电子在细菌细胞膜上的传递

《Annual Review of Biochemistry》：Electron Transport Across Bacterial Cell Envelopes

外源电子传递（EET）是微生物通过膜蛋白复合体调控电子转移至环境中的关键机制，涉及Shewanella、Geobacter等菌种。本文综述了EET的分子机制，包括porin–cytochrome复合体、多亚铁血红素细胞色素的结构与功能，并探讨了其在生物采矿、燃料电池及污染修复中的应用。计算模型如AlphaFold为解析未知EET系统提供了新工具，未来需结合实验验证深化理解。

　　外源电子传递（Extracellular Electron Transfer, EET）是一种古老而普遍存在的生物过程，广泛存在于多种微生物中。这种过程使得细菌能够在细胞内外进行电子交换，从而影响环境中的氧化还原活性分子的溶解性和化学形态，例如金属氧化物。同时，EET机制还允许细菌在营养物质有限的环境中生存。然而，目前对于细菌如何通过细胞膜将电子传递到外部环境中的具体机制仍然知之甚少。本综述旨在探讨EET的已知机制，并结合实验数据和最新的蛋白质建模工具，分析其在不同细菌种类中的特征，同时揭示当前研究中尚未明确的环节。

EET在微生物代谢中扮演着重要角色。一些细菌通过释放不平衡分解反应产生的电子，或通过从环境中获取电子以支持还原性合成过程，实现电子传递。这种过程不仅影响细菌自身的代谢活动，还改变周围环境的氧化还原状态。EET的这种能力可能帮助了地球上最早的生命形式在无机材料的还原过程中繁衍生息。如今，EET依然在地下生态系统中起着重要作用，例如影响铁和锰等金属离子的生物可利用性，这些金属对植物生长至关重要。此外，EET还被应用于生物采矿和微生物燃料电池等现代技术领域，尽管在某些情况下，如微生物燃料电池的发电效率尚未达到与传统可再生能源技术相媲美的水平，但它在水处理和海水淡化等替代能源系统中具有潜力。与此同时，EET在生物修复方面的应用也日益受到关注，包括在含水层中溶解和沉淀砷化合物、从受污染地下水去除放射性核素，以及从电子废弃物中回收稀有金属。

在细胞膜上，EET涉及多种催化机制，使细菌能够直接与环境中的电子交换。对于可溶性电子受体，如Fe(II)或有机化合物，电子交换可能直接发生在细胞表面。然而，对于那些难以接触的不溶性受体，如Fe(III)氧化物，电子传递则需要通过细胞表面伸出的电子传递蛋白进行，或者借助可溶性介体在细胞与受体之间架设桥梁。为了从这一过程中获取能量，细菌合成的醌脱氢酶能够从内膜的醌池中提取质子和电子，形成内膜两侧的质子梯度。然而，由于EET过程中会损失能量，因此常被描述为一种“异养呼吸”过程，即在还原反应阶段消耗能量。

目前的研究主要集中在革兰氏阴性菌的EET机制上，尤其是Shewanella oneidensis MR-1。这种细菌的EET途径在无氧和微氧条件下被表达，使得其外膜的porin–cytochrome复合物，即MtrCAB复合物，能够被分离并进行生化和光谱学分析。MtrCAB由MtrA、MtrB和MtrC三种蛋白组成，其中MtrA是一个包含10个血红素的可溶性蛋白，其血红素紧密排列成一个约80 ?长的链。MtrB则是一个由26条β-折叠构成的桶状结构，包裹着MtrA。MtrC则作为电子传递的枢纽，连接MtrA和MtrB，使得电子能够传递到多种不同的外部氧化还原伴侣。研究发现，MtrC与MtrAB的结合非常稳定，通过向缺乏mtrC基因的细胞添加外源MtrC蛋白，可以恢复其对金属和类泛醌的还原能力。

