氢气的特异功能:电子分岔 一种隐藏已久的细胞能量耦合方式

电子分岔(Electron Bifurcation),这是一个相当新的概念,这一能量耦合途径直到08年才被科学家发现,新到中文互联网上几乎搜不到多少有效信息。

我们都知道,ATP是细胞的能量通货,ADP+Pi生成ATP这一过程的标准吉布斯自由能变大约是+32kJ/mol,考虑胞内底物和产物的浓度修正,在细胞内要生成ATP需要大约+60 kJ/mol的能量投入。这笔能量投入要么通过高能磷酸化合物的水解,要么通过离子(质子或钠离子,为简化叙述,后文统一用质子)的顺浓度梯度内流实现,前者我们称之为底物水平磷酸化(Substrate Level Phosphorylation, SLP),后者我们称之为离子耦合磷酸化(Ion-coupled Phosphorylation)。微生物生理课堂上经常会讲到的氧化磷酸化或者光合磷酸化,其本质都是通过不同的方式建立离子的跨膜电化学势梯度,所以都属于后者的范畴。

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离子耦合磷酸化中,通过离子的顺跨膜电化学势梯度内流驱动ATP合成

在目前已知的各种储能方式中,无论是底物水平磷酸化亦或是离子耦合磷酸化,其都有一个能利用的能量的最小值。底物水平磷酸化自然不必说,代谢放能至少要足够合成高能磷酸键,对于离子耦合磷酸化而言,反应放能要至少足够驱动质子逆电化学势梯度跨膜离开细胞质。比这个最低能量要求更小的代谢将无法支持细胞的存活。而在2008年,科学家发现了长久以来都没有被发现的一种能量耦合方式,使得细胞可以利用极其“微小”的反应放能,这就是今天要讨论的电子分岔

铁氧还蛋白(Ferredoxin)

在正式介绍电子分岔前,我们有必要简单了解一下铁氧还蛋白。和NADH还有NADH类似,铁氧还蛋白也是胞内的一种电子载体,但其电对的氧还电势非常负(约-500mV),意味着还原态的铁氧还蛋白(图片)有很大的能量潜力(参考能斯特公式)。事实上,基于铁氧还蛋白的电子传递链在电子受体氧还电势低于-220mV的厌氧微生物代谢中有重要意义。目前已经发现的基于铁氧还蛋白的电子传递链有Ech和Rnf俩复合体,在这俩电子传递链中,图片都是整个电子传递链的入口,在电子传递过程中建立跨膜的质子电化学势梯度。

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这张图里δμ表示化学势梯度,但其实应该是电化学势梯度更为严谨,甚至某种意义上电势梯度的作用要大于化学势梯度

电子分岔

OK,终于到了正题。电子分岔其本质就是在一个酶复合体内,耦合了一个放能的反应,来驱动原本热力学上无法发生的耗能反应。之所以称之为电子分岔,是因为它确实将一对电子岔开了,一个电子走向了能量更低的状态来驱动了另一个电子走向能量更高的状态(还原态的铁氧还蛋白)。举个例子:H+/H2这一电对在胞内的氧化还原电势大约是在-414mV,注意我们前面提到过铁氧还蛋白氧化态/还原态这一电对的氧化还原电势是在-500mV,这也就意味着用氢气去还原氧化态的铁氧还蛋白这一反应本身是不会自发进行的。但电子分岔就可以通过耦合一个放能的反应(氢气的一个电子走向电势更高的状态,比如还原NAD+生成NADH,这一电对的氧还电势在-320mV)来驱动另一个电子流向铁氧还蛋白这一原本不自发的过程。在厌氧微生物中,目前已经发现了不少这样的组合:

左边是“被”分岔的电子供体,右边则是电势分别更低和更高的电子受体

我们知道,酶的一大特性就是可逆性,当这一反应从右往左进行时,就称之为电子汇集(electron confurcation)

