Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

где (CH₂O) — символ биомассы. Из уравнения видно, что окисление CO — неэффективный способ получения энергии. Карбоксидобактерий для синтеза клеточного вещества вынуждены окислять большое количество CO: на биосинтетические процессы в разных условиях роста идет от 2 до 16% углерода CO.

Окисление CO карбоксидобактериями осуществляется с участием по крайней  мере одного специфического фермента — CO-оксидазы. Это флавопротеин, в  молекуле которого содержится молибден и FeS-центры. Фермент в клетке находится  в растворимой и связанной  с мембраной форме. Растворимая CO-оксидаза локализована с внутренней стороны  ЦПМ. При росте карбоксидобактерий на CO в качестве единственного источника  углерода и энергии CO-оксидаза выполняет  следующие функции: окисляет CO до CO₂, передает электроны в дыхательную цепь и участвует в синтезе НАД-H₂ путем обратного переноса электронов.

Состав дыхательных  цепей карбоксидобактерий аналогичен таковому водородных бактерий. Для  карбоксидобактерий Pseudomonas carboxydovorans показано, что дыхательная цепь разветвлена на уровне убихинона или цитохрома b. Одна ветвь (органотрофная) содержит цитохромы b₅₅₈, c и a₁, вторая (литотрофная) — цитохромы b₅₆₁ и o. При окислении органического субстрата электроны поступают преимущественно в органотрофную ветвь цепи, при окислении H₂ и CO — в обе. Низкая энергетическая эффективность использования CO карбоксидобактериями указывает на то, что перенос электронов по цепи в этом случае приводит к функционированию, вероятно, 1 генератора Dm_H⁺.

Одним из интересных свойств карбоксидобактерий является сам факт использования ими окиси  углерода, служащей специфическим ингибитором  терминальных оксидаз, таких как  цитохромы типа a (см. рис. 94). Для некоторых карбоксидобактерий показана устойчивость к содержанию в атмосфере до 90% CO. В то же время в электронтранспортных цепях этих организмов не обнаружено необычных цитохромов. В качестве механизмов, приводящих к CO-устойчивости этих бактерий, обсуждаются: быстрая детоксикация CO с помощью окисляющего фермента; индукция ответвляющихся от основного пути CO-нечувствительных терминальных оксидаз, через которые и осуществляется перенос электронов на O₂; повышенный синтез компонентов электронтранспортной цепи; пространственное разобщение процесса окисления CO и цитохромоксидаз, чувствительных к ней.

Основными источниками  окиси углерода в природных условиях являются промышленное производство, транспорт, вулканическая деятельность и биологические процессы. Известно, что CO образуется в результате жизнедеятельности  разных организмов (бактерии, грибы, водоросли, животные, растения). Одним из путей  удаления этого токсического соединения служит использование его бактериями, и в первую очередь в наибольшей степени приспособленными для этого.

Эубактерий, восстанавливающие  сульфаты

Все разобранные  выше группы эубактерий, способных  расти хемолитоавтотрофно, относятся  к облигатным или факультативным аэробам. В отсутствие O₂ факультативные аэробы получают энергию в процессе анаэробного дыхания, используя в качестве конечных акцепторов электронов некоторые окисленные соединения, например, нитраты, фумарат и др. Группа сульфатвосстанавливающих эубактерий, насчитывающая более 40 видов, приспособилась получать энергию окислением в анаэробных условиях H₂, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат.

К сульфатвосстанавливающим эубактериям относятся организмы  с различными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками. Среди них  есть одноклеточные и нитчатые формы, неподвижные или передвигающиеся  с помощью жгутиков, а трихомные  — скольжением. Большинство имеют  клеточную стенку грамотрицательного типа. Представители рода Desulfotomaculum характеризуются способностью образовывать эндоспоры. H₂ гетерогенность группы указывает большой диапазон молярных значений ГЦ-оснований ДНК (37–67%).

Все сульфатвосстанавливающие бактерии — облигатные анаэробы. Многие из них относятся к категории  строгих анаэробов, для роста  которых требуется не только отсутствие O₂, но и низкий окислительно-восстановительный потенциал среды. В то же время некоторые штаммы проявляют устойчивость к O₂ и выживают при разной длительности аэрирования среды.

