¿Por qué las bacterias producen H₂O₂?

why does the bacteria produce H2O2 in the first place?

Es producido por todos los organismos como un subproducto de la respiración. Ver este artículo de wikipedia:

Todas las células vivas producen especies reactivas de oxígeno (ROS) como subproducto del metabolismo. Las ROS son intermediarios de oxígeno reducido que incluyen el radical superóxido ($O_2^•$) y el radical hidroxilo ($OH^•$), así como la especie no radical peróxido de hidrógeno ($H_2O_2$)....El anión superóxido se forma directamente a partir de la reducción de un electrón del oxígeno molecular. Luego se forma peróxido de hidrógeno a partir de la desproporción del anión superóxido. Esta reacción ocurre muy rápidamente en el agua de mar. A continuación, la reducción del peróxido de hidrógeno produce el radical hidroxilo,$H_2O_2 \xrightleftharpoons 2OH^•$, que luego puede reducirse al ion hidroxilo y agua.

Fuente

¡Pero también tiene algunas funciones útiles! Uno de esos, como mencionas, es en la inmunidad a través de la NADPH oxidasa , ¡pero hay algunos más! Del mismo artículo de wikipedia anterior:

Estas ROS son importantes en el funcionamiento normal de las células, desempeñando un papel en la transducción de señales y la expresión de factores de transcripción.

Para esta línea, wikipedia cita 3-4 artículos, uno de los cuales es este :

El factor de transcripción OxyR es sensible a la oxidación y activa la expresión de genes antioxidantes en respuesta al peróxido de hidrógeno en Escherichia coli. Los estudios genéticos y bioquímicos revelaron que OxyR se activa mediante la formación de un enlace disulfuro y se desactiva mediante reducción enzimática con glutaredoxina 1 (Grx1). El gen que codifica Grx1 está regulado por OxyR, lo que proporciona un mecanismo de autorregulación.

No lo producen las bacterias anaerobias obligadas y por eso son muy sensibles al oxígeno. Ver este artículo:

Los anaerobios obligados son microorganismos asesinados por concentraciones atmosféricas normales de oxígeno (20,95%$O_2$)... Debido a que el oxígeno molecular contiene dos electrones desapareados en su orbital exterior, se reduce fácilmente a superóxido ($O_2^−$) y peróxido de hidrógeno ($H_2O_2$) dentro de las células. Los organismos aeróbicos producen superóxido dismutasa y catalasa para desintoxicar estos productos, pero los anaerobios obligados producen estas enzimas en cantidades muy pequeñas o no las producen en absoluto.

If so, why would there be organisms that produce H2O2 and still not have a catalase (when the bacteria is outside, not in the phagosome)?

Lógicamente, no. Productor$H_2O_2$pero no poder manejarlo sería como un suicidio para cualquier organismo. Además, no pude encontrar ningún ejemplo de bacteria que carezca de catalasa pero que aún produzca peróxido de hidrógeno. Sin embargo, si hablas de formación espontánea de$H_2O_2$de$O_2$o conversión espontánea de$H_2O_2$a$OH^-$o$H_2O$, entonces podría haber muchos ejemplos.

Isn't H2O2 is harmful even in the absence of free radical producing enzymes since the fenton reaction is a non-enzymatic reaction?

Creo que has usado algunas palabras inapropiadas aquí; probablemente se refiere a enzimas que metabolizan radicales libres (como catalasa o superóxido dismutasa ) en lugar de enzimas productoras de radicales libres . Y probablemente quieras decir eso$H_2O_2$también puede afectar a las bacterias a través de la reacción de Fenton, incluso en presencia de dichas enzimas (corríjame si me equivoco aquí).

Tienes parte de razón. Debería dañar a las bacterias, pero, como saben, las bacterias están en constante evolución y ya han encontrado una manera de contrarrestar esto. Primero, veamos cómo funciona la reacción de Fenton. Mira esto:

Después de la adición del hierro y el peróxido de hidrógeno, van a reaccionar juntos para generar algunos radicales hidroxilo como se muestra en las siguientes ecuaciones:

$Fe^{2+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + OH^• + OH^-$

$Fe^{3+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{2+} + OOH^• + H^+$

El rango típico para la dosis de hierro es 1 parte de Fe por 5-25 partes de H2O2.

Después de eso, los radicales hidroxilo van a reaccionar con los contaminantes para oxidarlos. En realidad, los radicales hidroxilo pueden reaccionar según 4 tipos de reacciones con los contaminantes:

Suma:$OH^• + C_6H_6 \rightarrow (OH)C_6H_6$

Abstracción de hidrógeno:$OH^• + CH_3OH \rightarrow CH_2OH^• + H_2O$

Transferencia de electrones:$OH^• + [Fe(CN)_6]^{4-} \rightarrow [Fe(CN)_6]^{3-} + OH^-$

Interacción Radical:$OH^• + OH^• \rightarrow H_2O_2$

Durante la reacción de Fenton, todos los parámetros se ajustan para promover los dos primeros tipos de reacción entre el contaminante y los radicales hidroxilo.

Ahora, veamos cómo la bacteria aborda esto. Mira esto :

Si bien E. coli Dps puede almacenar hierro, prefiere usar$H_2O_2$más bien que$O_2$como oxidante (Zhao et al ., 2002). Esto sugiere que el papel principal de Dps en E. coli es proteger el ADN contra el daño potencial del radical hidroxilo producido por la reacción de Fenton, en lugar de una función de almacenamiento de hierro. Aunque se encontró una ferritina similar a Dps de almacenamiento de hierro en la bacteria gramnegativa Listeria innocua (Bozzi et al ., 1997), estudios recientes han demostrado que de hecho es una proteína Dps, que atenúa la producción de radicales hidroxilo por la química de Fenton: Los ensayos de escisión del ADN mostraron que la proteína, aunque no se une al ADN en sí, lo protege contra la combinación nociva de$Fe^{2+}$y$H_2O_2$(Su et al ., 2005). Parece probable que el papel principal de esta familia de proteínas sea un agente anti-redox protector del ADN (Chiancone et al ., 2004).

