Chez les bactéries, deux voies enzymatiques conduisent à la réduction du nitrite en NO. Il a été montré que la synthèse de NO s’établit à partir d’une nitrite réductase au cours des 3 étapes du cycle de l’azote : dénitrification (Zafiriou et al. 1989), fixation de l’azote atmosphérique (Molina-Favero et al. 2008) et nitrification (Cantera and Stein 2007). De plus, la nitrate réductase, initialement impliquée dans la réduction du nitrate en nitrite, peut, sous certaines conditions, synthétiser du NO (Rodionov et al. 2005, Maia and Moura 2015).
1) La réduction du nitrite par une nitrite réductase
1.1) Les bactéries dénitrifiantes
La dénitrification est une forme de métabolisme du nitrate qui aboutit à la production de diazote (N2) et au cours duquel le NO est formé. La dénitrification permet une respiration anaérobie dépendante du nitrate et permet aussi d’éliminer l’excès d’équivalent réducteur (NAD) et de moduler le potentiel redox de la cellule (Shapleigh 2006). Le passage de nitrate au diazote est séquentiel et se fait par l’intermédiaire de quatre réductases. Le nitrate est réduit en nitrite par une nitrate réductase (membranaire et/ou périplasmique). Le nitrite est réduit en NO soit par une nitrite réductase cytochrome-cd1 contenant de l’hème (NirS) soit par une nitrite réductase contenant du cuivre (NirK) (Priemé et al. 2002). Le NO est réduit en protoxyde d’azote N2O par une NO-réductase, et enfin, le N2O est réduit en N2 par une N2
O-réductase. La synthèse de NO au cours de la dénitrification a été observé chez plusieurs espèces du genre Pseudomonas (γ-proteobacteria) ainsi que pour deux α-proteobacteria, Rhodobacter sphaeroides et Parococcus denitrificans, deux β-proteobacteria, Achromobacter cycloclastes et Ralstonia eutropha, et quelques représentantes d’archées (Rőszer 2012). Les nitrites réductases sont majoritairement localisées au niveau de la membrane plasmique et l’espace périplasmique des genres Pseudomonas et Achromobacter (Coyne et al. 1990), ce qui en fait un lieu privilégié pour la synthèse de NO. Au cours de la dénitrification, le NO est formé comme un intermédiaire réactionnel. Cependant, chez R. sphaeroides, le régulateur transcriptionnel NnrR (membre de la famille des FNR) active l’expression du gène nirK et de l’opéron nor (NO-réductase) en présence de NO (Laratta and Shapleigh 2003). Chez R. eutropha, l’expression de l’opéron nor, en réponse au NO, est activée par le régulateur NorR (régulateur transcriptionnel sigma-dépendant) (Cramm et al. 2006).
1.2) Les bactéries fixatrices d’azote
Les rhizobiums comme Azospirillum brasilense sont des bactéries symbiotiques des légumineuses, retrouvées dans le sol et capables de fixer l’azote atmosphérique (N2) pour le transformer en ammonium (NH4+). L’opéron napABC codant une nitrate réductase périplasmique (Nap) ainsi que deux copies du gène nirK (nirK1 et nirK2) codant la nitrite réductase NirK ont été identifiés chez A. brasilense (Steenhoudt et al. 2001, Pothier et al. 2008). Nap et NirK sont impliquées dans la dénitrification où NirK contribue à la synthèse de NO par réduction du nitrite. Chez les bactéries fixatrices de N2, le NO joue un rôle important dans le développement des racines des légumineuses et stabilise la relation symbiotique bactérie-plante (del Giudice et al. 2011).
1.3) Les bactéries nitrifiantes
La nitrification est l’étape du cycle de l’azote au cours de laquelle du nitrite est formé par oxydation aérobie de l’ammonium (NH4+) puis convertis en nitrate. Les bactéries comme Nitrosomonas europaea, Nitrosovibrio spp et Nitrosospira spp (β-proteobacteria) réalisent l’oxydation aérobie de l’ammonium tandis que Nitrobacter winogradskyi (α-proteobacteria) réalise l’oxydation du nitrite en nitrate (Rőszer 2012).
suggère qu’un autre mécanisme serait impliqué dans la synthèse de NO (Beaumont et al. 2002). L’expression de nirK est sous la dépendance du répresseur NsrR. Une augmentation de la concentration de nitrite et une diminution du pH entrainent une augmentation de la transcription de nirK (Beaumont et al. 2004). Chez les bactéries nitrifiantes, leur capacité à réduire le nitrite en NO leur permet de contrôler la toxicité du nitrite (Cantera and Stein 2007). Un gène codant potentiellement une protéine NirK a été identifiée chez N. winogradskyi (Starkenburg et al. 2008). La présence de nitrite augmente la transcription de ce gène et la protéine correspondante réduit le nitrite en NO (Starkenburg et al. 2008).
1.4) Les bactéries « anammox »
L’« anammox » (oxydation anaérobie de l’ammonium) est un processus qui permet d’oxyder l’ammonium en N2 où le nitrite agit comme accepteur final d’électron. Ce processus est observé uniquement chez les bactéries de l’ordre des Planctomycétales (van der Star et al. 2008) et a lieu dans les environnements aquatiques anaérobies. Un gène nirS a été identifié chez la bactérie Kuenenia stuttgartiensis (Kartal et al. 2007). Comme pour les bactéries dénitrifiantes, les bactéries « anammox » pourraient réduire le nitrite en NO par l’intermédiaire de la protéine NirS.
2) La réduction du nitrite par une nitrate réductase
La réduction du nitrite qui conduit à la production de NO, indépendamment de la respiration, est probablement due à une molybdo-enzyme telle que la nitrate réductase (Maia and Moura 2015). Il existe trois types de nitrates réductases chez les bactéries : la nitrate réductase membranaire (Nar), périplasmique (Nap) et cytosolique (Nas) (Maia and Moura 2015). Les staphylocoques n’ont que la Nar tandis que Bacillus subtilis a une Nar plus une Nas (Moreno-Vivián et al. 1999). Nar et Nas sont aussi présentes chez de nombreuses bactéries Gram-négatives. Nap est bien évidemment présente uniquement chez les bactéries à Gram négatif (Potter et al. 2001, Morozkina and Zvyagilskaya 2007). La présence de ces enzymes est variable en fonction des genres bactériens. Il a été suggéré que la synthèse de NO chez Salmonella enterica serovar Typhimurium et Escherichia coli, est assurée majoritairement par la Nar (Gilberthorpe and Poole 2008, Vine et al. 2011, Rowley et al. 2012) et qu’une faible proportion (moins de 3%) soit issue de la Nap (Vine et al. 2011, Rowley et al. 2012). Le potentiel de la Nas n’a pas été étudié. Les conditions requises pour observer une synthèse de
NO par une nitrate réductase résultent de la combinaison d’une condition anaérobie, associée à une diminution de la concentration de nitrate combinée à l’accumulation du nitrite dans le milieu (Maia and Moura 2015). Il est intéressant de noter que ces conditions sont très similaires à celles observées pour la synthèse de NO par la nitrate réductase chez les plantes (Rockel et al. 2002). La forte similitude d’activité entre les nitrates réductases bactériennes et celles des plantes suggère que la réduction du nitrite couplée à la synthèse de NO est une caractéristique générale des nitrates réductases (Maia and Moura 2015).