Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

У сульфатвосстанавливающих эубактерий обнаружены 3 типа сульфитредуктаз, участвующих в диссимиляционных процессах. Все они содержат сходные  простетические группы, имеющие гемоподобную структуру и названные сирогемом. Простетические группы в белковом комплексе  находятся в разном окружении, что  и приводит к различиям в спектральных свойствах сульфитредуктаз. Подобные простетические группы не найдены в  ферментах какого-либо иного типа.

Как можно видеть из разобранного выше процесса, окисление H₂, сопряженное с восстановлением SO₄^{2 –} до H₂S, происходит с образованием и потреблением полезной энергии. (Последнее имеет место при активировании сульфата.) Поэтому для общего положительного энергетического баланса необходимо, чтобы перенос электронов сопровождался функционированием не менее 2 генераторов Dm_H⁺. При использовании в качестве энергетических субстратов органических соединений в присутствии сульфата часть АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования, внося определенный вклад в общий энергетический метаболизм этих бактерий.

Сульфатвосстанавливающие  эубактерий широко распространены в  анаэробных зонах водоемов разного  типа, почвах и пищеварительном тракте животных. Часто они развиваются  вместе с пурпурными и зелеными серобактериями, использующими в качестве донора электронов возникающий при сульфатредукции  сероводород. Сульфатвосстанавливающим эубактериям принадлежит ведущая  роль в образовании сероводорода в природе, в отложении сульфидных минералов. Накопление в среде H₂S часто приводит к отрицательным последствиям: в водоемах — к гибели рыбы, в почвах — к повреждению растений. С активностью сульфатвосстанавливающих эубактерий связана также коррозия в анаэробных условиях различного металлического оборудования.

ГРУППЫ ХЕМООРГАНОТРОФНЫХ  ЭУБАКТЕРИЙ

Большинство эубактерий используют в качестве источника  энергии различные органические соединения, осуществляя их полное окисление до CO₂ и H₂O. Функционирующие у них системы извлечения энергии из органических субстратов состоят из нескольких взаимосвязанных механизмов. Рассмотрим пути, приводящие к получению энергии, на примере одного из представителей этой группы — Е. coli. Основное количество сахаров (~70%) катаболизируется у Е. coli по гликолитическому пути, в результате чего из 1 молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы пирувата, АТФ и НАД-H₂. Превращение остального количества сахара осуществляется по окислительному пентозофосфатному циклу, один оборот которого приводит к синтезу 1 молекулы пентозофосфата, 2 молекул НАДФ-H₂ и выделению 1 молекулы CO₂. Наконец, ряд субстратов (глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты) метаболизируются по пути Энтнера–Дудорова, что приводит к образованию 2 молекул пирувата и по 1 молекуле АТФ, НАД-H₂ и НАДФ-H₂.

Молекулы пирувата после их окислительного декарбоксилирования  поступают в ЦТК, где происходит их полное окисление, приводящее к выделению 2 молекул CO₂, синтезу 3 молекул НАД-H₂ и 1 молекулы ФАД-H₂. В отличие от гликолиза и пути Энтнера — Дудорова окислительный пентозофосфатный цикл может обеспечить полное окисление исходного субстрата. Вторая особенность этого пути — отсутствие реакций, сопряженных с синтезом АТФ по механизму субстратного фосфорилирования.

Таким образом, функционирование гликолиза и пути Энтнера — Дудорова совместно  с ЦТК, а также окислительного пентозофосфатного цикла приводит к полному окислению исходных субстратов углеводной природы. Электроны  с переносчиков поступают в дыхательную  цепь (см. рис. 95, В) и в зависимости от условий могут передаваться на молекулярный кислород или другие конечные акцепторы (фумарат, нитрат). Кроме того, Е. coli в анаэробных условиях в отсутствие подходящего акцептора может получать энергию, осуществляя брожение, основным продуктом которого является этанол.

Если исходными  субстратами служат не сахара, а  вещества другой химической природы, их превращение на первом этапе приводит к возникновению соединений, которые  в дальнейшем катаболизируются по одному из основных описанных выше путей.

