Układ łukowy

System Arc to dwuskładnikowy system występujący w niektórych bakteriach , który reguluje ekspresję genów u fakulatywnych beztlenowców, takich jak Escheria coli . System dwuskładnikowy oznacza, że ​​ma cząsteczkę sensoryczną i regulator odpowiedzi . Arc to skrót od Anoxic Redox Control system. Systemy łukowe odgrywają zasadniczą rolę w utrzymaniu metabolizmu energetycznego podczas transkrypcji bakterii. Regulator odpowiedzi ArcA przygląda się warunkom wzrostu i wyraża geny , aby najlepiej pasowały do ​​bakterii. Kinaza czujnika Arc B, która jest białkiem trójdzielnym, jest związana z błoną i może ulegać autofosforylacji .

System Arc został po raz pierwszy opisany w szczepach E. coli, a następnie wielu z nich. ArcA/ArcB zostały po raz pierwszy zidentyfikowane jako odgrywające ważną rolę w regulacji szlaków tlenowych i beztlenowych przez Shiro Iuchi i EC Lin. Ci dwaj naukowcy zaprojektowali ekran genetyczny przy użyciu operonu sdh-lacZ w szczepie Δ lac E. coli. Wykazano, że mutacje w genach arcA i arcB powodowały podwyższenie poziomu enzymów biorących udział w szlakach fermentacji beztlenowej. Ci dwaj naukowcy są odpowiedzialni za nazwę arc , która pierwotnie oznaczała kontrolę oddychania tlenowego.

Struktura ArcB i ArcA

ArcB składa się z 778 aminokwasów. Jest to wieloprzebiegowe białko transbłonowe, które dwukrotnie przechodzi przez błonę wewnętrzną. Większość struktury drugorzędowej ArcB to helisy alfa; 5 helis alfa i 1 arkusz beta. Dwie transbłonowe części białka to helisy alfa o długości 20 aminokwasów, które są bogate w aminokwasy hydrofobowe. Aminokwasy 79-778 są cytoplazmatyczne, 93% białka jest cytoplazmatyczne. W tej domenie cytoplazmatycznej obecne są zarówno regiony czuciowe, jak i regulatorowe ArcB.

ArcA składa się z 238 aminokwasów. Jest to białko oligomeryczne z dwiema identycznymi podjednostkami; każda podjednostka składa się ze 119 aminokwasów, 5 helis alfa i 6 arkuszy beta. Aminokwasy 134-234 mają domenę wiążącą DNA, która może aktywować lub hamować ekspresję genów. E. coli znajduje się 76 miejsc wiążących DNA , jednak ArcA bezpośrednio reguluje około 30 różnych operonów.

Mechanizm

ArcB to związana z błoną sensoryczna kinaza histydynowa . Jest to niezwykłe, ponieważ zawiera trzy odrębne domeny sygnalizacyjne. Wyczuwa poziomy tlenu w komórce poprzez interakcję ze zredukowanym chinonem. Gdy poziom zredukowanego chinonu jest wysoki, oznacza to, że komórka bierze udział w oddychaniu tlenowym . Niski poziom zredukowanego chinonu sygnalizuje, że komórki nie są w stanie oddychać tlenowo. Jest to zwykle spowodowane niewystarczającym poziomem tlenu, który działa jako końcowy receptor elektronów w łańcuchu transportu elektronów. ArcB jest wtedy w stanie aktywować lub dezaktywować ArcA, regulator odpowiedzi, który może następnie podróżować do chromosomu i regulować ekspresję genów.

ArcA jest aktywowany przez fosforylację. Gdy tlen jest obecny w komórce, ArcB autofosforyluje. Ten nieorganiczny fosforan jest następnie przenoszony przez czteroaminokwasowy fosforetak do ArcA. Fosforylowana ArcA jest wtedy w stanie przyłączać się do specyficznych, konsensusowych sekwencji genów na chromosomie regulującym około 30 różnych operonów. ArcA może działać zarówno jako represor, jak i aktywator, w zależności od tego, który operon przyłącza.

