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VHb (hemoglobina)

La hemoglobina de Vitreoscilla ( VHb ) es un tipo de hemoglobina que se encuentra en labacteria aerobia gramnegativa Vitreoscilla . Es la primera hemoglobina descubierta a partir de bacterias, pero a diferencia de la hemoglobina clásica, está compuesta solo por una única molécula de globina . [1] Al igual que la hemoglobina típica, su función principal es la unión del oxígeno, pero también realiza otras funciones, incluida la entrega de oxígeno a las oxigenasas , la desintoxicación del óxido nítrico , la detección y transmisión de concentraciones de oxígeno, la actividad similar a la peroxidasa al eliminar el H 2 O 2 derivado de la autooxidaciónque previene la degradación del hemo y la liberación de hierro. [2]

Descubrimiento

En 1986, se secuenció una proteína hemo bacteriana ( Vitreoscilla ) que había sido estudiada por Webster y sus colegas, y esta secuencia de aminoácidos exhibió los pliegues de globina de una hemoglobina. [3] [4] Consiste en un solo dominio que normalmente se presenta como un dímero. La solución de su estructura cristalina confirmó que su estructura tridimensional es notablemente similar al pliegue de globina clásico. [5] Cuando el gen ( vgb ) para esta hemoglobina se clonó en E. coli [6] se encontró que aumentó el crecimiento de estas células en condiciones de bajo oxígeno en comparación con las bacterias de control. [7] La ​​concentración de VHb aumentó drásticamente en Vitreoscilla , un aerobio estricto, cultivado en condiciones hipóxicas , [8] y se propuso que actuaba como una "trampa de almacenamiento de oxígeno" para alimentar oxígeno a la oxidasa terminal (citocromo bo ) en estas condiciones. [9] Otra evidencia de esto es que VHb se concentra in vivo cerca de la membrana de las células de Vitreoscilla . [10] También se demostró que VHb se une a la subunidad I de la oxidasa terminal del citocromo bo, [11] la subunidad que contiene hemo que también es responsable de la función única de bombeo de sodio de esta oxidasa terminal única. [12]

Función

La VHb es la hemoglobina bacteriana mejor comprendida de todas y se le atribuyen varias funciones. Su función principal es probablemente la unión del oxígeno en bajas concentraciones y su entrega directa a las oxidasas respiratorias terminales, como el citocromo o. También participa en la entrega de oxígeno a las oxigenasas , [13] la desintoxicación del óxido nítrico convirtiéndolo en nitrato , [14] y la detección de concentraciones de oxígeno y la transmisión de esta señal a los factores de transcripción . [15] [16] Tiene una actividad similar a la peroxidasa y elimina eficazmente el H 2 O 2 derivado de la autooxidación , que es una causa de la degradación del hemo y la liberación de hierro. [2]

Regulación genética

El gen VHb, vgb , existe como una sola copia en Vitreoscilla y exhibe un acuerdo completo con la secuencia primaria de VHb. [6] [17] La ​​región descendente adyacente a vgb lleva un gen en la dirección opuesta que tiene una similitud cercana con el gen uvrA de E. coli , lo que indica que vgb no es parte de un operón multigénico . [18] La biosíntesis de VHb está regulada a nivel transcripcional y se induce bajo hipoxia en su huésped nativo. [19] vgb se expresa fuertemente en E. coli a través de su promotor nativo y un aumento similar en su nivel de transcripción ocurre bajo hipoxia; esto sugiere una similitud cercana en la maquinaria transcripcional de Vitreoscilla y E. coli . [20] La región promotora de vgb está repleta de sitios de unión superpuestos para varios reguladores transcripcionales sensibles a redox, que involucran el sistema de reducción de fumarato y nitrato (Fnr) como regulador primario. [15] El sistema de represión de catabolitos (Crp) es un control adicional [21] junto con el sistema de control de respiración aeróbica (Arc) como un tercer controlador dependiente del oxígeno. [22] Otro sitio de unión para el regulador de respuesta al estrés oxidativo (OxyR) también está presente dentro del promotor vgb; todos estos reguladores transcripcionales parecen trabajar en coordinación entre sí para controlar la biosíntesis de VHb de una manera dependiente de redox. [15]

Ingeniería genética y aplicaciones

Dado que se demostró que VHb estimulaba el crecimiento de E. coli en condiciones hipóxicas, vgb se clonó en una variedad de organismos, incluidas varias bacterias, levaduras, hongos e incluso plantas y animales superiores para probar sus efectos en el crecimiento y la producción de productos de potencial importancia comercial, la degradación de compuestos tóxicos, la mejora de la nitrificación en el tratamiento de aguas residuales y otras aplicaciones ambientales. [23]

Entre los ejemplos de aumento de la productividad se incluyen el aumento del rendimiento de una variedad de productos bioquímicos, incluidos antibióticos, un insecticida, un surfactante y posibles materias primas plásticas. También incluyen enzimas [24] (incluida una que podría tener propiedades antileucémicas) y combustibles (incluidos el etanol, [25] butanodiol, [26] [27] y biodiésel [28] ). Los compuestos tóxicos estudiados han sido aromáticos, incluido el ácido 2-clorobenzoico y el 2,4-dinitrotoleno. [29] [30] En estos casos, se cree que los aumentos en la degradación se deben tanto a los efectos de la VHb que mejora la respiración para proporcionar a las células ATP adicional para el crecimiento y la producción de enzimas degradantes, como al suministro de oxígeno directamente a las oxigenasas necesarias para los primeros pasos en las vías degradativas.

Otras investigaciones ambientales incluyen aquellas relacionadas con la remediación de metales pesados ​​y el suministro de fosfato del suelo a las plantas. [28] La expresión de vgb en Nitrosomonas europaea , una bacteria involucrada en la conversión de amoníaco a nitrito en aguas residuales, mejoró, hasta cierto punto, su capacidad en esta conversión. [31] Además, se demostró que el mecanismo de expresión de la proteína hemo para mejorar el suministro de oxígeno a la monooxigenasa en la nitrificación en condiciones hipóxicas es similar a la función de VHb observada en otras aplicaciones. [32]

Los residuos de aminoácidos en varias secciones de VHb en proximidad al hemo fueron alterados usando ingeniería genética para cambiar la afinidad de VHb por el oxígeno y examinar los efectos sobre las propiedades biotecnológicas de algunos de los sistemas estudiados. [23] Muchas de las mutaciones no tuvieron grandes efectos sobre las propiedades de unión del ligando de VHb, o proporcionaron en el mejor de los casos un aumento modesto en el crecimiento celular en comparación con las células que albergaban VHb de tipo salvaje. [23] [33] Sin embargo, dos de los VHb mutantes proporcionaron aumentos sustanciales en el crecimiento y la degradación de compuestos aromáticos en comparación con VHb de tipo salvaje en bacterias Pseudomonas y Burkholderia transformadas para contener vgb . [34]

Referencias

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