БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 10, с. 1818 - 1828

УДК 577.151.63

ГЕНЕРАЦИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ЦИТОХРОМОМ bd

Обзор

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского,

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

119991 Москва, Россия; электронная почта: bor@belozersky.msu.ru

Поступила в редакцию 10.06.2023

После доработки 08.07.2023

Принята к публикации 11.07.2023

В обзоре даны современные представления о механизме генерации трансмембранной разности

электрических потенциалов (Δψ) в ходе каталитического цикла трёхгемовой терминальной хинол-

оксидазы типа bd. Предполагается, что основной вклад в образование Δψ вносит перемещение Н⁺

поперёк мембраны по внутрибелковому гидрофильному протон-проводящему пути из цитоплазмы

к кислородоредуктазному активному центру этого бактериального фермента.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: дыхательная цепь, терминальная оксидаза, цитохром bd, гем, протон-движущая

сила, мембранный потенциал.

DOI: 10.31857/S032097252310007X, EDN: OTSSEC

ВВЕДЕНИЕ

ственного фотоактивируемого восстановителя

выступает трис(2,2′-бипиридил)рутений(II) хло-

В 1974 г. в НИИ физико-химической био-

рид (RuBpy), образующий за счёт электроста-

логии имени А.Н. Белозерского МГУ Л.А. Дра-

тических взаимодействий комплекс с сайтом

чёв и соавторы разработали электрометриче-

связывания цитохрома с в оксидазе вблизи

ский метод прямого измерения электрической

входного редокс-центра Cu_A [5, 6]. В результате

активности сопрягающих мембран, дающий

фотовозбуждения RuBpy импульсным лазе-

уникальную возможность отслеживать внутри-

ром электрон с RuBpy* переносится на Cu_A.

белковое перемещение электрических заря-

Окисленный RuBpy ревосстанавливается ани-

дов в пределах одного молекулярного оборота

лином. Этот подход позволяет регистрировать

фермента [1]. С помощью этого метода удалось

с разрешением во времени электрогенный

наблюдать в реальном времени генерацию

перенос зарядов в ходе отдельных одноэлек-

трансмембранной разности электрических по-

тронных переходов в каталитическом цикле

тенциалов (Δψ) бактериородопсином [2], реак-

цитохром с-оксидазы [7]. Во втором подходе

ционными центрами [3] и цитохромом bc₁ [4]

для инициирования ферментативной реакции

фотосинтезирующих бактерий, а также терми-

в режиме одного оборота используется лазер-

нальной цитохром с-оксидазой [5-7] и нека-

ный импульсный фотолиз комплекса моно-

ноническими ретиналь-содержащими бакте-

оксида углерода (СО) с кислородсвязывающим

риальными белками [8, 9]. Для изучения элек-

высокоспиновым гемом a₃. Образование ком-

трогенного механизма цитохром с-оксидаз при-

плекса СО с частично или полностью восста-

меняются два разных подхода. В первом под-

новленным ферментом происходит в анаэроб-

ходе используется фотохимическая инъекция

ных условиях. Затем в анаэробную ячейку

одного электрона во встроенный в липосо-

с оксидазой, связавшей СО, вносят при помо-

му фермент. При этом в качестве непосред- щи техники быстрого смешивания растворён-

Принятые сокращения: Н⁺/e^- - стехиометрия протон/электрон, которая в случае дыхательной цепи Escherichia coli

подразумевает количество высвобождаемых в периплазму протонов на один электрон, используемый для восстанов-

ления кислорода до воды; Δp - протон-движущая сила; Δψ - трансмембранная разность электрических потенциалов;

τ - характеристическое время, обратное константе скорости (t1/e).

1818

ЭЛЕКТРОГЕННЫЙ ЦИТОХРОМ bd

1819

ный в воде кислород (О₂). В ходе распада ком-

качки протон/электрон (Н⁺/e^-) [25, 26]. Цито-

плекса СО-оксидаза, запускаемого фотолизом,

хромы bo₃, bd-I и bd-II кодируются оперонами

О₂ связывается с гемом a₃ и восстанавливается

cyoABCDE, cydABX и appCBX соответственно.

электронами, присутствующими в оксидазе,

cyoABCDE экспрессируется преимущественно

что сопровождается генерацией Δψ [10]. Таким

при высоком парциальном давлении O₂, тогда

образом, во втором подходе используется соче-

как cydABX - преимущественно в микроаэроб-

тание прямого электрометрического метода [1]

ных условиях. Экспрессия appCBX индуциру-

и метода «флоу-флэш» [11]. У терминальных

ется при анаэробном росте E. coli, вступлении

хинолоксидаз, в том числе цитохрома bd, кото-

культуры в стационарную фазу роста и фосфат-

рому и посвящён этот обзор, сайт связывания

ном голодании [24]. В последнее время появля-

цитохрома с отсутствует. По этой причине для

ется всё больше свидетельств того, что, помимо

отслеживания перемещения электрических

функционирования в качестве молекулярных

зарядов внутри их белковой молекулы первый

преобразователей энергии, оксидазы типа bd

подход неприменим.

принимают участие в других жизненно важ-

ных процессах в бактериальной клетке [27-30].

Цитохром bd-I вовлечён в образование дисуль-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

фидных связей при сворачивании белка [31],

ЦИТОХРОМА bd

процесс биосинтеза гема [32], а также защиту

бактерии от антибиотиков [33], пероксини-

Мембраносвязанные терминальные окси-

трита [34], монооксида азота [35-41] и аммиа-

дазы аэробных дыхательных цепей организмов

ка [42]. Обе bd-оксидазы (bd-I и bd-II) также

относят к транслоказам (класс 7 ферментов).

наделяют E. coli устойчивостью к цианиду [43],

Они катализируют реакцию четырехэлектрон-

сульфиду [43-45] и перекиси водорода [46-54].

ного восстановления молекулярного кислоро-

Недавно были опубликованы трёхмерные

да до воды ферроцитохромом с либо хинолом

структуры обоих bd-ферментов E. coli (рис. 1, 2)

(убихинолом, менахинолом и, возможно, плас-

[55-58]. Обнаружено, что цитохром bd-I содер-

тохинолом) [12, 13]. Катализируемая окисли-

жит четыре субъединицы (CydA, CydB, CydX,

тельно-восстановительная реакция сопряже-

CydY), тогда как цитохром bd-II - только три

на с генерацией Δp (протон-движущей силы).

(AppC, AppB, AppX). При этом субъединицы

Δp представляет собой «энергетическую валю-

CydA, CydB и CydX имеют гомологию с субъ-

ту» и используется клеткой для синтеза ATP

единицами AppC, AppB и AppX соответствен-

с помощью механизма окислительного фос-

но. Две большие субъединицы, CydA/AppC и

форилирования [14]. Терминальные оксидазы

CydB/AppB, образуют структурную сердцевину

делят на два эволюционно неродственных

белка. Из других структурных отличий между

надсемейства: гем/Cu-содержащих оксидаз и

двумя bd-оксидазами следует отметить, что

оксидаз типа bd, также называемых цитохро-

белок bd-II, встроенный в амфиполы, в основ-

мами bd [15-18]. В отличие от гем-медных ок-

ном присутствует в виде димера (рис. 2), тогда

сидаз, все биохимически охарактеризованные

как фермент bd-I существует только в виде

цитохромы bd являются хинолоксидазами, не

мономера [57] (рис. 1). Кислородный канал

содержат Cu и встречаются только у бакте-

в цитохроме bd-II имеет меньший диаметр

рий и архей, в том числе патогенных [19-21].