Число органических субстратов, используемых в качестве источника углерода и энергии  в процессе восстановления сульфата, достаточно велико: сахара, спирты, органические кислоты (в том числе жирные кислоты, содержащие до 18 углеродных атомов), аминокислоты, некоторые ароматические соединения. Основным неорганическим источником энергии служит H₂. Некоторые виды могут окислять CO в процессе сульфатредукции, осуществляя следующие реакции:

4CO + 4H₂O ® 4CO₂ + 4H₂, DG₀' = — 80 кДж/моль CO;

4H₂ + SO₄^2– + 2H⁺ ® H₂S + 4H₂O, DG₀' = — 152 кДж/моль SO₄^2–.

Для биосинтетических процессов при этом используются ацетат и CO₂.

Предпринимаемые в течение длительного времени  попытки показать способность сульфатвосстанавливающих эубактерий расти автотрофно в условиях окисления H₂, сопряженного с восстановлением SO₄^{2 –} , дали положительные результаты. Хемолитоавтотрофный рост обнаружен у представителей родов Desulfotomaculum, Desulfobacterium, Desulfobacter, Desulfosarcina, Desulfonema. У многих представителей группы выявлена способность в фиксации N₂.

Ассимиляция CO₂ у разных видов осуществляется по ацетил-КоА-пути (см. рис. 62) или восстановительному ЦТК (см. рис. 76).

В отношении  метаболизирования органических соединений сульфатвосстанавливающие эубактерий делят на 2 группы. К .первой относят  виды, окисляющие субстраты до ацетата  и CO₂. Вторую группу составляют организмы, полностью окисляющие органические вещества до CO₂. В первом случае окисление субстратов завершается образованием ацетил-КоА, который дальше организмами не может окисляться и преобразуется в ацетилфосфат при участии фосфотрансферазы. Из ацетилфосфата в реакции, катализируемой ацетаткиназой, возникает ацетат. Превращение ацетилфосфата в ацетат сопровождается субстратным фосфорилированием.

При полном окислении  органических соединений "судьба" ацетил-КоА разная: он может окисляться через "замкнутый" ЦТК или же по принципиально новому механизму. В этом случае происходит расщепление  С-С-связи ацетил-КоА, приводящее в  конечном итоге к образованию  двух молекул CO₂. В качестве промежуточных метаболитов идентифицированы связанные CO, метанол, формиат. Обнаружена высокая активность CO-дегидрогеназы. Все это напоминает ацетил-КоА-путь ассимиляции CO₂, описанный у ацетогенных и ряда сульфатвосстанавливающих эубактерий, но функционирующий в обратном направлении (см. рис. 62).

Сульфатвосстанавливающие  эубактерий могут получать энергию  для роста разными способами. Некоторые виды растут на средах с  органическими субстратами без  сульфатов. В этом случае единственным источником энергии служит процесс  брожения. Состав продуктов брожения довольно разнообразен. Так, пируват  сбраживается с образованием ацетата, малат — сукцината, пропионата, ацетата. Сахаролитические сульфатвосстанавливающие эубактерий сбраживают сахара до ацетата, этанола, лактата. Во всех случаях образуются также CO₂ и H₂.

Специфическим способом получения энергии, послужившим  основанием для выделения ряда эубактерий в отдельную физиологическую  группу, является сульфатное дыхание. Помимо SO₄^2– конечными акцепторами электронов могут служить и другие соединения серы (тиосульфат, сульфит, молекулярная сера). В последние годы обнаружена способность ряда сульфатвосстанавливающих эубактерий к восстановлению в энергетическом процессе нитратов и нитритов до аммония, селената до селенита (SeO₄^{2 –} ® SeO₃^{2 –} ), фумарата до сукцината, а также CO₂. В последнем случае это приводит к синтезу ацетата.

Таким образом, основные способы существования  сульфатредуцирующих эубактерий включают хемоорганотрофию (источники энергии  — брожение или окисление органических субстратов в процессе сульфатного  дыхания) или хемолитотрофию (источник энергии — анаэробное окисление H₂ с акцептированием электронов на SO₄^{2 –} ) в сочетании с конструктивным метаболизмом гетеротрофного или автотрофного типа.

Процесс получения  энергии в результате сульфатного  дыхания состоит из трех этапов: отрыв электронов от энергетического  субстрата; перенос их по дыхательной  цепи; присоединение к веществам, функционирующим в качестве конечных акцепторов электронов.