Биохимическое изучение широкого круга дышащих  хемоорганотрофных эубактерий показало, что функционирующие у них  системы получения энергии в  принципе аналогичны описанной выше, различаясь определенными деталями: наличием одного или больше катаболических путей, составом переносчиков дыхательной цепи, природой используемых конечных акцепторов электронов и т. д. Складывается впечатление, что природа, создавая наиболее совершенную систему извлечения энергии из органических субстратов, на уровне прокариот опробовала сочетание разных механизмов, прежде чем остановиться на чем-то определенном.

У эубактерий, использующих органические соединения в качестве доноров электронов, мы также встречаемся  с такими способами получения  энергии, которые у высших форм жизни  не встречаются. Остановимся на некоторых  группах эубактерий, характеризующихся  специфическими типами энергетических процессов.

Метилотрофы

Среди прокариотных и эукариотных микроорганизмов  довольно широко распространена способность  использовать для роста многие соединения, содержащие один атом углерода, более  восстановленные, чем CO₂, а также соединения, содержащие больше одного углеродного атома, но не имеющие С-С-связей. К веществам первого типа относятся окись углерода (CO), метан (CH₄), метанол (CH₃OH), формальдегид (HCOH), муравьиная кислота (HCOOH), метиламин (CH₃NH₂), хлорметан (CH₃Cl), цианистый калий (KCN) и др. Примером соединений второго типа служат ди- и триметиламины [(CH₃)₂NH, (CH₃)₂N], диметилсульфид [(CH₃)₂S], метилформиат (CH₃COOH)⁶⁸ и др. Обычно такие соединения называются одноуглеродными, или C₁-соединениями. В большинстве из них углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие эти соединения, получили название метилотрофов.

⁶⁸ Структурная формула метилформиата:

Использовать C₁-соединения могут многие аэробные и анаэробные прокариоты. Среди анаэробов такой способностью обладают, например, сульфатвосстанавливающие эубактерий, метанобразующие архебактерии, многие типичные хемо- и фототрофные эубактерии. К метилотрофам относят облигатно аэробные эубактерии, обладающие способностью использовать в качестве единственного источника углерода и энергии одноуглеродные соединения. Круг таких организмов широк. Это различные грамположительные и грамотрицательные формы — представители Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Protaminobacter, Arthrobacter, Nocardia и др.

В отношении  способа питания различают две  основные группы метилотрофов: факультативные и облигатные. Факультативные метилотрофы  наряду с одноуглеродными могут  использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Группа облигатных метилотрофов включает эубактерии, использующие только одноуглеродные соединения.

В IX издании Определителя бактерий Берги облигатные и факультативные метилотрофы выделены в семейство Methylococcaceae, включающее роды Methylococcus и Methylomonas. Основной признак, принятый во внимание при выделении в это семейство, — способность использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии в аэробных или микроаэробных условиях.

Метилотрофы, отнесенные к семейству Methylococcaceae, грамотрицательные  эубактерии с разной морфологией  и размерами клеток, подвижные  или неподвижные. Некоторые штаммы образуют цисты. Характерной особенностью при росте на метане является наличие в клетке развитой системы внутрицитоплазматических мембран, которые могут быть разделены на два типа: внутрицитоплазматические мембраны I типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных по всей цитоплазме; внутрицитоплазматические мембраны II типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки.

Помимо метана в качестве единственного источника  углерода и энергии облигатные метилотрофы  могут использовать метанол, формальдегид и другие C₁-соединения, а факультативные — также C₂-, C₄-кислоты, этанол, глюкозу. Использование метилотрофами C₁-соединений в конструктивном и энергетическом метаболизме привело к формированию у них специфических путей ассимиляции и диссимиляции этих соединений.

Процесс полного  окисления метана может быть представлен  в виде следующей схемы (рис. 99).

Первый этап — окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:

CH₄ + O₂ + H₂A ® CH₃OH + A + H₂O.