по сравнению с таковым цитохрома bd-I [57].

Последнее обстоятельство позволяет рассма-

Кроме того, предполагаемый протон-прово-

тривать bd-ферменты в качестве перспективных

дящий путь в ферменте bd-II короче, чем в

терапевтических мишеней [21, 22]. Поскольку

оксидазе bd-I [57]. Субъединица CydA/AppC

генерация Δψ в режиме одного молекулярного

содержит в своём составе три разных гема,

оборота изучена пока только у терминальных

выступающих в качестве редокс-кофакторов:

bd-оксидаз Escherichia coli, следует остановить-

один низкоспиновый гексакоординирован-

ся на этих ферментах подробнее.

ный, b₅₅₈, и два высокоспиновых пентакоорди-

Подобно электрон-транспортным цепям

нированных, b₅₉₅ и d. Аксиальными лигандами

многих бактерий, аэробная дыхательная цепь

гемов служат аминокислотные остатки субъ-

E. coli разветвлена. Её терминальный участок в

единицы CydA/AppC. Это His186 и Met393 для

общем случае представлен тремя хинолоксида-

гема b₅₅₈ и Glu445 для гема b₅₉₅ [55-58]. В цито-

зами: гем-медным цитохромом bo₃ и двумя ци-

хроме bd-II аксиальным лигандом гема d явля-

тохромами bd - bd-I и bd-II [23, 24]. В отличие

ется His19 [57-58]. В случае цитохрома bd-I

от оксидаз типа bd, цитохром bo₃ образует Δp

данные о природе аксиального лиганда гема d

по механизму протонного насоса, что позво-

противоречивы. Safarian et al. [56] утверждают,

ляет двукратно увеличить стехиометрию пере-

что это также His19, однако согласно модели

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

1820

БОРИСОВ

Рис. 2. Трёхмерная структура димера цитохрома bd-II

E. coli с разрешением 3,0 Å (PDB ID 7OSE). Помимо

гемов b558, b595 и d, связанных с субъединицей AppC,

в структуре белка обнаруживается убихинон-8 (пока-

зан красным цветом), связанный с субъединицей AppB.

Рисунок взят из работы Grauel et al. [57] в соответствии

с лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International

License

Рис. 1. Трёхмерная структура цитохрома bd-I E. coli с раз-

решением 3,3 Å (PDB ID 6RX4). Помимо гемов b558, b595

и d, связанных с субъединицей CydA, в структуре белка

обнаруживаются убихинон-8 (Q8) и глицерофосфолипид

(показан символами сферической формы), связанные

с субъединицей CydB. Рисунок взят из работы Theßeling

et al. [55] в соответствии с лицензией Creative Commons

Attribution 4.0 International License

Theßeling et al. [55], таким лигандом служит

Glu99. Гемы в белке расположены треуголь-

ником (рис. 3). Дополнительным структур-

ным элементом в CydA/AppC является так

называемая Q-петля. Она находится вблизи

гема b₅₅₈ и непосредственно участвует в свя-

зывании хинола, липофильного донора элек-Рис. 3. Треугольное расположение гемов b

558, b595 и d

в субъединице CydA цитохрома bd-I E. coli. Периплаз-

тронов. Другая большая субъединица, CydB/

AppB, не обнаруживает в своём составе каких- ма - вверху рисунка, цитоплазма - внизу рисунка. Ри-

сунок взят из работы Theßeling et al. [55] в соответствии

либо металл-содержащих кофакторов. Вместо

с лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International

этого она несёт на себе прочно связанный уби-

License

хинон-8 или деметилменахинон-8. Этот хинон

занимает положение, эквивалентное сайту

связывания гема в CydA/AppC, и, вероятно,

му у гем-медных оксидаз. Тем не менее ван-

играет роль в стабилизации структуры белка.

дер-ваальсовы контакты между этими гемами

Гем b₅₅₈ является первичным акцептором элек-

возможны, поскольку расстояние между их

тронов при окислении хинола. Гем d служит

краями гораздо меньше (3,5-3,8 Å) [55-58].

сайтом связывания O₂ и его последующего

Последнее обстоятельство предполагает воз-

восстановления до 2H₂O [59, 60]. Гем d в цито-

можность очень быстрого переноса электрона

хроме bd-I имеет необычайно высокое срод-

между гемами b₅₉₅ и d, что получило экспери-

ство к О₂, при этом образующийся оксигени-

ментальное подтверждение [65, 66]. Поэтому

рованный комплекс очень стабилен [61-64].

можно считать, что эти гемы образуют функ-

Функция гема b₅₉₅ не вполне понятна. Слиш-

циональный дигемовый центр. Такое предпо-

ком большое расстояние между центральными

ложение согласуется с данными ряда иссле-

атомами Fe гемов b₅₉₅ и d (10,9-11,3 Å), скорее

дований

[67-79]. Электрон, пришедший с

всего, не позволяет им сформировать струк-

хинола на гем b₅₅₈, по-видимому, переносится

турный биядерный центр, подобный таково-

на гем b₅₉₅ и затем на гем d.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

ЭЛЕКТРОГЕННЫЙ ЦИТОХРОМ bd

1821

ЭЛЕКТРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ

подчеркнуть, что Paulus et al. [84] наблюдали

И КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

образование соединения Р при температуре

ЦИТОХРОМА bd-I E. coli

+1 °C, то есть в нефизиологических условиях.

Возможно, что спектральный интермедиат Р,

Использование оптического и электро-

появление которого в реальном времени за-

метрического методов в сочетании с методом

регистрировали Belevich et al. [82], является

«флоу-флэш» позволило наблюдать в реальном

смесью истинного перекисного комплекса

времени промежуточное образование и рас-

(b₅₅₈₂₊b₅₉₅₃₊d³⁺-O-O-(H)) и феррил π-катион-

пад отдельных интермедиатов каталитического

радикала (b₅₅₈₂₊b₅₉₅₃₊d*⁴⁺=O^2-) при условии

цикла цитохрома bd-I E. coli при температуре

того, что они имеют схожие спектры погло-

21 °C [26, 80-83]. Предполагаемая схема послед-

щения. На следующей стадии Р превращается

него показана на рис. 4. В спектроскопических

(с τ ~ 47 мкс) в нерадикальную форму фер-

исследованиях гемопротеин находился в ми-

рильного комплекса гема d (соединение F), что

целлах детергента, а в электрометрических был

сопровождается окислением гема b₅₅₈. Катали-

встроен в липосомы. Исходно в эксперименте

тический интермедиат F, скорее всего, имеет

фермент переводился в полностью восстанов-

структуру b₅₅₈₃₊b₅₉₅₃₊d⁴⁺=O^2-. Переход P → F со-

ленное состояние, в котором гем d был свя-

пряжён с генерацией Δψ [26, 82, 83].

зан с СО (R³-CO, b₅₅₈₂₊b₅₉₅₂₊d²⁺-CO). Фотолиз

bd-Оксидаза имеет в своём составе три

СО из этого состояния оксидазы приводит к

гема. Поэтому если выделенный фермент не

промежуточному появлению формы цитохро-

содержит связанного хинола, то можно ожи-

ма bd-I, не связанной с СО (R³, b₅₅₈₂₊b₅₉₅₂₊d²⁺).

