Клітини с ульфатновідновлюючих бактерій

Сульфат під час асиміляції відновлюється для включення  сірки в органічні сполуки,оскільки в живих організмах сірка трапляється  майже винятково в відновленій  формі в вигляді сульфгідрильних (-SH) чи дисульфідних (-S-S-) груп. У обох випадках асимілюється саме стільки поживних сірковмісних речовин, скільки їх потрібно для росту організму, тому жодні відновлені продукти метаболізму сірки не виділяються в навколишнє середовище. В результаті біосинтезу сірка головно входить до сірковмісних амінокислот – цистину, цистеїну, метіоніну .

 

У разі асиміляційної сульфатредукції  метаболізм сульфату також ініційований

АТФ-сульфурилазою; в асиміляційних  шляхах АФС піддається прямому відновленню, як у дисиміляційній сульфатредукції, або фосфорилюванню до 3′-фосфоаденозин-5′-фосфосульфату (ФАФС) перед відновленням , унаслідок чого утворюється сульфіт, який далі відновлюється за допомогою асиміляційної сульфітредуктази .                                      До відновлення сірки здатні кілька неспоріднених між собоювидів та родів мікроорганізмів: Wolinella succinogenes (родина Helicobacteriaceae порядку Campylobacterales класу Epsilonproteobacteria лінії Proteobacteria), Sulfurospirillum deleyanium (родина Campylobacteriaceae порядку Campylobacteriales), Desulfurella (родина Desulfurellaceae порядку Desulfurellales класу Deltaproteobacteria лінії Proteobacteria), Desulfuromonas (родина Desulfuromonadaceae порядку Desulfuromonadales

класу Deltaproteobacteria), Pyrodictium (родина Pyrodictiaceae порядку Desulfurococcales класу Thermoprotei лінії Crenarchaeota домену Archaea), Pyrococcus furiosus (родина Thermococcaceae порядку Thermococcales класу Thermococci лінії Euryarchaeota домену Archaea) та ін..

На відміну від сульфату, молекулярна сірка хімічно реакційноздатніша і не потре-

бує енергозалежної активації  перед відновленням. Проте вона має  дуже малу розчинність у воді (5 мг/л при 25 ºС ). Тому дискусійним є питання про те, чи може елементарна сірка відігравати роль субстрату для сульфурредуктази. З більшою імовірністю в водному середовищі може бути так звана гідрофільна сірка – елементарна сірка, асоційована з малими кількостями оксосполук, таких як політіонати (-O3S-Sn‾SO3-), які мають деяку розчинність . За наявності сульфіду є інша можливість для розчинення сірки. У водних розчинах сульфіду S8-кільце елементарної сірки розщеплюється внаслідок нуклеофільної атаки HS--аніона, й утворюються полісульфіди .

 

У середовищах з рН≈7 переважними  видами полісульфідів є тетрасульфід та пентасульфід. Ці два полісульфіди перебувають у динамічній рівновазі між собою, а також з меншими концентраціями інших полісульфідів. Проте невідомо, який з цих двох полісульфідів є панівним субстратом для полісульфідредуктази .

Однак є бактерії, що ростуть  з використанням сірки за неможливості її розчинен-

ня в вигляді полісульфідів .Найліпше процес відновлення сірки досліджений у Wolinella succinogenes. Ця бактерія здатна відновлювати сірку навіть без розчинних полісульфідів . У цьому разі сірка перед відновленням зв’язується з Sud-протеїном .

 

Фермент, що каталізує відновлення  полісульфіду до сульфіду, називають полісульфідредуктаза (Psr). Він кодований полісульфідредуктазним опероном (psrABC). Полісульфідредуктаза – це гетеротример, що складається з трьох субодиниць: PsrA, PsrB та PsrC .

Добре вивчене відновлення сірки в деяких археїв, зокрема, у роду Pyrodictium та

виду Pyrococcus furiosus. Рід Pyrodictium росте хемолітотрофно завдяки сірковому диханню за температури близько 100ºС . Із мембранної фракції Pyrodictium abyssi виділено гідроген:сульфуроксидоредуктазний комплекс. Він складається з дев’яти поліпептидів і має молекулярну масу приблизно 520 кДа. Вважають, що він має гідрогеназну та сульфурредуктазну активність і містить переносники електронів; молекулярна структура комплексу забезпечує запасання енергії в процесі відновлення сірки за допомогою водню . Організація різних компонентів у такий великий ферментний комплекс може забезпечувати стабілізацію компонентів, що взаємодіють, і є прикладом стратегії гіпертермофілів щодо сіркового дихання за температур, близьких до 100 ºС .

 

У Pyrococcus furiosus сірку відновлюють два різні ферменти – сульфгідрогеназа

та сульфіддегідрогеназа. Сульфгідрогеназа може відновлювати як сірку, так і полісульфіди, а також окиснювати Н2. Сульфіддегідрогеназа каталізує відновлення полісульфіду до Н2S з НАДФН як донора електронів.

Деякі сульфат- та сірковідновлювальні  бактерії здатні відновлювати сульфіт та тіосульфат. Проте є також бактерії, що не здатні відновлювати ні сульфатів, ні сірки, але здатні відновлювати інші сполуки сірки .

Є інформація про відновлення  тетратіонату та тіосульфату бактеріями, що невідновлюють сульфатів і  сірки . Відновлення цих сполук сірки  особливо поширене серед ентеробактерій. Часто здатність відновлювати тетратіонат і тіосульфат збігається, що пояснюють наявністю спільної редуктази для обох сполук . Тетратіонат спочатку відновлюється до тіосульфату . Здатність до відновлення тіосульфату та сульфіту описана в деяких морських псевдомонад та мезофільних і термофільних сахаролітичних клостридій . Тіосульфат здатні також відновлювати археї виду Archaeoglobus veneficus. Відновлення тіосульфату, сульфіту та тетратіонату не завжди відіграє роль запасання енергії .