EDITAR: Ahora, como preguntaste en los comentarios:

how catalase negative organisms manage with the H2o2 they produce

lea el siguiente párrafo de este artículo (énfasis mío):

Bajo diferentes condiciones de crecimiento, encontramos que tanto L. plantarum ATCC 8014 como una cepa catalasa positiva, T-1403-5, eran capaces de utilizar$0_2$, particularmente durante las últimas etapas de crecimiento. Esto sugirió la necesidad de enzimas que protegieran a los lactobacilos de$H_20_2$y$0_2$que pudiera formarse. La superóxido dismutasa estuvo presente en niveles bajos pero constantes tanto en las cepas catalasa positivas como en las catalasa negativas. La NADH peroxidasa estaba presente en la cepa 8014 y esta enzima aumentó su actividad específica a medida que las células envejecían y entraban en el período de mayor$0_2$consumo. La presencia de esta enzima debe proteger al organismo contra los efectos tóxicos de$H_20_2$en ausencia de producción de catalasa. En la cepa T-1403-5 esta función puede ser desempeñada por la catalasa atípica muy activa, aunque esta cepa también puede poseer la peroxidasa. Cuando se compararon las tasas de crecimiento de las cepas catalasa negativa y catalasa positiva, las tasas de las cepas catalasa negativa fueron mayores que las de la cepa catalasa positiva. Por lo tanto, no parecía que la posesión de catalasa confiriera ninguna ventaja a la cepa T-1403-5.

O vea otro artículo sobre Streptococcus pneumoniae :

El crecimiento aeróbico de Streptococcus pneumoniae da como resultado la producción de cantidades de peróxido de hidrógeno ($H_20_2$) que puede exceder 1 mM en los medios circundantes... Los mecanismos que permiten a S. pneumoniae , una especie deficiente en catalasa, sobrevivir endógenamente generó concentraciones de$H_20_2$que son suficientes para matar otras especies bacterianas es desconocido. En el presente estudio, la piruvato oxidasa (SpxB), la enzima responsable de la$H_20_2$producción, fue necesaria para la supervivencia durante la exposición a altos niveles (20 mM) de agregados exógenamente$H_20_2$... Por lo tanto, se requiere SpxB para la resistencia al subproducto tóxico de su propia actividad. A pesar de que$H_20_2$La producción de radicales hidroxilo dependiente y la concentración intracelular de hierro libre fueron similares a las de Escherichia coli , matando por$H_20_2$no se vio afectado por los quelantes de hierro, lo que sugiere que S. pneumoniae tiene un mecanismo novedoso para evitar los efectos tóxicos de la reacción de Fenton.

Del encabezado Discusión del mismo artículo (en realidad hay muchos puntos, por lo que le recomiendo que los lea usted mismo también, agregaré los puntos principales aquí):

• El papel de la expresión de SpxB en la resistencia a la muerte por$H_20_2$fue confirmado por la demostración de que los mutantes spxB , que no producen$H_20_2$, tuvo una disminución significativa en$H_20_2$resistencia y al demostrar que la complementación del gen spxB restauró completamente tanto$H_20_2$producción de ambos$H_20_2$resistencia. Estos resultados mostraron que la expresión de SpxB es necesaria para los niveles de resistencia de tipo salvaje a$H_20_2$en lugar de simplemente correlacionarse con él .

• cuando los cultivos de ambas cepas se cambiaron de condiciones anaeróbicas a aeróbicas con o sin cloranfenicol, un inhibidor de la síntesis de proteínas,$H_20_2$la resistencia no se vio afectada. Esto confirmó que la síntesis de proteínas de novo no está involucrada en el aumento de$H_20_2$resistencia observada durante el crecimiento aeróbico, lo que sugiere que no está involucrada una respuesta inducible .

• Además, la adición de piruvato a cultivos mutantes o de tipo salvaje disminuyó ligeramente$H_20_2$-muerte mediada, argumentando que el aumento de la muerte de mutantes spxB no se debe a subproductos tóxicos resultantes de la reacción del exceso de piruvato y$H_20_2$. En conjunto, esto sugería que un producto de la actividad de SpxB distinto de$H_20_2$actúa para aumentar la resistencia

• Además, la capacidad de DF para eliminar la señal EPR causada por$OH^·$en S. pneumoniae sugiere que la incapacidad de este quelante de hierro para aumentar$H_20_2$la resistencia en S. pneumoniae no se debe simplemente a la falta de permeabilidad .

Al final, lo que concluiría es que diferentes bacterias adoptan diferentes mecanismos para abordar este problema, y ​​muchos de esos mecanismos aún no se conocen. Por lo tanto, no hay una respuesta definitiva o exacta a esta pregunta.

Referencias:

1. Producción de ROS en microalgas marinas

2. NADPH oxidasa

3. Activación del factor de transcripción OxyR por formación de enlaces disulfuro reversibles

4. Anaerobio obligado

5. Catalasa

6. Superóxido dismutasa

7. Metabolismo del hierro: de los mecanismos moleculares a las consecuencias clínicas - Robert Crichton

8. Metabolismo del oxígeno de cepas catalasa negativas y catalasa positivas de Lactobacillus plantarum.

9. Los factores que contribuyen a la resistencia al peróxido de hidrógeno en Streptococcus pneumoniae incluyen la piruvato oxidasa (SpxB) y la evitación de los efectos tóxicos de la reacción de Fenton