где O₂ — молекулярный кислород, а H₂A — восстановитель. Из приведенной реакции становится понятной облигатная зависимость окисления метана от молекулярного кислорода.

Описаны две  формы метанмонооксигеназы: связанная  с внутрицитоплазматическими мембранами и растворимая. Донором электронов для первой предположительно может  быть восстановленный цитохром с или НАД-H₂, образующийся в результате обратного электронного транспорта, для второй — только НАД(Ф)-H₂ или соединения, которые окисляются с его образованием. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.

Формальдегид  у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида  превращается в вещества клетки по специфическим для этих эубактерий ассимиляционным циклическим путям, большая часть окисляется до CO₂ в линейной последовательности реакций через формиат.

Дыхательные цепи метилотрофов по составу переносчиков и их локализации на мембране похожи на таковые большинства аэробных эубактерий, что предполагает возможность  функционирования у них трех пунктов  сопряжения. В окислитель-ком метаболизме C₁-соединений участвуют НАД, флавины, хиноны, цитохромы типа b, c, a, o.

Этап окисления  метана до метанола, катализируемый оксигеназным ферментом, не связан с получением клеткой  энергии. Энергетическая эффективность  окисления C₁-соединений соответствующими дегидрогеназами определяется местом поступления электронов в дыхательную цепь. Окисление метанола до формальдегида, катализируемое ферментом, содержащим в качестве простетической группы особый хинон, сопровождается передачей электронов в дыхательную цепь на уровне цитохрома c. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. указывает на функционирование только третьего пункта сопряжения (см. рис. 96).

Окисление формальдегида  и формиата, зависимое от НАД, позволяет  предполагать, что перенос пары электронов может быть связан с тремя трансмембранными перемещениями протонов. Полученные экспериментальные данные указывают, однако, на меньшие выходы АТФ. Вопрос о том, на каком уровне передаются электроны от формальдегида и  формиата в дыхательную цепь, не вполне ясен.

У метилотрофов функционируют циклические пути ассимиляции C₁-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. В восстановительном пентозофосфатном цикле (см. рис. 77) происходит ассимиляция CO₂, образующейся при окислении C₁-соединений. У метилотрофов этот путь не имеет широкого распространения и обнаружен только у представителей, способных расти автотрофно, а также у тех, кто может использовать формиат.

В рибулозомонофосфатном  и сериновом циклах обеспечивается использование в биосинтетических процессах формальдегида, образуемого  при окислении разных C₁-соединений. Первая реакция рибулозомонофосфатного пути — акцептирование формальдегида молекулой рибулозо-5-фосфата, приводящее к образованию гексулозо-6-фосфата, который изомеризуется затем во фруктозо-6-фосфат (рис. 100, А). Ферменты, катализирующие обе реакции, специфичны для данного цикла. Далее возможны разные варианты. По одному из них фруктозо-6-фосфат подвергается фосфорилированию. Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две триозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. 3-ФГА и фруктозо-6-фосфат участвуют в серии реакций, приводящих к регенерации акцептора формальдегида — рибулозо-5-фосфата. Эти реакции аналогичны таковым восстановительного пентозофосфатного цикла (см. рис. 77). Три оборота рибулозомонофосфатного цикла приводят к синтезу молекулы фосфодиоксиацетона, используемого в биосинтетических процессах.

Сериновый цикл существенно отличается от предыдущего  пути ассимиляции формальдегида  природой интермедиатов и ферментами (рис. 100, Б). Ключевая реакция этого пути — конденсация формальдегида и глицина в присутствии тетрагидрофолиевой кислоты, приводящая к образованию серина. Последний в реакции трансаминирования превращается в оксипировиноградную кислоту, последовательное восстановление и фосфорилирование которой приводит к образованию 3-ФГК. Одна часть 3-ФГК используется для синтеза вещества клетки, другая превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. Последующее карбоксилирование ФЕП приводит к синтезу молекулы щавелевоуксусной кислоты. Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовлекается CO₂. Последующая серия реакций приводит к регенерированию глицина, и цикл замыкается.