дать, что в полностью восстановленном со-

Этот переход (R³-CO → R³) не разрешается во

стоянии он несёт на себе три электрона (R³).

времени как в спектрофотометрических, так

В этом случае реакция R³ с О₂ останавлива-

и в электрометрических измерениях. В при-

ется на образовании соединения F [80]. Если

сутствии O₂ происходит связывание молекулы

же цитохром bd-I включает в себя молекулу

этого двухатомного газа с гемом d. В результа-

связанного хинола, являющегося двухэлек-

те образуется оксигенированный комплекс -

тронным донором, то его окисление в при-

интермедиат A³ (b₅₅₈₂₊b₅₉₅₂₊d²⁺-O₂). Скорость об-

сутствии O₂ позволяет осуществить превраще-

разования A³ прямо пропорциональна концен-

ние F в интермедиат A¹ с τ ~ 0,6-1,1 мс [81, 82].

трации O₂, при этом константа скорости вто-

A¹, вероятно, представляет собой одноэлек-

рого порядка составляет около 2 × 10⁹ М^-1 с^-1

тронную форму оксидазы с оксикомплексом

[64, 82]. Переход R³ → A³ не сопровождается ге-

нерацией Δψ [26, 82, 83]. A³ быстро (τ ~ 4,5 мкс,

τ - характеристическое время, обратное кон-

станте скорости, t_1/e) превращается в интерме-

диат, который Belevich et al. впервые описали

и назвали соединением P [82]. Обнаружено, что

переход A³ → P также не сопряжён с генера-

цией Δψ [26, 82, 83]. В отличие от генерации

A³ из R³, скорость образования соединения Р

не зависит от концентрации О₂. В ходе пере-

хода A³ → P гем b₅₉₅ подвергается окислению,

гем b₅₅₈ остаётся в восстановленном состоя-

нии, а новая кислородная форма гема d демон-

стрирует необычный максимум поглощения

при 635 нм [82]. Единого мнения о химиче-

ской структуре соединения P до сих пор нет.

Belevich et al. в первоначальной работе [82]

предположили, что P - истинный перекис-

ный комплекс либо феррильный интермедиат

с аминокислотным радикалом или катион-

Рис. 4. Каталитический цикл цитохрома bd-I E. coli. Со-

радикалом порфиринового кольца. Согласно

единения A³, P, F, O¹, A¹ - каталитические интермедиаты

более поздним данным Paulus et al. [84], со-

фермента. Соединения R³ и R³-CO не являются частью

каталитического цикла оксидазы, но могут быть полу-

единение Р представляет собой феррильную

чены искусственным путём. Красные «стрелки сопря-

форму гема d с π-катион-радикалом на пор-

жения» обозначают генерацию Δψ при переходах P → F

фириновом кольце, которая находится в маг-

и F → A¹. Структура соединений обсуждается в тексте

нитном взаимодействии с гемом b₅₉₅. Важно

обзора

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

1822

БОРИСОВ

гема d (b₅₅₈₃₊b₅₉₅₃₊d²⁺-O₂). Переход F → A¹, как

и предыдущий, P → F, сопровождается генера-

цией Δψ [81, 82]. Образуется ли Δψ ещё на од-

ной частной стадии каталитического цикла - в

переходе A¹ → A³ (рис. 4), пока неизвестно.

Обнаружено, что в стационарных усло-

виях в присутствии O₂ и убихинола-1 основ-

ными каталитическими интермедиатами цито-

хрома bd-I являются F и A¹ (каждый составляет

примерно по 40% от общего количества) [60].

При этом около 20% оксидазы, вероятно, нахо-

дится в состоянии O¹ - одноэлектронной фор-

ме с окисленным гемом d (b₅₅₈₂₊b₅₉₅₃₊d³⁺-ОН).

Состояние O¹ в экспериментах в режиме од-

ного оборота с использованием метода «флоу-

флэш» зарегистрировано не было [80, 82, 83].

Тем не менее в настоящее время принято ду-

мать, что O¹, по-видимому, также является ка-

талитическим интермедиатом цитохрома bd-I

(рис. 4). Стоит также отметить, что форма R³

фермента, скорее всего, не входит в число его

каталитических интермедиатов [59, 60], однако

для нужд эксперимента может быть легко про-

Рис. 5. Предполагаемый протон-проводящий путь в ци-

изведена искусственным путём.

тохроме bd-I E. coli. Путь выстлан боковыми цепями

В 2005 г. Belevich et al. [81] на основании

нескольких гидрофильных аминокислот и позволяет пе-

реносить протоны с цитоплазматической стороны мем-

полученных результатов постулировали суще-

браны к пропионату гема d. В нём также обнаруживаются

ствование внутрибелкового протон-проводя-

многочисленные молекулы воды (обозначены символами

щего пути для переноса Н⁺ из цитоплазмы в

сферической формы синего цвета). Рисунок взят из рабо-

кислородоредуктазный центр цитохрома bd-I.

ты Friedrich et al. [22] в соответствии с лицензией Creative

Commons Attribution 4.0 International License

Авторы предположили, что такое перемеще-

ние Н⁺ поперёк мембраны, сопряжённое с пе-

реносом электрона с гема b₅₅₈ на гемы b₅₉₅ и d,

облегчая перенос Н⁺ с Asp58^CydB на пропионат

сопровождается генерацией Δψ, наблюдаемой

гема d [56].

в экспериментах [26, 80-83]. Выброс Н⁺ в пе-

Belevich et al. [81] также выдвинули гипо-

риплазматическое пространство при окисле-

тезу, согласно которой в молекуле bd-I два

нии хинола ферментом также вносит вклад в

аминокислотных остатка с протонируемыми

создание Δp. Опубликованные в 2019 г. трёх-

группами чувствительны к редокс-состоя-

мерные структуры bd-I-оксидазы с разреше-

нию высокоспиновых пентакоординирован-

нием 2,68 Å (PDB ID 6RKO) [56] и 3,3 Å (PDB

ных гемов b₅₉₅ и d. Исследования мутантных

ID 6RX4) [55] подтвердили гипотезу, выдвину-

форм Glu445Ala и Glu107Leu цитохрома bd-I

тую Belevich et al. [81]. В структурах видна це-

E. coli методами электрометрии и абсорбци-

почка молекул воды, тянущаяся вдоль гидро-

онной спектроскопии с микросекундным

фильного протон-проводящего пути, который

разрешением указывают на то, что такими

начинается в цитоплазматическом интерфейсе

функционально важными остатками служат

между субъединицами CydA и CydB и прохо-

высококонсервативные Glu445^CydA и Glu107^CydA

дит перпендикулярно плоскости мембраны к

соответственно [81, 83].

гему d. Этот протон-проводящий путь состав-

Как указано выше, Glu445^CydA - аксиаль-

ляют несколько гидрофильных аминокислот-

ный лиганд железа гема b₅₉₅ [55, 56]. Его замена

ных остатков (рис. 5). С цитоплазматической

на Ala в субъединице CydA приводит к инак-

стороны путь начинается с Asp119^CydA, затем,

тивации фермента. При этом гем b₅₉₅ удержи-

по-видимому, в его состав входят Lys57^CydA,

вается в белке, но теряет способность к вос-

Lys109^CydA, Asp105^CydA, Tyr379^CydB и, наконец,

становлению даже в присутствии сильного

Asp58^CydB, с которого протоны, вероятно, по-

донора электронов - дитионита, добавленного

ступают на пропионатную группу гема d [55].

