Membrane Potential as a Regulation Mechanism of Periplasmic Nitrite Reductase Activity: A Mathematical Model

Abstract

Аннотация. В условиях анаэробного дыхания на нитрите (NO 2 ) главной составляющей дыхательной цепи в клетках Escherichia coli является периплазматическая нитритредуктаза NrfA, которая обеспечивает формирование цепи передачи электронов на мембране клетки, необходимой для синтеза АТФ, и утилизацию нитрита при концентрациях субстрата не более 2 мM. Ранее авторами была выдвинута гипотеза, что активность NrfA редуктазы при низких концентрациях NO 2 в среде определяется не только механизмами регуляции экспрессии генов, кодирующих ее структуру, но и действием мембранного потенциала на процессы формирования активной формы фермента в периплазме. Для обоснования этой гипотезы была разработана модель утилизации NO 2 клетками E. coli в хемостате, сопряженная с процессами формирования электрического потенциала на мембране клетки. В отсутствие экспериментальных данных о структуре цепи передачи электронов в условиях дыхания на нитрите, были рассмотрены два гипотетических сценария формирования мембранного потенциала при культивировании клеток в хемостате с участием форматгидрогенлиазных комплексов FHL-1 и FHL-2, компонентами которых являются форматдегидрогеназа Fdh-H и гидрогеназы Hyd-3 и Hyd-4, и разработаны соответствующие модели. Показано, что включение в модель утилизации нитрита клетками E. coli конкретных молекулярно-генетических и метаболических процессов, ведущих к формированию мембранного потенциала, позволяет корректно описать экспериментальные данные по кинетике его утилизации в хемостате. Показано также, что результат моделирования не зависит от сценария формирования мембранного потенциала. В целом, полученные данные подтверждают важную роль мембранного потенциала в регуляции активности периплазматической Nrf редуктазы при микромолярных концентрациях нитрита в среде. Не исключено, что этот механизм может быть важен и для других белков, активность которых зависит от их локализации в периплазме.Ключевые слова: анаэробное дыхание, нитрит, мембранный потенциал, периплазматическая NrfA нитритредуктаза, моделирование.