У сульфатвосстанавливающих эубактерий этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют различные субстратные дегидрогеназы (лактат-, пируват-, этанолдегидрогеназы) и гидрогеназы. Активные гидрогеназы, локализованные в цитоплазме и/или  связанные с мембранами, обнаружены у многих представителей этой группы.

С помощью этих ферментов электроны передаются в дыхательную цепь. В качестве компонентов электронтранспортной цепи идентифицированы FeS-белки (ферредоксины, рубредоксин), флаводоксин, менахинон, цитохромы типа b, c. Особенностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих эубактерий является высокое содержание низкопотенциального цитохрома c₃ (E₀' –300 мВ), которому приписывают участие в акцептировании электронов с гидрогеназы. Все перечисленные выше соединения, вероятно, принимают участие в переносе электронов на SO₄^2–, но точная их последовательность и локализация на мембране не установлены. Получены данные, указывающие на то, что окисление H₂ происходит на наружной стороне мембраны, а реакция восстановления SO₄^2– — на внутренней. Из этого следует, что окисление H₂, сопряженное с восстановлением SO₄^2–, связано с трансмембранным окислительно-восстановительным процессом. Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается генерированием Dm_H⁺. На это указывает чувствительность процесса к веществам, повышающим проницаемость мембраны для протонов и делающим, таким образом, невозможным образование протонного градиента, а также к ингибиторам мембрансвязанной протонной АТФ-синтазы.

Последний этап, заключающийся в акцептировании сульфатом электронов с помощью  серии редуктаз, представляет собой  собственно диссимиляционную сульфатредукцию.

Известно восстановление сульфата до сульфида, входящего в  состав серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин, метионин), в конструктивном метаболизме большинства эубактерий. Оно имеет место всегда при  выращивании бактерий на среде, где  источником серы служат сульфаты. Активность процесса ограничена потребностями  клетки в серосодержащих компонентах, а они невелики. Ассимиляция сульфата начинается с его активирования  с помощью АТФ в реакции, катализируемой АТФ-зависимой сульфурилазой:

SO₄^2– + 2H⁺ + АТФ ® АФС + ФФ,

где АФС —  аденозинфосфосульфат, а ФФ — пирофосфат.

У многих бактерий аденозинфосфосульфат подвергается еще  одному фосфорилированию с участием АТФ, в результате которого образуется фосфоаденозинфосфосульфат. Затем  аденозинфосфосульфат (или его фосфорилированное  производное) восстанавливается с  образованием сульфита в реакции, катализируемой соответствующей редуктазой:

АФС + 2е ^– ® АМФ + SO₃^{2 –} .

Последующее восстановление сульфита до сульфида осуществляется с помощью ассимиляционной сульфитредуктазы, катализирующей перенос 6 электронов на сульфит без образования каких-либо свободных промежуточных соединений:

SO₃^{2 –} + 6e^– + 6H⁺ ® S^2– + 3H₂O.

Основные отличия  диссимиляционной сульфатредукции  от ассимиляционной сводятся к следующему: диссимиляционное восстановление сульфата присуще только узкому кругу высокоспециализированных эубактерий: активность процесса диссимиляционной сульфатредукции намного выше, чем ассимиляционной, следствием чего является накопление в среде больших количеств H₂S; наконец, различны механизмы обоих процессов.

До стадии образования  аденозинфосфосульфата и его  последующего восстановления до сульфита оба процесса идут одинаково. Механизм восстановления SO₃^{2 –} до H₂S при диссимиляционной сульфатредукции до конца не выяснен. Обсуждаются два пути. Согласно первому из них восстановление сульфита до сульфида (как и при ассимиляционном восстановлении сульфата) катализируется одним ферментом. Более вероятен второй путь, по которому этот процесс протекает трехступенчато с участием сульфит-, тритионат- и тиосульфатредуктазы и сопровождается образованием тритионата (S₃O₆^{2 –} ) и тиосульфата (S₂O₃^{2 –} ) в качестве свободных промежуточных продуктов:

3SO₃^2– + 2e^– ® S₃O₆^{2 –} ; (1)

3S₃O₆^2– + 2e^– ® S₂O₃^2– + SO₃^{2 –} ; (2)

3S₂O₃^2– + 2e^– ® S^2– + SO₃^2–; (3)

При этом в реакциях 2 и 3 регенерируется сульфит, служащий субстратом реакции 1.

Не исключено, что у разных представителей группы восстановление сульфита до сульфида происходит по одно- или трехступенчатому пути.