в избытке [81]. Как и в случае цитохрома bd-I

Высказано предположение, что консерватив-

дикого типа, в реакции восстановленного му-

ные гидрофильные остатки Ser108^CydA, Glu107^CydA

тантного фермента Glu445Ala с кислородом на-

и Ser140^CydA также относятся к этому пути,

блюдается начальная неэлектрогенная стадия,

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

ЭЛЕКТРОГЕННЫЙ ЦИТОХРОМ bd

1823

состоящая из переходов R³ → A³ и A³ → P. Од-

равно 0, то есть он является несопряжённой

нако у мутанта, в отличие от дикого типа, при

хинолоксидазой. При этом известно, что цито-

генерации Δψ не выявляется микросекундная

хромы bd-I и bo₃ E. coli - сопряжённые хинол-

фаза. Вместо этого у мутантной формы наблю-

оксидазы, со значениями Н⁺/e^- 1 и 2 соответ-

дается более медленная, небольшая электро-

ственно [25, 26]. Bekker et al. сконструировали

генная фаза (τ ~ 1,3 мс; амплитуда - 0,36 мВ),

мутантный штамм E. coli MB37, в дыхательной

за которой следует электрогенный переход

цепи которого присутствовал цитохром bd-II,

гораздо большей амплитуды (τ ~ 12,5 мс; ам-

но отсутствовали все известные на тот момент

плитуда - 1,7 мВ). Обе электрогенные фазы,

первичные генераторы протонного потенциа-

скорее всего, отражают переход P → F в раз-

ла: NADH-дегидрогеназа 1 (NDH-1), цито-

ных субпопуляциях фермента Glu445Ala [81].

хром bo₃ и цитохром bd-I. Авторы вычисляли

Таким образом, замена Glu445 на Ala сильно

Н⁺/e^-, используя сравнительные значения спе-

ингибирует перенос заряда поперёк мем-

цифических скоростей потребления кислорода

браны, сопряжённый с окислением цитохро-

и синтеза ATP штамма MB37 с другими мутант-

ма bd-I кислородом.

ными штаммами E. coli, для которых уже были

Аналогично, замена Glu107 на Leu в субъ-

измерены величины Н⁺/e^- [85]. Бактериальные

единице CydA ведёт к потере цитохромом bd-I

клетки всех штаммов растили в одинаковых

хинолоксидазной активности. Полностью вос-

условиях, а скорость синтеза ATP рассчиты-

становленная мутантная форма Glu107Leu

вали из скоростей образования продуктов ме-

белка (R³) связывает O₂ примерно с той же

таболизма - СО₂, ацетата, этанола и лактата.

скоростью, что и фермент дикого типа. Однако

Неожиданным оказалось следующее наблюде-

образование феррильного интермедиата (F) в

ние: штамм MB37, который, по предположе-

мутантной оксидазе, как полагают, существен-

нию авторов работы, должен был обладать пол-

но замедляется в сравнении с ферментом ди-

ностью несопряжённой аэробной дыхательной

кого типа. Об этом свидетельствуют результа-

цепью, оказался способен к росту в аэроб-

ты спектрофотометрических экспериментов,

ных условиях на несбраживаемых субстратах.

согласно которым продукции соединения F в

Однако возникает вопрос: как же в таком слу-

100-микросекундной временной шкале у му-

чае обеспечивается синтез ATP? Bekker et al.

тантной оксидазы не наблюдается, в отличие

выдвинули гипотезу

[85], согласно которой

от белка дикого типа [83]. Этот вывод согласу-

ATP в штамме MB37 продуцируется исключи-

ется с тем фактом, что скорость генерации Δψ

тельно за счёт субстратного фосфорилирова-

(основной фазы) мутантной оксидазой при-

ния. В более поздней работе Shepherd et al. [86]

мерно в 350 раз ниже, чем таковая, измерен-

предположили, что в этом мутантном штам-

ная для фермента дикого типа [83].

ме протонный потенциал образуется за счёт

Glu445^CydA, по-видимому, протонируется

функционирования электрогенного антипор-

при переходе гема b₅₉₅ из окисленной в вос-

тера, который переносит внутрь клетки анион

становленную форму, т.е. служит для компен-

глутаминовой кислоты (глутамат) в обмен на

сации отрицательного заряда электрона, при-

выброс из клетки нейтральной γ-аминомасля-

шедшего на гем. В случае гема d такую же роль,

ной кислоты (ГАМК). При этом ГАМК в клет-

возможно, выполняет Glu107^CydA. Согласно

ке синтезируется из глутамата, в процессе чего

опубликованной трёхмерной структуре цито-

потребляется внутриклеточный протон.

хрома bd-I E. coli, гем b₅₉₅ расположен вбли-

Borisov et al. [26] нашли неубедительными

зи периплазматической поверхности [55, 56].

выводы авторов этих двух работ и экспери-

Поэтому если Н⁺ при восстановлении гема b₅₉₅

ментально проверили, генерирует ли цито-

поступает на Glu445^CydA с периплазматической

хром bd-II Δp. Обнаружили, что в стационар-

стороны мембраны, то он вряд ли использу-

ных условиях оба компонента Δp - Δψ и ΔpH -

ется в катализируемой ферментом кислородо-

образуются за счёт хинолоксидазной актив-

редуктазной реакции.

ности цитохрома bd-II [26]. Измерили соот-

ношение Н⁺/e^-. Как и в случае цитохрома bd-I,

оно оказалось равным 1 [26]. Также показали,

МОЖЕТ ЛИ ЦИТОХРОМ bd-II

что оксидаза bd-II способна генерировать Δψ

ИЗ E. coli ГЕНЕРИРОВАТЬ Δψ?

в ходе одного молекулярного оборота фермен-

та, предположительно, при переходах P → F и

Функциональные исследования цито-

F → A¹ [26]. Таким образом, можно заключить,

хрома bd-II E. coli пока находятся на самом

что цитохром bd-II E. coli является первичным

начальном этапе. Bekker et al. [85] сообщили,

генератором Δp. Следовательно, для объясне-

что для фермента bd-II соотношение Н⁺/e^-

ния роста клеток штамма E. coli MB37 в аэроб-

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

1824

БОРИСОВ

ных условиях альтернативные механизмы обра-

левичу, Н.П. Белевичу, Д.А. Блоху (безвре-

зования ATP, предложенные в работах Bekker

менно ушедшему) и А. Ясайтису за то чудесное

et al. и Shepherd et al. [85, 86], не требуются.

время, которое мы провели, измеряя электро-

генную активность загадочного цитохрома bd.

Финансирование. Исследование выполнено за

Конфликт интересов. Автор заявляет об от-

счёт гранта Российского научного фонда № 22-

сутствии конфликта интересов в финансовой

24-00045 (https://rscf.ru/project/22-24-00045/).

или любой другой сфере.

Благодарность. Автор хотел бы выразить

Соблюдение этических норм. Эта статья не

свою глубочайшую благодарность М.И. Вер-

содержит каких-либо исследований с участием

ховскому (безвременно ушедшему), И.Н. Бе-

людей или животных, выполненных автором.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Drachev, L. A., Jasaitis, A. A., Kaulen, A. D.,

Bogachev, A. V., Bertsova, Y. V., Verkhovskaya,

Kondrashin, A. A., Liberman, E. A., Nemecek, I. B.,

M. L., Mamedov, M. D., and Skulachev, V. P. (2016)

Ostroumov, S. A., Semenov, A. Y., and Skulachev, V. P.

