 mV jeb 13.1 kJ uz molu H+, un Gp= 45.2 kJ uz molu ATP, starp 3 un 4 tad H+/ATP = Guffanti and Hicks (1991) J Gen Microbiol, 137: 2375-2379 JaH+= 50 mV jeb 4.8 kJ uz molu H+, un Gp= 46 kJ uz molu ATP, starp 9 un 10 ! tad H+/ATP = Alkalifīliem c subvienību skaits nav tik liels, un tas nevar būt mainīgs

  27. H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ O2 electron transport H2O ADP+Pi=ATP 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

More Related