Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Энергетическим "топливом", перерабатываемым в  ЦТК, служат не только углеводы, но и  жирные кислоты (после предварительной  деградации до ацетил-КоА), а также  многие аминокислоты (после удаления аминогруппы в реакциях дезамини-рования  или переаминирования). В результате одного оборота цикла происходят 2 декарбоксилирования, 4 дегидрирования и 1 фосфорилирование. Итогом 2 декарбоксилирований является выведение из цикла 2 атомов углерода (2 молекулы CO₂), т. е. ровно столько, сколько его поступило в виде ацетильной группы. В результате 4 дегидрировании образуются 3 молекулы НАД-H₂ и 1 молекула ФАД-H₂. Как можно видеть, в процессе описанных выше превращений весь водород оказывается на определенных переносчиках и задача теперь — передать его через другие переносчики на молекулярный кислород.

Как представлено это у эубактерий? С определенными  последовательностями ферментативных реакций, аналогичных тем, которые  имеют место в ЦТК, мы встречаемся  у эубактерий, находящихся на разных этапах эволюционного развития. Некоторые  реакции цикла функционируют  в анаэробных условиях у бактерий, получающих энергию в процессах  брожения.

У пропионовых  бактерий в последовательность реакций  брожения, ведущих к синтезу пропионовой  кислоты, "вмонтированы" реакции  от янтарной кислоты до ЩУК, аналогичные  таковым ЦТК, но идущие в противоположном  направлении и связанные на двух этапах с восстановлением субстратов реакций (см. рис. 54). В пропионовокислом брожении эти реакции функционируют для акцептирования водорода, являясь одним из вариантов решения донор-акцепторной проблемы в анаэробных условиях.

У других эубактерий мы встречаемся с более полно  сформированной последовательностью  реакций, аналогичных ЦТК, но еще  не замкнутых в полный цикл. Наиболее часто отсутствует ферментативный этап превращения a-кетоглутаровой кислоты  в янтарную, в результате чего ЦТК  представляется как бы "разорванным" (см. рис. 85). "Разорванный" ЦТК обнаружен у бактерий, осуществляющих бескислородный фотосинтез, цианобактерий, хемоавтотрофов и у некоторых хемогетеротрофов. Вероятно, в таком виде ЦТК не может функционировать в системе энергодающих механизмов клетки. В этом случае его основная функция — биосинтетическая. Тот факт, что "разорванный" ЦТК встречается у различных далеко отстоящих друг от друга физиологических групп эубактерий, указывает на сложные пути эволюции данного механизма. Этот вопрос требует своего объяснения.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Электроны с  восстановленных переносчиков (НАД-H₂, НАДФ-H₂, ФАД-H₂), образующихся при функционировании ЦТК или окислительного пентозофосфатного цикла, поступают в дыхательную цепь, где проходят через ряд этапов, опускаясь постепенно на все более низкие энергетические уровни, и акцептируются соединением, служащим конечным акцептором электронов. Перенос электронов приводит к значительному изменению свободной энергии в системе. В наиболее совершенном виде и единообразии дыхательная цепь предстает у эукариот, где она локализована во внутренней мембране митохондрий. У эубактерий дыхательные цепи поражают разнообразием своей конкретной организации при сохранении принципиального сходства в строении и функционировании.

Дыхательные электронтранспортные цепи состоят из большого числа локализованных в мембране переносчиков, с помощью  которых электроны передаются или  вместе с протонами, т. е. в виде атомов водорода, или без них. Компонентами цепи, локализованными в мембране, являются переносчики белковой (флавопротеины, FeS-белки, цитохромы) или небелковой (хиноны) природы. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы — электронов.

НАД(Ф)-зависимые  дегидрогеназы, катализирующие отрыв  водорода от молекул различных субстратов и передающие его на стартовый  переносчик дыхательной цепи — НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу, — растворимые ферменты. Дегидрогеназы флавопротеиновой природы, выполняющие аналогичную функцию, могут быть локализованными в мембране (например, сукцинатдегидрогеназа) или существовать в растворимой форме (ацетил-КоА-дегидрогеназы жирных кислот). Водород с них поступает в дыхательную цепь на уровне хинонов.

Известно более 250 НАД(Ф)-зависимых дегидрогеназ, активно  участвующих в реакциях промежуточного обмена. Но не все из них имеют  отношение к энергетическому  метаболизму. С помощью дегидрогеназ осуществляется перенос гидрид-иона (2e^– + Н⁺ ® H^–) от субстрата к НАД(Ф), при этом в среду переходит протон (рис. 93, А). Атом водорода входит в состав пиридинового кольца, а электрон присоединяется к азоту пиридинового кольца. После восстановления НАД(Ф)-H₂ отщепляется от активного центра фермента и переносится к мембране, где акцептируется флавиновой дегидрогеназой и передает ей восстановительные эквиваленты. Одновременно к дегидрогеназе, освобожденной от кофермента, присоединяется окисленная молекула НАД(Ф), поступающая из среды. Таким образом, особенность НАД(Ф) — их подвижность, позволяющая им курсировать от молекул — доноров электронов, находящихся в цитоплазме, к акцепторам электронов, локализованным в мембране.

