Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

В митохондриях на 3 участках окислительной цепи происходит выделение протонов во внешнюю среду. Соответственно 3 реакции ведут к  образованию Dm_H⁺ (рис. 96). Первая локализована в начале дыхательной цепи и связана с функционированием НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназы. Второй генератор Dm_H⁺ определяется способностью убихинона переносить водород. Последний локализован в конце дыхательной цепи и связан с активностью цитохромоксидазы.

Поскольку синтез молекулы АТФ связан, как минимум, с переносом 2 протонов через АТФ-синтазу, а при окислении НАД(Ф)-H₂ молекулярным кислородом, т. е. поступлении 2 электронов на 1/2O₂ выделяются 6H⁺, максимальный выход АТФ в этом .процессе составляет 3 молекулы. Для количественной оценки эффективности фосфорилирования при переносе электронов используют отношение P/O, означающее количество потребленных молекул неорганического фосфата, приходящихся на 1 поглощенный атом кислорода. H₂ препаратах изолированных митохондрий показано, что при переносе водорода от изолимонной или яблочной кислот на НАД⁺, а затем на молекуляроный кислород отношение P/O равно 3. Приокислении янтарной кислоты, водород которой переносится на сукцинатдегидрогеназу и далее на убихинон, возможны только 2 фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где локализован первый генератор Dm_H⁺. Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число функционирующих протонных помп в дыхательной цепи.

Теперь можно  подвести итог тому, каков энергетический выход при окислении молекулы глюкозы, осуществляемом в максимально  отлаженной энергетической системе, функционирующей  в эукариотных клетках: гликолиз ® ЦТК ® дыхательная цепь митохондрий. H₂ первом этапе в процессе гликолитичес-кого разложения молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы пирувата, АТФ и НАД-H₂. Конечными продуктами реакции окислительного декарбоксилирования 2 молекул пирувата, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, являются 2 молекулы ацетил-КоА и НАД-H₂. Окисление 2 молекул ацетил-КоА в ЦТК приводит к образованию 6 молекул НАД-H₂ и по 2 молекулы ФАД-H₂ и АТФ. Перенос каждой пары электронов с НАД-H₂, если принять P/O равным 3, приводит к синтезу 30 молекул АТФ (2 молекулы НАД-H₂ дает процесс гликолиза, 2 молекулы НАД-H₂ — окислительное декарбоксилирование пирувата, 6 молекул НАД-H₂ — ЦТК). Перенос каждой пары электронов с ФАД-H₂ приводит к синтезу 2 молекул АТФ, т. е. при двух оборотах цикла это дает 4 молекулы АТФ. К этому следует прибавить 2 молекулы АТФ, образуемые в процессе гликолиза, и 2 молекулы АТФ, синтезируемые в ЦТК на этапе превращения сукцинил-КоА в янтарную кислоту. Итак, полное окисление 1 молекулы глюкозы в максимальном варианте приводит к образованию 38 молекул АТФ.

Для аэробных эубактерий характерна меньшая степень сопряжения электронного транспорта в дыхательной  цепи с фосфорилированием, проявляющаяся  в низком значении коэффициента Р/O. В опытах, проводившихся с использованием препаратов бактериальных мембран, это отношение в большинстве  случаев не превышало 1. Невысокое  значение Р/O связано с тем, что  в бактериальных дыхательных  цепях локализовано меньше генераторов Dm_H⁺, чем в митохондриальной дыхательной цепи. Нельзя также исключать и то обстоятельство, что в процессе получения препаратов бактериальных мембран нарушается их структурная целостность, а это приводит к резкому падению функциональной активности выделенных мембран. У Е. coil и Azotobacter vinelandii отношение P/O равно 2, у Corynebacterium diphteriae — 1, а у Mycobacterium phlei — 3. Это позволяет сделать вывод о том, что дыхательные цепи бактерий весьма существенно отличаются от аналогичной системы, функционирующей в эукариотных клетках. Они менее стабильны по составу и значительно менее энергетически эффективны.

Все эубактерий, имеющие развитую систему электронного транспорта, сопряженного с генерированием энергии, можно разделить на две  большие группы в зависимости  от источника энергии, т. е. природы  донора электронов. К первой группе относятся организмы, использующие в качестве источника энергии  процессы окисления неорганических соединений. Вторую группу составляют организмы, у которых донорами электронов служат различные органические соединения.

Таблица 29. Типы анаэробного дыхания у  эубактерий*

* Описаны анаэробные  бактерии, способные окислять органические  соединения, используя в качестве  конечного акцептора электронов Fe³⁺ или Mn⁴⁺.

Вместо O₂ некоторые эубактерий могут в качестве конечного акцептора электронов использовать ряд окисленных органических или неорганических соединений (табл. 29). Этот процесс получил название анаэробного дыхания. Освобождаемая энергия и состав переносчиков определяются окислительно-восстановительными потенциалами акцепторов электронов. Анаэробные дыхательные цепи содержат те же типы переносчиков, что и аэробные, но цитохромоксидазы заменены соответствующими редуктазами. Иные, нежели O₂, акцепторы электронов могут использоваться в этом качестве только в отсутствие молекулярного кислорода в среде или же последний вообще не может служить акцептором электронов. В зависимости от этого эубактерий, осуществляющие анаэробное дыхание, относятся к факультативным или облигатным анаэробам. Донорами электронов у них могут служить органические или неорганические соединения.