Real-time kinetics of electrogenic Na⁺ transport

(1974) Direct measurement of electric current genera-

by rhodopsin from the marine flavobacterium

tion by cytochrome oxidase, H⁺-ATPase and bacterior-

Dokdonia sp. PRO95, Sci. Rep., 6, 21397, doi: 10.1038/

hodopsin, Nature, 249, 321-324, doi: 10.1038/249321a0.

srep21397.

Drachev, L. A., Kaulen, A. D., Khitrina, L. V.,

Siletsky, S. A., Lukashev, E. P., Mamedov, M. D.,

and Skulachev, V. P. (1981) Fast stages of photoelectric

Borisov, V. B., Balashov, S. P., Dolgikh, D. A., Rubin,

processes in biological membranes. I. Bacteriorho-

A. B., Kirpichnikov, M. P., and Petrovskaya, L. E.

dopsin, Eur. J. Biochem., 117, 461-470, doi: 10.1111/

(2021) His57 controls the efficiency of ESR, a light-

j.1432-1033.1981.tb06361.x.

driven proton pump from Exiguobacterium sibiricum

Dracheva, S. M., Drachev, L. A., Konstantinov, A. A.,

at low and high pH, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

Semenov, A. Y., Skulachev, V. P., Arutjunjan, A. M.,

1862, 148328, doi: 10.1016/j.bbabio.2020.148328.

Shulalov, V. A., and Zaberezhnaya, S. M.

(1988)

10.

Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., Verkhovskaya, M.,

Electrogenic steps in the redox reactions catalyzed by

and Wikstrom, M. (1997) Translocation of electrical

photosynthetic reaction-centre complex from Rho-

charge during a single turnover of cytochrome-c

dopseudomonas viridis, Eur. J. Biochem., 171, 253-264,

oxidase, Biochim. Biophys. Acta,

1318,

6-10,

doi: 10.1111/j.1432-1033.1988.tb13784.x.

doi: 10.1016/S0005-2728(96)00147-8.

Mulkidjanian, A. Y., Mamedov, M. D., Semenov, A. Y.,

11.

Gibson, Q., and Greenwood, C. (1963) Reactions of

Shinkarev, V. P., Verkhovsky, M. I., and Drachev, L. A.

cytochrome oxidase with oxygen and carbon monox-

(1990) Partial reversion of the electrogenic reaction

ide, Biochem. J., 86, 541-554, doi: 10.1042/bj0860541.

in the ubiquinol: cytochrome c2-oxidoreductase

12.

Siletsky, S. A., Borisov, V. B., and Mamedov, M. D.

of Rhodobacter sphaeroides chromatophores under

(2017) Photosystem II and terminal respiratory

neutral and alkaline conditions, FEBS Lett., 277,

oxidases: molecular machines operating in opposite

127-130, doi: 10.1016/0014-5793(90)80825-4.

directions, Front. Biosci. (Landmark Ed.), 22, 1379-

Zaslavsky, D., Kaulen, A. D., Smirnova, I. A.,

1426, doi: 10.2741/4550.

Vygodina, T., and Konstantinov, A. A.

(1993)

13.

Azarkina, N. V., Borisov, V. B., Oleynikov, I. P.,

Flash-induced membrane potential generation by

Sudakov, R. V., and Vygodina, T. V. (2023) Interaction

cytochrome c oxidase, FEBS Lett., 336, 389-393,

of terminal oxidases with amphipathic molecules,

doi: 10.1016/0014-5793(93)80843-j.

Int. J. Mol. Sci., 24, 6428, doi: 10.3390/ijms24076428.

Konstantinov, A. A., Siletsky, S., Mitchell, D.,

14.

Zharova, T. V., Grivennikova, V. G., and Borisov, V. B.

Kaulen, A., and Gennis, R. B. (1997) The roles of the

(2023) F1·Fo ATP Synthase/ATPase: contemporary

two proton input channels in cytochrome c oxidase

view on unidirectional catalysis, Int. J. Mol. Sci., 24,

from Rhodobacter sphaeroides probed by the effects of

5417, doi: 10.3390/ijms24065417.

site-directed mutations on time-resolved electrogenic

15.

Arutyunyan, A. M., Sakamoto, J., Inadome, M.,

intraprotein proton transfer, Proc. Natl. Acad. Sci.

Kabashima, Y., and Borisov, V. B. (2012) Optical

USA, 94, 9085-9090, doi: 10.1073/pnas.94.17.9085.

and magneto-optical activity of cytochrome bd from

Siletsky, S., Kaulen, A. D., and Konstantinov, A. A.

Geobacillus thermodenitrificans, Biochim. Biophys. Acta,

(1999) Resolution of electrogenic steps couples to

1817, 2087-2094, doi: 10.1016/j.bbabio.2012.06.009.

conversion of cytochrome c oxidase from the peroxy

16.

Borisov, V. B., and Siletsky, S. A. (2019) Features of

to the ferryl-oxo state, Biochemistry, 38, 4853-4861,

organization and mechanism of catalysis of two fam-

doi: 10.1021/bi982614a.

ilies of terminal oxidases: heme-copper and bd-type,

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

ЭЛЕКТРОГЕННЫЙ ЦИТОХРОМ bd

1825

Biochemistry (Moscow), 84, 1390-1402, doi: 10.1134/

rial tolerance to oxidative and nitrosative stress, Bio-

S0006297919110130.

chim. Biophys. Acta, 1837, 1178-1187, doi: 10.1016/

17.

Murali, R., Gennis, R. B., and Hemp, J.

(2021)

j.bbabio.2014.01.016.

Evolution of the cytochrome bd oxygen reductase

30.

Borisov, V. B., Forte, E., Siletsky, S. A., Arese, M.,

superfamily and the function of CydAA′ in Archaea,

Davletshin, A. I., Sarti, P., and Giuffre, A. (2015) Cy-

ISME J.,

15,

3534-3548, doi:

10.1038/s41396-

tochrome bd protects bacteria against oxidative and

021-01019-4.

nitrosative stress: a potential target for next-genera-

18.

Siletsky, S. A., and Borisov, V. B. (2021) Proton

tion antimicrobial agents, Biochemistry (Moscow), 80,

pumping and non-pumping terminal respiratory

565-575, doi: 10.1134/S0006297915050077.

oxidases: Active sites intermediates of these molecular

31.

Bader, M., Muse, W., Ballou, D. P., Gassner, C., and

machines and their derivatives, Int. J. Mol. Sci., 22,

Bardwell, J. C. A. (1999) Oxidative protein folding

10852, doi: 10.3390/ijms221910852.

is driven by the electron transport system, Cell, 98,

19.

Forte, E., Borisov, V. B., Vicente, J. B., and Giuffre, A.

217-227, doi: 10.1016/S0092-8674(00)81016-8.

(2017) Cytochrome bd and gaseous ligands in bac-

32.

Mobius, K., Arias-Cartin, R., Breckau, D., Hannig,

terial physiology, Adv. Microb. Physiol., 71, 171-234,

A. L., Riedmann, K., Biedendieck, R., Schroder, S.,

doi: 10.1016/bs.ampbs.2017.05.002.

