Sistema de arcos

El sistema Arc es un sistema de dos componentes que se encuentra en algunas bacterias y que regula la expresión génica en anaerobios facultativos como Escheria coli . ^{[ 1 ]} Un sistema de dos componentes significa que tiene una molécula sensora y un regulador de respuesta . Arc es la abreviatura de Sistema de Control Redox Anóxico. Los sistemas Arc son fundamentales para mantener el metabolismo energético durante la transcripción bacteriana. ^{[ 2 ]} El regulador de respuesta ArcA analiza las condiciones de crecimiento y expresa genes para que se adapten mejor a las bacterias. La quinasa sensora Arc B, que es una proteína tripartita, está unida a la membrana y puede autofosforilarse . ^{[ 3 ]}

El sistema Arc se describió por primera vez en cepas de E. coli ^{[ 4 ]} y posteriormente se identificaron muchas otras. Shiro Iuchi y EC Lin fueron los primeros en identificar ArcA/ArcB como enzimas que desempeñan un papel importante en la regulación de las vías aeróbicas y anaeróbicas. Estos dos científicos diseñaron un cribado genético utilizando el operón sdh-lacZ en una cepa Δlac de E. coli. Se demostró que las mutaciones en arcA y arcB daban lugar a niveles elevados de enzimas implicadas en las vías de fermentación anaeróbica. Estos dos científicos son responsables del nombre arc , que originalmente significaba control de la respiración aeróbica. ^{[ 2 ]}

ArcB consta de 778 aminoácidos. Es una proteína transmembrana multipaso que atraviesa la membrana interna dos veces. La mayor parte de la estructura secundaria de ArcB son hélices alfa: cinco hélices alfa y una lámina beta. Las dos porciones transmembrana de la proteína son hélices alfa de 20 aminoácidos de longitud, ambas ricas en aminoácidos hidrofóbicos. Los aminoácidos 79-778 son citoplasmáticos; el 93% de la proteína es citoplasmática. Tanto las regiones sensoras como las reguladoras de ArcB se encuentran en este dominio citoplasmático. ^{[ 5 ]}

ArcA consta de 238 aminoácidos. Se trata de una proteína oligomérica con dos subunidades idénticas; cada subunidad está compuesta por 119 aminoácidos, cinco hélices alfa y seis láminas beta. Los aminoácidos 134-234 contienen el dominio de unión al ADN, que puede activar o suprimir la expresión génica. El genoma de E. coli posee 76 sitios de unión al ADN ; sin embargo, ArcA regula directamente aproximadamente 30 operones diferentes. ^{[ 5 ]}

ArcB es una histidina quinasa sensora unida a la membrana . Es inusual porque contiene tres dominios de señalización distintos. Detecta los niveles de oxígeno en la célula interactuando con la quinona reducida. Cuando los niveles de quinona reducida son bajos, indica que la célula está realizando respiración aeróbica . Cuando los niveles de quinona reducida son altos, indica que la célula no puede realizar respiración aeróbica. ^{[ 2 ]} Esto se debe generalmente a niveles insuficientes de oxígeno, que actúa como el receptor terminal de electrones en la cadena de transporte de electrones. ArcB puede entonces activar o desactivar ArcA, el regulador de respuesta, que luego puede viajar al cromosoma y regular la expresión génica. ^{[ 6 ]}

ArcA se activa mediante fosforilación. Cuando los niveles de oxígeno son bajos (condiciones anaeróbicas), ArcB se autofosforila. Este fosfato inorgánico se transfiere a ArcA mediante una fosforilación en cascada de cuatro aminoácidos . ArcA fosforilada puede entonces unirse a secuencias génicas consenso específicas en el cromosoma, regulando aproximadamente 30 operones diferentes. ArcA puede actuar como represor y activador, dependiendo del operón al que se una. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Cuando los niveles de oxígeno son altos (condiciones aeróbicas), ArcB actúa como una fosfatasa, eliminando el grupo fosfato inorgánico de ArcA. Sin el grupo fosfato unido, ArcA no puede unirse al ADN y los genes vuelven a sus niveles de expresión aeróbicos originales. Esto permite que la célula active las vías metabólicas más ventajosas para las condiciones actuales. La desfosforilación utiliza el mismo mecanismo de fosforilación en cascada que la fosforilación, pero en sentido inverso. ^{[ 6 ]}

Sin la presencia del sistema Arc en diversas cepas de bacterias anaeróbicas, la expresión génica no podría controlar eficazmente el metabolismo durante la replicación del material genético. En muchas condiciones de crecimiento donde no hay oxígeno, la quinasa sensora ArcB (que está unida a la membrana) recurre a la autofosforilación, un proceso que ha demostrado ser más eficiente cuando se trata de ciertos metabolitos fermentables como el piruvato, el acetato y el D-lactato. ^{[ 4 ]}

El sistema Arc conecta la cadena de transporte de electrones con la regulación de ciertos genes, permitiendo que la respiración aeróbica ocurra en presencia de oxígeno y que la fermentación tenga lugar en ausencia de este. Esto se logra mediante la conexión de ArcB con quinonas de la cadena de transporte de electrones. Las quinonas oxidadas, provenientes de la cadena de transporte de electrones, inhiben la autofosforilación de ArcB durante la respiración aeróbica. Esto, a su vez, impide la fosforilación de ArcA, desactivando así los operones activados . ^{[ 2 ]}

Se ha determinado que el sistema Arc regula hasta 30 genes, reprimiendo, por ejemplo, la citocromo o oxidasa, la citocromo d oxidasa y diversas enzimas gluconeogénicas , como las del ciclo del glioxilato y la oxidación de ácidos grasos . También induce la expresión de la piruvato formiato liasa .

Uno de los principales genes controlados es el operón sdh-lacZ . Este codifica, en parte, la síntesis de la succinato deshidrogenasa , un elemento clave en el ciclo de Krebs. ArcA desactiva la expresión del operón sdh-lacZ en presencia de oxígeno, deteniendo la progresión del ciclo de Krebs. También activa lctD y la piruvato formiato liasa. Estos genes son cruciales en el proceso de fermentación láctica. Se activan en condiciones anóxicas para permitir que la célula continúe produciendo ATP y creciendo incluso en condiciones menos favorables. ^{[ 7 ]} ArcA también reprime muchas de las otras enzimas involucradas en el ciclo de Krebs, incluidas las flavoproteína deshidrogenasas y las ubiquinonas oxidasas. ^{[ 2 ]} También reprime las enzimas involucradas en la síntesis de glioxilato , algunas deshidrogenasas utilizadas en el crecimiento aeróbico y enzimas involucradas en la oxidación de ácidos grasos. Los operones activados incluyen genes para la vía de la piruvato formiato-liasa y enzimas involucradas en la síntesis de cobalamina . ^{[ 8 ]}

Otro de los genes afectados codifica la producción de ciertos citocromos . ArcA reprime la citocromo bo oxidasa y activa la citocromo bd oxidasa . Los citocromos se clasifican según los grupos hemo que poseen; en este caso, el citocromo bo posee un grupo hemo c, mientras que la citocromo bd oxidasa posee un grupo hemo d. La citocromo bo oxidasa es uno de los principales transportadores de electrones durante la cadena de transporte de electrones de la respiración aeróbica. Tiene la capacidad de reducir la mayoría de los compuestos orgánicos presentes en el metabolismo celular. La citocromo bd oxidasa se activa en condiciones anaeróbicas. Tiene una mayor afinidad por el oxígeno que la citocromo bo oxidasa, lo que puede ser útil para las células en condiciones anóxicas. ^{[ 9 ]}