其实一开始学到电子分岔的时候,我第一反应是这不就是歧化反应嘛有啥神奇的¯\_(ツ)_/¯,但其实细想和歧化反应本质差别很大。歧化反应是自己氧化自己或者说自己还原自己,但电子分岔反应物当中的氢气(以氢气为例)只是还原剂,只是它的电子被分岔到了高能态和低能态而已。

既然电子分岔产生了还原态的铁氧还蛋白(图片),那么它可以继续进入我们上文所述的基于铁氧还蛋白的电子传递链,产生跨膜质子电化学势梯度,进而耦合ATP合成酶产能。另一方面,由于其极低的氧化还原电势,它本身也参与细胞内许多重要的还原反应。一个典型例子就是在产甲烷菌中,二氧化碳与一碳载体(C1 carrier)甲烷呋喃形成甲酰甲烷呋喃这一步骤,就需要图片的参与。在没有细胞色素的产甲烷菌中,图片的供给正是依赖于氢气的电子分岔。

电子分岔使得生命可以在极端的热力学条件下生长

正是由于电子分岔能够利用极微小的能量,使得拥有这种机制的细胞可以在极端的热力学条件下生长。比如利用H2和CO2产乙酸的产乙酸菌,这一反应的标准吉布斯自由能变为正的+95kJ/mol,即使考虑到其实际生长环境的H2分压修正,修正后的吉布斯自由能变也仅为-20kJ/mol。这是一个非常极端的热力学条件,而正是由于电子分岔机制的存在,诸如Acetobacterium woodii等细菌才得以在这种“恶劣”的营养条件下存活。

关于“第三种储能方式”的争议

在电子分岔被发现以后,有不少学者将其称之为细胞的第三种储能方式,同时也有一些学者提出了反对意见。个人认为,如果仅以ATP的合成作为准则,那么电子分岔本身确实没有产生任何的ATP,即使之后可以进入电子传递链产生质子电化学势梯度,最终以电化学势梯度驱动产生ATP,那电子分岔最多可以看作离子耦合磷酸化的前步骤,而非另立门户。但如果并不严格地以是否产生ATP为标准,电子分岔的确是以独特的形式将从前我们以为无法利用的能量“储存”在了还原态的铁氧还蛋白中,但个人认为以此为凭据硬要说它是第三种储能方式略有些牵强。按照这种理解的话,其实所有的胞内电子载体如NADH、NADPH都可以以类似的方式驱动代谢反应,但显然我们不会将产生NADH和NADPH的反应单独地称作一类储能方式。这一点上我也曾经请教过Alfred,他也认为不应该将电子分岔称作第三种储能方式(energy conservation),而应当称作一种“energy interconversion”的形式更为合适。

当然了,另一个比较大胆的猜测就是可能在很久很久以前,细胞是完全以还原态铁氧还蛋白而非ATP作为能量通货的,如果有确凿的实验室证据能够证实这一点,单独把电子分岔列为最古老的储能方式也无可厚非。

最后日常致谢Alfred,在他给我们介绍电子分岔这一概念时,就对我们说:“Now you are already at the front line of modern study of metabolism” Alfred是一个对微生物生理很有想法的人,以后找机会可以讲讲他对我们过去的细胞生理教学思路的一些看法

Reference

Müller, V., Chowdhury, N. P., & Basen, M. (2018). Electron bifurcation: a long-hidden energy-coupling mechanism.Annual review of microbiology,72, 331-353.

Lubner, C. E., Jennings, D. P., Mulder, D. W., Schut, G. J., Zadvornyy, O. A., Hoben, J. P., ... & Bothner, B. (2017). Mechanistic insights into energy conservation by flavin-based electron bifurcation.Nature chemical biology,13(6), 655.

Yuly, J. L., Lubner, C. E., Zhang, P., Beratan, D. N., & Peters, J. W. (2019). Electron bifurcation: progress and grand challenges.Chemical Communications,55(79), 11823-11832.

 

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