Becher, D., Magalon, A., Moser, J., Jahn, M., and

20.

Borisov, V. B., Gennis, R. B., Hemp, J., and Verkhov-

Jahn, D. (2010) Heme biosynthesis is coupled to

sky, M. I. (2011) The cytochrome bd respiratory oxy-

electron transport chains for energy generation, Proc.

gen reductases, Biochim. Biophys. Acta, 1807, 1398-

Natl. Acad. Sci. USA, 107, 10436-10441, doi: 10.1073/

1413, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.06.016.

pnas.1000956107.

21.

Borisov, V. B., Siletsky, S. A., Paiardini, A.,

33.

Seregina, T. A., Lobanov, K. V., Shakulov, R. S., and

Hoogewijs, D., Forte, E., Giuffre, A., and Poole,

Mironov, A. S. (2022) Inactivation of terminal oxidase

R. K. (2021) Bacterial oxidases of the cytochrome bd

bd-I leads to supersensitivity of E. coli to quinolone

family: Redox enzymes of unique structure, function

and beta-lactam antibiotics, Mol. Biol. (Mosk), 56,

and utility as drug targets, Antioxid. Redox Signal., 34,

619-627, doi: 10.1134/S0026893322040100.

1280-1318, doi: 10.1089/ars.2020.8039.

34.

Borisov, V. B., Forte, E., Siletsky, S. A., Sarti, P., and

22.

Friedrich, T., Wohlwend, D., and Borisov, V. B. (2022)

Giuffre, A. (2015) Cytochrome bd from Escherichia

Recent advances in structural studies of cytochrome

coli catalyzes peroxynitrite decomposition, Biochim.

bd and its potential application as a drug target, Int. J.

Biophys. Acta, 1847, 182-188, doi: 10.1016/j.bbabio.

Mol. Sci., 23, 3166, doi: 10.3390/ijms23063166.

2014.10.006.

23.

Borisov, V. B. (1996) Cytochrome bd: structure and

35.

Borisov, V. B., Forte, E., Konstantinov, A. A., Poole,

properties, Biochemistry (Moscow), 61, 565-574.

R. K., Sarti, P., and Giuffre, A. (2004) Interaction

24.

Borisov, V. B., and Verkhovsky, M. I. (2015) Oxygen

of the bacterial terminal oxidase cytochrome bd with

as acceptor, EcoSal Plus, 6, doi: 10.1128/ecosalplus.

nitric oxide, FEBS Lett., 576, 201-204, doi: 10.1016/

ESP-0012-2015.

j.febslet.2004.09.013.

25.

Puustinen, A., Finel, M., Haltia, T., Gennis, R. B.,

36.

Borisov, V. B., Forte, E., Sarti, P., Brunori, M.,

and Wikstrom, M.

(1991) Properties of the two

Konstantinov, A. A., and Giuffre, A. (2006) Nitric

terminal oxidases of Escherichia coli, Biochemistry, 30,

oxide reacts with the ferryl-oxo catalytic intermediate

3936-3942, doi: 10.1021/bi00230a019.

of the CuB-lacking cytochrome bd terminal oxidase,

26.

Borisov, V. B., Murali, R., Verkhovskaya, M. L., Bloch,

FEBS Lett., 580, 4823-4826, doi: 10.1016/j.febslet.

D. A., Han, H., Gennis, R. B., and Verkhovsky, M. I.

2006.07.072.

(2011) Aerobic respiratory chain of Escherichia coli is

37.

Borisov, V. B., Forte, E., Sarti, P., Brunori, M.,

not allowed to work in fully uncoupled mode, Proc.

Konstantinov, A. A., and Giuffre, A. (2007) Redox

Natl. Acad. Sci. USA, 108, 17320-17324, doi: 10.1073/

control of fast ligand dissociation from Escherichia coli

pnas.1108217108.

cytochrome bd, Biochem. Biophys. Res. Commun., 355,

27.

Forte, E., Borisov, V. B., Konstantinov, A. A.,

97-102, doi: 10.1016/j.bbrc.2007.01.118.

Brunori, M., Giuffre, A., and Sarti, P. (2007) Cyto-

38.

Mason, M. G., Shepherd, M., Nicholls, P., Dobbin,

chrome bd, a key oxidase in bacterial survival and

P. S., Dodsworth, K. S., Poole, R. K., and Cooper,

tolerance to nitrosative stress, Ital. J. Biochem.,

C. E. (2009) Cytochrome bd confers nitric oxide

56, 265-269.

resistance to Escherichia coli, Nat. Chem. Biol., 5,

28.

Giuffre, A., Borisov, V. B., Mastronicola, D., Sarti, P.,

94-96, doi: 10.1038/nchembio.135.

and Forte, E. (2012) Cytochrome bd oxidase and

39.

Borisov, V. B., Forte, E., Giuffre, A., Konstantinov, A.,

nitric oxide: From reaction mechanisms to bacterial

and Sarti, P. (2009) Reaction of nitric oxide with the

physiology, FEBS Lett., 586, 622-629, doi: 10.1016/

oxidized di-heme and heme-copper oxygen-reducing

j.febslet.2011.07.035.

centers of terminal oxidases: different reaction

29.

Giuffre, A., Borisov, V. B., Arese, M., Sarti, P., and

pathways and end-products, J. Inorg. Biochem., 103,

Forte, E. (2014) Cytochrome bd oxidase and bacte-

1185-1187, doi: 10.1016/j.jinorgbio.2009.06.002.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

1826

БОРИСОВ

40.

Shepherd, M., Achard, M. E., Idris, A., Totsika, M.,

52.

Al-Attar, S., Yu, Y., Pinkse, M., Hoeser, J.,

Phan, M. D., Peters, K. M., Sarkar, S., Ribeiro, C. A.,

Friedrich, T., Bald, D., and de Vries, S.

(2016)

Holyoake, L. V., Ladakis, D., Ulett, G. C., Sweet,

Cytochrome bd displays significant quinol peroxidase

M. J., Poole, R. K., McEwan, A. G., and Schembri,

activity, Sci. Rep., 6, 27631, doi: 10.1038/srep27631.

M. A. (2016) The cytochrome bd-I respiratory oxidase

53.

Borisov, V. B., Siletsky, S. A., Nastasi, M. R., and

augments survival of multidrug-resistant Escherichia

Forte, E. (2021) ROS defense systems and terminal

coli during infection, Sci. Rep., 6, 35285, doi: 10.1038/

oxidases in bacteria, Antioxidants (Basel), 10, 839,

srep35285.

doi: 10.3390/antiox10060839.

41.

Borisov, V. B., and Forte, E. (2022) Bioenergetics and

54.

Forte, E., Nastasi, M. R., and Borisov, V. B. (2022)

reactive nitrogen species in bacteria, Int. J. Mol. Sci.,

Preparations of terminal oxidase cytochrome bd-II iso-

23, 7321, doi: 10.3390/ijms23137321.

lated from Escherichia coli reveal significant hydrogen

42.

Forte, E., Siletsky, S. A., and Borisov, V. B. (2021) In

peroxide scavenging activity, Biochemistry (Moscow),

Escherichia coli ammonia inhibits cytochrome bo3 but

87, 720-730, doi: 10.1134/S0006297922080041.

activates cytochrome bd-I, Antioxidants (Basel), 10,

55.

Theßeling, A., Rasmussen, T., Burschel, S.,

13, doi: 10.3390/antiox10010013.