此外，其他如MtrDE和PioAB等porin–cytochrome复合物也展现出类似的电子传递能力，但它们的结构和功能仍需进一步研究。例如，MtrDE在某些Shewanella菌株中作为次要的EET复合物，其功能尚未明确。PioAB的结构与MtrAB有部分相似性，但其血红素的配位方式存在差异，可能影响其电子传递效率。这些蛋白质的结构不仅揭示了它们的电子传递机制，还帮助研究人员推测其可能的生物功能。

与此同时，一些细菌如Acidithiobacillus ferrooxidans中发现的Cyc2蛋白，虽然不属于porin–cytochrome复合物，但同样在EET过程中发挥重要作用。Cyc2是一种融合的porin–cytochrome蛋白，其结构包含一个18条β-折叠的桶状结构和一个单血红素结构域。这种蛋白能够通过其两个铁结合位点，从酸性环境中的可溶性亚铁离子中提取电子，参与铜和金的生物提取过程。然而，Cyc2的电子传递机制仍然存在许多未解之谜，例如其血红素如何与周围环境中的金属离子相互作用，以及其结构如何影响电子传递效率。

为了更好地理解这些复杂的电子传递机制，研究者们利用蛋白质建模工具，如AlphaFold，对多种EET相关蛋白进行结构预测。AlphaFold的出现极大地推动了对尚未明确结构的蛋白质的研究，使得基于氨基酸序列的结构建模成为可能。例如，AlphaFold模型揭示了Cyc2的结构特征，包括其血红素的配位方式和电荷分布，从而帮助研究者推测其可能的电子传递机制。此外，AlphaFold还被用于预测MtrDE、MtoAB和PioAB等porin–cytochrome复合物的结构，这些模型显示了它们在电子传递过程中的可能拓扑结构和功能角色。

在某些情况下，EET系统并不依赖于特定的电子传递蛋白，而是通过被动扩散的介体完成。例如，Pseudomonas aeruginosa能够通过分泌的酚嗪类化合物进行电子传递，而Listeria monocytogenes则利用可溶性泛醌作为介体。这些机制使细菌能够在资源竞争激烈的环境中维持生存。然而，这些系统在实验室中的研究仍然面临挑战，如菌株生长缓慢、细胞密度低等问题，导致难以获得足够的蛋白样本进行深入分析。

研究还表明，EET的效率可能受到细胞内代谢过程的限制。例如，某些细菌的外膜电子传递蛋白可能无法与内膜的电子传递系统有效连接，从而影响整体的电子传递速率。此外，细胞表面的电子传递蛋白可能具有不同的构象，以适应不同的环境条件。这些构象变化可能涉及细胞膜上的脂质锚定结构，从而调节蛋白在细胞表面的定位和功能。

随着对EET机制研究的深入，科学家们开始关注其在不同细菌种类中的保守性和趋同进化。尽管某些EET基因簇在特定细菌中被发现，但其他细菌可能通过不同的方式实现类似的电子传递功能。例如，Shewanella和Geobacter虽然都具有EET能力，但它们的电子传递蛋白结构存在差异，表明EET可能在不同环境中演化出不同的适应策略。此外，一些研究还表明，EET系统可能与细菌的其他代谢途径相互关联，如铁氧化或铜还原，这提示了EET在微生物代谢网络中的重要地位。

总体而言，EET是微生物适应多种环境条件的重要手段，其机制涉及复杂的蛋白质结构和电子传递网络。随着新的蛋白质建模技术的发展，科学家们能够更深入地解析这些结构，并推测其在不同环境中的功能。未来的研究不仅需要进一步揭示EET的分子机制，还应探索其在生物技术和环境修复中的应用潜力。此外，对于那些尚未明确的EET机制，如某些Gram-positive细菌的S层相关电子传递系统，仍需更多的实验和建模工作来阐明其功能和作用方式。通过不断深入研究，我们有望更好地理解微生物如何利用EET在极端环境中生存，并为可持续技术的发展提供新的思路。