Moleculargenetic mechanisms of membrane potential formation in Escherichia coli at stationary growth on nitrite

Abstract

В кишечнике человека наиболее энергетически выгодным субстратом для бактерии Escherichia coli является нитрат, побочным продуктом восстановления которого является токсичный нитрит, используемый, хотя и с меньшей эффективностью, чем нитрат, в качестве акцептора электронов в дыхательной цепи. Нитрит восстанавливается до аммония периплазматической Nrf нитритредуктазой, кодируемой nrfABCD опероном, уровень эффективности транскрипции которого зависит от концентрации нитрита в среде Ранее нами была выдвинута гипотеза, что активность Nrf редуктазы при низких концентрациях нитрита в среде определяется не только механизмами регуляции экспрессии оперона nrfABCD, но и действием мембранного потенциала на процессы формирования активной формы фермента в периплазме. Эта возможность была теоретически доказана на математической модели, в которой мембранный потенциал представлен в виде феноменологической функции, зависящей от нитрита. Для окончательного подтверждения гипотезы была создана модель утилизации нитрита в хемостате, в которой величина мембранного потенциала была рассчитана на основе молекулярно-генетических механизмов его формирования. Поскольку структура дыхательной цепи на нитрите неизвестна, были реконструированы два гипотетических сценария формирования мембранного потенциала при культивировании клеток в хемостате и разработаны соответствующие модели. В сценариях рассматривается участие форматгидрогенлиазных комплексов FHL-1 и FHL-2, компонентами которых являются форматдегидрогеназа Fdh и гидрогеназы Hyd-3 и Hyd-4 соответственно. Было показано, что результаты математического моделирования не зависят от сценария формирования потенциала. Полученные результаты подтверждают, что мембранный потенциал играет важную роль в регуляции активности периплазматической Nrf редуктазы при низких концентрациях нитрита. Учитывая распространенность механизма, мы предполагаем, что мембранный потенциал может играть существенную роль в регуляции активностей других периплазматических белков.