Wohlwend, D., Kagi, J., Muller, R., Bottcher, B., and

43.

Forte, E., Borisov, V. B., Falabella, M., Colaco,

Friedrich, T. (2019) Homologous bd oxidases share

H. G., Tinajero-Trejo, M., Poole, R. K., Vicente,

the same architecture but differ in mechanism, Nat.

J. B., Sarti, P., and Giuffre, A. (2016) The terminal

Commun., 10, 5138, doi: 10.1038/s41467-019-13122-4.

oxidase cytochrome bd promotes sulfide-resistant

56.

Safarian, S., Hahn, A., Mills, D. J., Radloff, M.,

bacterial respiration and growth, Sci. Rep., 6, 23788,

Eisinger, M. L., Nikolaev, A., Meier-Credo, J.,

doi: 10.1038/srep23788.

Melin, F., Miyoshi, H., Gennis, R. B., Sakamoto, J.,

44.

Borisov, V. B., and Forte, E. (2021) Terminal oxidase

Langer, J. D., Hellwig, P., Kuhlbrandt, W., and

cytochrome bd protects bacteria against hydrogen

Michel, H. (2019) Active site rearrangement and struc-

sulfide toxicity, Biochemistry (Moscow), 86, 22-32,

tural divergence in prokaryotic respiratory oxidases,

doi: 10.1134/S000629792101003X.

Science, 366, 100-104, doi: 10.1126/science.aay0967.

45.

Borisov, V. B., and Forte, E. (2021) Impact of

57.

Grauel, A., Kagi, J., Rasmussen, T., Makarchuk, I.,

hydrogen sulfide on mitochondrial and bacterial

Oppermann, S., Moumbock, A. F. A., Wohlwend, D.,

bioenergetics, Int. J. Mol. Sci., 22, 12688, doi: 10.3390/

Muller, R., Melin, F., Gunther, S., Hellwig, P.,

ijms222312688.

Bottcher, B., and Friedrich, T.

(2021) Structure

46.

Borisov, V., Gennis, R., and Konstantinov, A. A.

of Escherichia coli cytochrome bd-II type oxidase

(1995) Peroxide complex of cytochrome bd: kinetics

with bound aurachin D, Nat. Commun., 12, 6498,

of generation and stability, Biochem. Mol. Biol. Int.,

doi: 10.1038/s41467-021-26835-2.

37, 975-982.

58.

Grund, T. N., Radloff, M., Wu, D., Goojani, H. G.,

47.

Borisov, V. B., Gennis, R. B., and Konstantinov, A. A.

Witte, L. F., Josting, W., Buschmann, S., Muller, H.,

(1995) Interaction of cytochrome bd from Escherichia

Elamri, I., Welsch, S., Schwalbe, H., Michel, H.,

coli with hydrogen peroxide, Biochemistry (Moscow),

Bald, D., and Safarian, S. (2021) Mechanistic and

60, 231-239.

structural diversity between cytochrome bd isoforms

48.

Lindqvist, A., Membrillo-Hernandez, J., Poole, R. K.,

of Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

and Cook, G. M. (2000) Roles of respiratory oxi-

118, e2114013118, doi: 10.1073/pnas.2114013118.

dases in protecting Escherichia coli K12 from oxi-

59.

Yang, K., Borisov, V. B., Konstantinov, A. A., and

dative stress, Antonie Van Leeuwenhoek, 78, 23-31,

Gennis, R. B. (2008) The fully oxidized form of the

doi: 10.1023/a:1002779201379.

cytochrome bd quinol oxidase from E. coli does not

49.

Borisov, V. B., Davletshin, A. I., and Konstantinov,

participate in the catalytic cycle: direct evidence from

A. A. (2010) Peroxidase activity of cytochrome bd from

rapid kinetics studies, FEBS Lett., 582, 3705-3709,

Escherichia coli, Biochemistry (Moscow), 75, 428-436,

doi: 10.1016/j.febslet.2008.09.038.

doi: 10.1134/S000629791004005X.

60.

Borisov, V. B., Forte, E., Sarti, P., and Giuffre, A.

50.

Borisov, V. B., Forte, E., Davletshin, A., Mas-

(2011) Catalytic intermediates of cytochrome bd

tronicola, D., Sarti, P., and Giuffre, A. (2013) Cyto-

terminal oxidase at steady-state: Ferryl and oxy-ferrous

chrome bd oxidase from Escherichia coli displays high

species dominate, Biochim. Biophys. Acta,

1807,

catalase activity: an additional defense against oxida-

503-509, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.02.007.

tive stress, FEBS Lett., 587, 2214-2218, doi: 10.1016/

61.

Borisov, V. B., Smirnova, I. A., Krasnosel’skaya, I. A.,

j.febslet.2013.05.047.

and Konstantinov, A. A. (1994) Oxygenated cyto-

51.

Forte, E., Borisov, V. B., Davletshin, A., Mas-

chrome bd from Escherichia coli can be converted into

tronicola, D., Sarti, P., and Giuffre, A.

(2013)

the oxidized form by lipophilic electron acceptors,

Cytochrome bd oxidase and hydrogen peroxide

Biochemistry (Moscow), 59, 437-443.

resistance in Mycobacterium tuberculosis, MBio, 4,

62.

D’mello, R., Hill, S., and Poole, R. K. (1996) The

e01006-01013, doi: 10.1128/mBio.01006-13.

cytochrome bd quinol oxidase in Escherichia coli has

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

ЭЛЕКТРОГЕННЫЙ ЦИТОХРОМ bd

1827

an extremely high oxygen affinity and two-oxygen-

Vos, M. H. (2002) Interactions between heme d and

binding haems: implications for regulation of activity

heme b595 in quinol oxidase bd from Escherichia coli: a

in vivo by oxygen inihibition, Microbiology,

142,

photoselection study using femtosecond spectroscopy,

755-763, doi: 10.1099/00221287-142-4-755.

Biochemistry, 41, 1654-1662, doi: 10.1021/bi0158019.

63.

Belevich, I., Borisov, V. B., Konstantinov, A. A.,

74.

Arutyunyan, A. M., Borisov, V. B., Novoderezhkin,

and Verkhovsky, M. I. (2005) Oxygenated complex

V. I., Ghaim, J., Zhang, J., Gennis, R. B., and

of cytochrome bd from Escherichia coli: stability

Konstantinov, A. A. (2008) Strong excitonic inter-

and photolability, FEBS Lett.,

579,

4567-4570,

actions in the oxygen-reducing site of bd-type oxi-

doi: 10.1016/j.febslet.2005.07.011.

dase: the Fe-to-Fe distance between hemes d and b595

64.

Belevich, I., Borisov, V. B., Bloch, D. A.,

is 10 Å, Biochemistry, 47, 1752-1759, doi: 10.1021/

Konstantinov, A. A., and Verkhovsky, M. I. (2007)

bi701884g.

Cytochrome bd from Azotobacter vinelandii: evidence

75.

Borisov, V. B. (2008) Interaction of bd-type quinol

for high-affinity oxygen binding, Biochemistry, 46,

oxidase from Escherichia coli and carbon monoxide:

11177-11184, doi: 10.1021/bi700862u.

heme d binds CO with high affinity, Biochemistry

65.

Siletsky, S. A., Zaspa, A. A., Poole, R. K., and

(Moscow), 73, 14-22, doi: 10.1134/S0006297908010021.