Kiedy poziom tlenu jest niski, ArcB działa jak fosfataza, usuwając nieorganiczną grupę fosforanową z ArcA. Bez przyłączonej grupy fosforanowej ArcA nie jest w stanie związać się z DNA, a geny powracają do swoich pierwotnych tlenowych poziomów ekspresji. Pozwala to komórce zaangażować się w szlaki metaboliczne, które są najkorzystniejsze dla aktualnych warunków komórki. Defosforylacja wykorzystuje ten sam fosforoprzekaźnik co fosforylacja, ale działa w odwrotnej kolejności.

Bez obecności systemu Arc w różnych szczepach bakterii beztlenowych ekspresja genów nie mogłaby skutecznie kontrolować metabolizmu podczas replikacji materiału genetycznego. W wielu warunkach wzrostu, w których nie ma tlenu, kinaza czujnika ArcB (która jest związana z błoną) zamienia się w autofosforylany, co jest procesem, który okazał się bardziej wydajny, gdy pewne fermentujące metabolity, takie jak pirogronian, octan i D-mleczan.

Regulacja genów

System Arc łączy łańcuch transportu elektronów z regulacją niektórych genów, umożliwiając oddychanie tlenowe w obecności tlenu i fermentację, gdy nie ma tlenu. Odbywa się to poprzez połączenie ArcB z chinonami z łańcucha transportu elektronów. Utlenione chinony z łańcucha transportu elektronów hamują autofosforylację ArcB podczas oddychania tlenowego. To z kolei zapobiega fosforylacji ArcA, wyłączając aktywowane operony .

Ustalono, że system Arc reguluje aż 30 genów, z represją następujących genów: oksydazy cytochromu , oksydazy cytochromu d oraz różnych enzymów glukoneogenezy , takich jak cykl glioksylanowy i utlenianie kwasów tłuszczowych . Indukuje również ekspresję liazy pirogronianowo-mrówczanowej .

Jednym z głównych kontrolowanych genów jest operon sdh-lacZ . To częściowo koduje syntezę dehydrogenazy bursztynianowej , kluczowego elementu w cyklu TCA. ArcA wyłącza ekspresję operonu sdh-lacZ w obecności tlenu, zatrzymując procesję cyklu TCA. Aktywuje także lctD i liazę mrówczanową pirogronianu. Geny te są kluczowe w procesie fermentacji kwasu mlekowego. Są aktywowane w warunkach beztlenowych, aby umożliwić komórce dalsze wytwarzanie ATP i wzrost nawet w mniej sprzyjających warunkach. ArcA hamuje również wiele innych enzymów biorących udział w cyklu TCA, w tym dehydrogenazy flawoproteinowe i oksydazy ubichionów. Hamuje również enzymy biorące udział w syntezie glioksylanu , niektóre dehydrognazy stosowane we wzroście tlenowym oraz enzymy zaangażowane w utlenianie kwasów tłuszczowych. Aktywowane operony obejmują geny szlaku liazy mrówczanowo-pirogronianowej i enzymy zaangażowane w syntezę kobalaminy .

Inny z genów odpowiadał za kody produkcji niektórych cytochromów . ArcA hamuje oksydazę cytochromu bo i aktywuje oksydazę cytochromu bd. Cytochromy są klasyfikowane na podstawie hemów , w tym przypadku cytochrom bo posiada hem c, podczas gdy cytochorm bd oksydaza psozuje hem d. Cytochormes bo oksydaza jest jednym z głównych transporterów elektronów w łańcuchu transportu elektronów oddychania tlenowego. Posiada zdolność redukcji większości związków organicznych występujących w metabolizmie komórkowym. Oksydaza cytochromu bd jest aktywowana w warunkach beztlenowych. Ma większe powinowactwo do tlenu niż oksydaza cytochromu bo, co może być przydatne dla komórek w warunkach beztlenowych.