ГРУППЫ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ  ЭУБАКТЕРИЙ

Эубактерий, у  которых источником энергии служат процессы окисления неорганических соединений, были обнаружены в конце XIX в. и их открытие связано с именем С. Н. Виноградского. В качестве источников энергии хемолитотрофы могут  использовать довольно широкий круг неорганических соединений, окисляя  их при дыхании (табл. 30). Дыхательные цепи хемолитотрофов содержат те же типы переносчиков, что и хемоорганотрофов. Разнообразие наблюдается только на периферических участках энергетического метаболизма, так как для окисления неорганических соединений, связанного с получением энергии, необходимы соответствующие ферментные системы. Например, у Thiobacillus ferrooxidans, получающего энергию в результате окисления двухвалентного железа, дыхательная цепь дополнена медьсодержащим белком рустицианином, непосредственно акцептирующим электроны с Fe²⁺.

Таблица 30. Группы хемолитотрофных эубактерий*

* Описана автотрофная  бактерия Stibiobacter senarmontii, источником энергии для которой служит окисление трехвалентной сурьмы до пятивалентной.

** Если акцептор  электронов O₂, одним из конечных продуктов является вода.

*** У отдельных  представителей. Используемые в  качестве доноров электронов  неорганические соединения различаются  окислительно-восстановительными потенциалами. Это определяет место включения  в дыхательную цепь электронов  окисляемого субстрата. При окислении  H₂ водородными бактериями электроны с субстрата включаются в дыхательную цепь на уровне НАД⁺, при окислении Fe²⁺ железобактериями — на уровне цитохрома c, а при окислении NO₂ ^– нитрификаторами — на уровне цитохрома a, (рис. 97). В целом окисление эубактериями неорганических соединений (за исключением H₂) сопряжено с переносом электронов на цитохромы. С этим связаны важные последствия. Включение электронов с субстрата на уровне цитохромов приводит к тому, что во-первых, в электронтранспортной цепи функционирует только один генератор Dm_H⁺, поэтому для обеспечения энергией организму необходимо "переработать" большое количество энергетического субстрата; во-вторых, в этом процессе не образуется восстановитель НАД-H₂, необходимый для биосинтетических процессов. Потребность в НАД-H₂ особенно высока, если источником углерода служит CO₂.

Природа остроумно  решила эту проблему ценой дополнительных энергетических затрат: в тех случаях, когда место включения электронов с окисляемого субстрата находится  ниже энергетического уровня, на котором  образуется НАД-H₂, работает система обратного переноса электронов, т. е. "лифт", поднимающий электроны по дыхательной цепочке в сторону более отрицательного потенциала, необходимого для восстановления молекул НАД⁺. Процесс обратного транспорта электронов требует энергии, и часть молекул АТФ, получаемых за счет окислительного фосфорилирования на конечном этапе дыхательной цепи, тратится для образования восстановителя. Окисление соединений с положительным окислительно-восстановительным потенциалом происходит, таким образом, без участия флавопротеинов и хинонов. Эти переносчики функционируют только в процессе обратного переноса электронов. Следовательно, у таких эубактерий дыхательная цепь работает в двух направлениях: осуществляет транспорт электронов для получения энергии в соответствии с термодинамическим потенциалом и перенос электронов против термодинамического потенциала, идущий с затратой энергии, чтобы синтезировать восстановитель (рис. 97).

Все это создает  большую нагрузку на конечный этап дыхательной цепи. Действительно, у  железобактерий и нитрификаторов конечный участок дыхательной цепи развит очень сильно: эти бактерии характеризуются  исключительно высоким содержанием  цитохромов с и а, во много раз  превышающим их содержание у гетеротрофов. Рассмотрим теперь более подробно отдельные  группы хемолитотрофных эубактерий.

Эубактерии, окисляющие соединения серы

Описано много  представителей разных групп эубактерий, способных окислять восстановленные  соединения серы, например, сероводород, тиосульфат, а также молекулярную серу. Это фототрофы, осуществляющие бескислородный фотосинтез, некоторые  типичные гетеротрофные бактерии родов  Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter и других и группы бесцветных серобактерий и тионовых бактерий. Окисление серы и ее восстановленных соединений может служить источником клеточной энергии, электронов при фотосинтезе, использоваться для детоксикации образующейся при дыхании перекиси водорода.

Тионовые  бактерии. Использование процесса окисления серы и ее неорганических восстановленных соединений для получения клеточной энергии показано для группы тионовых бактерий, представленных родами Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и др. Это одноклеточные организмы разной морфологии и размеров; неподвижные или подвижные (движение осуществляется с помощью полярно расположенных жгутиков); бесспоровые. Размножаются делением или почкованием. Имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Для некоторых представителей рода Thiobacillus характерна развитая система внутрицитоплазматических мембран.

Для тионовых бактерий показана способность окислять с  получением энергии помимо молекулярной серы (S⁰) многие ее минеральные восстановленные соединения: сульфид (S^{2 –} ), тиосульфат (S₂O₃^{2 –} ) сульфит (SO₃^{2 –} ), тритионат (S₃O₆^{2 –} ), тетратионат (S₄O₆^{2 –} ). Некоторые тионовые бактерии могут получать энергию за счет окисления тиоцианата (CNS ^– ), диметилсульфида (CH₃SCH₃), диметилдисульфида (CH₃SSCH₃), а также сульфидов тяжелых металлов. Там, где в качестве промежуточного продукта окисления образуется молекулярная сера, она откладывается вне клетки. Thiobacillus ferrooxidans получает энергию, окисляя также двухвалентное железо.