Borisov, V. B.

(2014) Microsecond time-resolved

76.

Bloch, D. A., Borisov, V. B., Mogi, T., and Verkhovsky,

absorption spectroscopy used to study CO compounds

M. I.

(2009) Heme/heme redox interaction and

of cytochrome bd from Escherichia coli, PLoS One,

resolution of individual optical absorption spectra

9, e95617, doi: 10.1371/journal.pone.0095617.

of the hemes in cytochrome bd from Escherichia

66.

Siletsky, S. A., Rappaport, F., Poole, R. K., and

coli, Biochim. Biophys. Acta,

1787,

1246-1253,

Borisov, V. B. (2016) Evidence for fast electron transfer

doi: 10.1016/j.bbabio.2009.05.003.

between the high-spin haems in cytochrome bd-I from

77.

Rappaport, F., Zhang, J., Vos, M. H., Gennis, R. B.,

Escherichia coli, PLoS One, 11, e0155186, doi: 10.1371/

and Borisov, V. B. (2010) Heme-heme and heme-

journal.pone.0155186.

ligand interactions in the di-heme oxygen-reducing

67.

Hill, J. J., Alben, J. O., and Gennis, R. B. (1993)

site of cytochrome bd from Escherichia coli revealed

Spectroscopic evidence for a heme-heme binuclear

by nanosecond absorption spectroscopy, Biochim.

center in the cytochrome bd ubiquinol oxidase from

Biophys. Acta,

1797,

1657-1664, doi:

10.1016/

Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90,

j.bbabio.2010.05.010.

5863-5867, doi: 10.1073/pnas.90.12.5863.

78.

Borisov, V. B., and Verkhovsky, M. I. (2013) Ac-

68.

Muntyan, M. S., Bloch, D. A., Drachev, L. A.,

commodation of CO in the di-heme active site of

and Skulachev, V. P. (1993) Kinetics of CO bind-

cytochrome bd terminal oxidase from Escherich-

ing to putative Na⁺-motive oxidases of the o-type

ia coli, J. Inorg. Biochem., 118, 65-67, doi: 10.1016/

from Bacillus FTU and of the d-type from Esche-

j.jinorgbio.2012.09.016.

richia coli, FEBS Lett., 327, 347-350, doi: 10.1016/

79.

Siletsky, S. A., Dyuba, A. V., Elkina, D. A.,

0014-5793(93)81018-u.

Monakhova, M. V., and Borisov, V. B. (2017) Spectral-

69.

Tsubaki, M., Hori, H., Mogi, T., and Anraku, Y.

kinetic analysis of recombination reaction of heme

(1995) Cyanide-binding site of bd-type ubiquinol

centers of bd-type quinol oxidase from Escherichia

oxidase from Escherichia coli, J. Biol. Chem., 270,

coli with carbon monoxide, Biochemistry (Moscow),

28565-28569, doi: 10.1074/jbc.270.48.28565.

82, 1354-1366, doi: 10.1134/S000629791711013X.

70.

Borisov, V., Arutyunyan, A. M., Osborne, J. P., Gen-

80.

Jasaitis, A., Borisov, V. B., Belevich, N. P., Morgan,

nis, R. B., and Konstantinov, A. A. (1999) Magnetic

J. E., Konstantinov, A. A., and Verkhovsky, M. I.

circular dichroism used to examine the interaction of

(2000) Electrogenic reactions of cytochrome bd, Bio-

Escherichia coli cytochrome bd with ligands, Biochem-

chemistry, 39, 13800-13809, doi: 10.1021/bi001165n.

istry, 38, 740-750, doi: 10.1021/bi981908t.

81.

Belevich, I., Borisov, V. B., Zhang, J., Yang, K.,

71.

Vos, M. H., Borisov, V. B., Liebl, U., Martin, J. L., and

Konstantinov, A. A., Gennis, R. B., and Verkhovsky,

Konstantinov, A. A. (2000) Femtosecond resolution of

M. I. (2005) Time-resolved electrometric and optical

ligand-heme interactions in the high-affinity quinol

studies on cytochrome bd suggest a mechanism

oxidase bd: A di-heme active site? Proc. Natl. Acad.

of electron-proton coupling in the di-heme active

Sci. USA, 97, 1554-1559, doi: 10.1073/pnas.030528197.

site, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 3657-3662,

72.

Borisov, V. B., Sedelnikova, S. E., Poole, R. K., and

doi: 10.1073/pnas.0405683102.

Konstantinov, A. A. (2001) Interaction of cytochrome

82.

Belevich, I., Borisov, V. B., and Verkhovsky, M. I.

bd with carbon monoxide at low and room tempera-

(2007) Discovery of the true peroxy intermediate in

tures: evidence that only a small fraction of heme b595

the catalytic cycle of terminal oxidases by real-time

reacts with CO, J. Biol. Chem., 276, 22095-22099,

measurement, J. Biol. Chem.,

282,

28514-28519,

doi: 10.1074/jbc.M011542200.

doi: 10.1074/jbc.M705562200.

73.

Borisov, V. B., Liebl, U., Rappaport, F., Martin, J. L.,

83.

Borisov, V. B., Belevich, I., Bloch, D. A., Mogi, T.,

Zhang, J., Gennis, R. B., Konstantinov, A. A., and

and Verkhovsky, M. I. (2008) Glutamate 107 in

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023

1828

БОРИСОВ

subunit I of cytochrome bd from Escherichia coli is part

85. Bekker, M., de Vries, S., Ter Beek, A., Hellingwerf,

of a transmembrane intraprotein pathway conducting

K. J., and de Mattos, M. J. (2009) Respiration of Esch-

protons from the cytoplasm to the heme b595/heme d

erichia coli can be fully uncoupled via the nonelectro-

active site, Biochemistry, 47, 7907-7914, doi: 10.1021/

genic terminal cytochrome bd-II oxidase, J. Bacteriol.,

bi800435a.

191, 5510-5517, doi: 10.1128/JB.00562-09.

84. Paulus, A., Rossius, S. G., Dijk, M., and de

86. Shepherd, M., Sanguinetti, G., Cook, G. M., and

Vries, S. (2012) Oxoferryl-porphyrin radical catalytic

Poole, R. K. (2010) Compensations for diminished

intermediate in cytochrome bd oxidases protects

terminal oxidase activity in Escherichia coli:

cells from formation of reactive oxygen species,

cytochrome bd-II-mediated respiration and glutamate

J. Biol. Chem., 287, 8830-8838, doi: 10.1074/jbc.

metabolism, J. Biol. Chem.,

285,

18464-18472,

M111.333542.

doi: 10.1074/jbc.M110.118448.

MEMBRANE POTENTIAL GENERATION BY CYTOCHROME bd

Review

V. B. Borisov

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University,

119991 Moscow, Russia; e-mail: bor@belozersky.msu.ru

This treatise gives an overview of current thinking on the mechanism of generation of a transmembrane

electric potential difference (Δψ) during the catalytic cycle of a bd-type triheme terminal quinol oxidase.

It is assumed that the main contribution to the Δψ formation is made by the movement of H⁺ across the

membrane along the intraprotein hydrophilic proton-conducting pathway from the cytoplasm to the active

site for oxygen reduction of this bacterial enzyme.

Keywords: respiratory chain, terminal oxidase, cytochrome bd, heme, protonmotive force, membrane potential

БИОХИМИЯ том 88 вып. 10 2023