В состав флавиновых дегидрогеназ входят флавиновые нуклеотиды, прочно связанные с апоферментом и не отщепляющиеся от него ни на одной стадии каталитического цикла. Окислительно-восстановительные свойства флавопротеинов обусловлены способностью изоаллоксазинового кольца рибофлавина  к обратимому переходу из окисленного  состояния в восстановленное, при  котором происходит присоединение  к кольцу 2 электронов в составе  атомов водорода (рис. 93, Б). При изучении дыхательных цепей особенно интересны два связанных с мембраной флавопротеина: сукцинатдегидрогеназа, катализирующая окисление сукцината в ЦТК, и НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназа, катализирующая восстановление своей флавиновой простетической группы, сопряженное с окислением НАД(Ф)xH₂.

Участие в дыхательном  электронном транспорте принимают  белки, содержащие железосероцентры (см. рис. 58). Они входят в состав некоторых флавопротеинов, например сукцинат- и НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназ, или же служат в качестве единственных простетических групп белков. Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров. В митохондриальной электронтранспортной цепи функционирует, вероятно, около дюжины таких белков. В зависимости от строения FeS-центры могут осуществлять одновременный перенос 1 или 2 электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.

Хиноны —  жирорастворимые соединения, имеющие  длинный терпеноидный "хвост", связанный с хиноидным ядром, способным к обратимому окислению  — восстановлению путем присоединения 2 атомов водорода (рис. 93, В). Наиболее распространен убихинон, функционирующий в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами. В отличие от остальных электронных переносчиков хиноны не связаны со специфическими белками. Небольшой фонд убихинона растворен в липидной фазе мембран.

Цитохромы, принимающие  участие на заключительном этапе  цепи переноса электронов, представляют собой группу белков, содержащих железопорфириновые простетические группы (гемы). С помощью  цитохромов осуществляется перенос  электронов, в процессе которого меняется валентность железа:

Fe²⁺ « Fe³⁺ + e^–

В митохондриях обнаружено пять цитохромов (b, c, c₁, a, a₃), различающихся между собой спектрами поглощения и окислительно-восстановительными потенциалами. Различия по этим параметрам обусловлены белковыми компонентами цитохромов, природой боковых цепей их порфиринов и способом присоединения гема к белкам. Конечные цитохромы (a + a₃) передают электроны на молекулярный кислород, представляя собой собственно цитохромоксидазу, в реакционном центре которой содержатся помимо двух гемов два атома меди. Образование воды имеет место при переносе на молекулу кислорода 4 электронов. Некоторые цитохромоксидазы осуществляют перенос на O₂ только 2 электронов, следствием чего является возникновение перекиси водорода. Перекись водорода далее разрушается каталазой или пероксидазой.

Таким образом, дыхательная цепь переноса электронов в митохондриях состоит из большого числа промежуточных переносчиков, осуществляющих электронный транспорт  с органических субстратов на O₂. Последовательность их расположения, представленная на рис. 94, подтверждается различного рода данными: значениями окислительно-восстановительных потенциалов переносчиков, ингибиторным анализом.

Обнаружены ингибиторы, специфически действующие на определенные участки дыхательной цепи. Амитал и ротенон блокируют перенос  электронов на участке до цитохрома  b, действуя предположительно на НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу. Антимицин А (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому c₁. Цианид, окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов a + a₃ на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. Если блокировать перенос электронов в электронтранспортной цепи определенными ингибиторами, то переносчики, находящиеся на участке от субстрата до места действия ингибитора, будут в восстановленной, а переносчики за местом действия ингибитора — в окисленной форме.

Какие формы  организации дыхательной цепи обнаружены у эубактерий, т. е. на определенных подступах к ее окончательному формированию? Группы первично анаэробных хемогетеротрофов не имеют развитой системы связанного с мембранами электронного транспорта. Полностью сформированной системой дыхательного электронного транспорта обладают фотосинтезирующие эубактерии: цианобактерии, многие пурпурные бактерии (в наибольшей степени дыхание  развито у несерных пурпурных  бактерий). Все облигатно и факультативно  аэробные хемотрофы имеют дыхательные  цепи. У разных групп эубактерий они значительно различаются  по составу, что выражается в следующем: замене одних переносчиков другими  со сходными свойствами (убихинон —  менахинон, цитохромы aa₃ — o и т. д.); добавлении или удалении какого-либо переносчика (например, цитохрома c); разветвлении на уровне первичных дегидрогеназ, являющемся результатом множества мест включения восстановительных эквивалентов с окисляемых субстратов в цепь, и ветвлении, связанном с присутствием 2 или более цитохромоксидаз. Дыхательные цепи некоторых хемогетеротрофных эубактерий приведены на рис. 95.

ЗАПАСАНИЕ КЛЕТОЧНОЙ  ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДЫХАНИЯ

Вся система  переноса электронов от субстрата на O₂ через длинную цепь переносчиков представлялась бы нерационально громоздкой, если бы единственной целью процесса было соединение электронов с молекулярным кислородом. Другое назначение этого механизма состоит в запасании освобождающейся в процессе электронного переноса энергии путем трансформирования ее в химическую энергию фосфатных связей.

Имеющиеся экспериментальные  данные подтверждают выдвинутый в начале 60-х гг. английским биохимиком П. Митчеллом  хемиосмотический механизм энергетического  сопряжения электронного транспорта с  фосфорилированием. П. Митчелл "обратил  внимание" на судьбу протонов при  электронном транспорте, которые  переносятся в этом процессе через  мембрану в одном направлении, создавая градиент концентрации H⁺ по обе стороны мембраны (см. рис. 25). Перенос электронов и протонов обеспечивается определенным сорасположением мембранных переносчиков, а также свойствами самой мембраны, в первую очередь ее непроницаемостью для протонов.