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有氧呼吸对低氧环境的适应。

Adaptation of aerobic respiration to low O2 environments.

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Center for Biophysics and Computational Biology, University of Illinois, Urbana, IL 61801, USA.

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Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Aug 23;108(34):14109-14. doi: 10.1073/pnas.1018958108. Epub 2011 Aug 15.

Abstract

Aerobic respiration in bacteria, Archaea, and mitochondria is performed by oxygen reductase members of the heme-copper oxidoreductase superfamily. These enzymes are redox-driven proton pumps which conserve part of the free energy released from oxygen reduction to generate a proton motive force. The oxygen reductases can be divided into three main families based on evolutionary and structural analyses (A-, B- and C-families), with the B- and C-families evolving after the A-family. The A-family utilizes two proton input channels to transfer protons for pumping and chemistry, whereas the B- and C-families require only one. Generally, the B- and C-families also have higher apparent oxygen affinities than the A-family. Here we use whole cell proton pumping measurements to demonstrate differential proton pumping efficiencies between representatives of the A-, B-, and C-oxygen reductase families. The A-family has a coupling stoichiometry of 1 H(+)/e(-), whereas the B- and C-families have coupling stoichiometries of 0.5 H(+)/e(-). The differential proton pumping stoichiometries, along with differences in the structures of the proton-conducting channels, place critical constraints on models of the mechanism of proton pumping. Most significantly, it is proposed that the adaptation of aerobic respiration to low oxygen environments resulted in a concomitant reduction in energy conservation efficiency, with important physiological and ecological consequences.

摘要

细菌、古菌和线粒体中的需氧呼吸是由血红素铜氧化还原酶超家族的氧还原酶成员进行的。这些酶是氧化还原驱动的质子泵,它们将从氧还原释放的部分自由能储存起来,以产生质子动力势。根据进化和结构分析,氧还原酶可以分为三个主要家族(A-、B-和 C-家族),B-和 C-家族在 A-家族之后进化。A-家族利用两个质子输入通道来传递质子以进行泵送和化学,而 B-和 C-家族只需要一个。通常,B-和 C-家族的表观氧亲和力也高于 A-家族。在这里,我们使用全细胞质子泵送测量来证明 A-、B-和 C-氧还原酶家族代表之间的质子泵送效率存在差异。A-家族的偶联化学计量比为 1 H(+)/e(-),而 B-和 C-家族的偶联化学计量比为 0.5 H(+)/e(-)。质子泵送的差异偶联化学计量比,以及质子传导通道结构的差异,对质子泵送机制的模型提出了关键的限制。最重要的是,据提议,需氧呼吸对低氧环境的适应导致能量守恒效率的同时降低,这对生理和生态具有重要意义。

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