Вивільнення сірки  з органічних сполук відбувається у процесі мінералізації. В

цьому разі сірка вивільняється в неорганічній відновленій формі у вигляді H2S. У вивільненні сірки з органічних сполук (продуктів метаболізму живих організмів, відмерлих рослинних і тваринних решток) беруть участь мікроорганізми-амоніфікатори. Унаслідок амоніфікації сірковмісні білки і нуклеїнові кислоти розкладаються з утворенням СО2, сечовини, органічних кислот, амінів, H2S і меркаптанів. Меркаптани в аеробних умовах також окиснюються з виділенням H2S.

Сполуки сірки можуть бути окиснені двома фізіологічними групами мікроорганізмів – хемотрофними та фототрофними сіркобактеріями.

Хемотрофні  сіркові бактерії, або безбарвні сіркові бактерії, здатні окиснювати

сірководень, сульфіди металів, полісульфіди, політіонати та тіосульфат. Філогенетично вони дуже різноманітні. Більшість відомих родів належить до лінії Proteobacteria домену Bacteria (Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiosphaera, Achromatium, Paracoccus, Pseudomonas і ін.) та інших ліній домену Bacteria (Hydrogenobacter), два роди –Sulfolobus та Acidianus – до родини Sulfolobaceae порядку Sulfolobales класу Thermoprotei лінії Crenarchaeota домену Archaea.

Ці бактерії головно мають великі розміри (до 200 мкм у діаметрі), їхні клітини

можуть містити видимі під мікроскопом включення сірки . За формою клітин вони бувають паличко-, коко-, спіралеподібними, нитчастими .

 

Більшість безбарвних сіркобактерій  окиснює відновлені сполуки сірки  до сульфату; небагато видів здатні до неповного їх окиснення. Проміжними продуктами окиснення є молекулярна  сірка, тіосульфат та тетратіонат.

 

За типом живлення безбарвні  сіркобактерії можуть бути облігатними  та факультативними хемолітоавтотрофами, хемолітогетеротрофами та хемоорганогетеротрофами.

 

Облігатні хемолітоавтотрофи  – це високоспеціалізовані бактерії, що потребують неорганічного джерела  енергії та отримують вуглець  завдяки засвоєнню вуглекислого

газу. Фіксація СО2 відбувається у циклі Кальвіна , за винятком архебактерій, які використовують відновний цикл Кребса . До облігатних хемолітоавтотрофів нале-

жать багато видів Thiobacillus, щонайменше по одному виду Sulfolobus та Hydrogenobacter, та всі відомі види Thiomicrospira .

 

Факультативні хемолітоавтотрофи  можуть рости або хемолітоавтотрофно з використанням неорганічного  джерела енергії та вуглекислого газу, або гетеротрофно з використанням  органічних сполук як джерел вуглецю  та енергії, або міксотрофно. Типовими прикладами цих бактерій є тіобацили, Thiosphaera pantotropha, Paracoccus denitrificans та окремі види Beggiatoa . Хемолітогетеротрофи – це малодосліджена група бактерій, що здатна продукувати енергію внаслідок окиснення відновлених сполук сірки і нездатністю фіксувати вуглекислий газ . До них належать декілька штамів Thiobacillus, та Beggiatoa.

 

Хемоорганогетеротрофи можуть окиснювати відновлені сполуки сірки, не отри-

муючи енергії (деякі види Beggiatoa, Macromonas, Thiobacterium, Thiothrix) .

 

Біохімічний механізм окиснення відновлених сполук сірки ще не повністю з’ясо-

ваний. Вивчення шляхів окиснення  сполук сірки ускладнює їхня висока реакційноздатність, через яку відбувається спонтанне окиснення продуктів в аеробних умовах. Крім того, немає чутливих аналітичних методів визначення цих сполук; у процесі приготування безклітинних екстрактів активність деяких ферментів метаболізму сірки, очевидно, втрачається. Ймовірно, існують різні шляхи окиснення сірки.

 

Джерелом енергії для  росту безбарвних сіркових бактерій можуть бути неоргані-

чна сірка в різній формі і з різним ступенем окиснення (H2S (-2), S8 (0)) та складніші сірковмісні речовини, такі як полісульфонові кислоти (H-Sn-H), моно- і дисульфонові органічні кислоти (H-Sn-R, R-Sn-R), політіонати (-O3S-Sn-SO3-) і полісульфіди (-S-Sn-S-). Найвідоміші політіонати – це тіосульфат (-O3-SO3-) та тетратіонат (-O3S-S-S-SO3-). Водорозчинні сульфіди, такі як Na2S, у воді протонуються з утворенням HS- і H2S. Сульфідіон S2- утворюється лише при рН > 14. Як уже згадано, молекулярна сірка розчиняється в розчинах, що містять гідросульфід-іон з утворенням полісульфідів.

 

Ацидо- й нейтрофільні сіркобактерії  окиснюють сполуки сірки різними  шляхами. Відмінності стосуються головно перетворень політіонатів (тетратіонату та тритіонату) і тіосульфату. Принаймні у деяких ацидофільних видів проміжним продуктом окиснення сполук сірки є тетратіонат, тоді як у деяких нейтрофілів це може бути тіосульфат, який далі гідролізується до молекулярної сірки і сульфіту. Поки що точно невідомо, чи в цьому процесі справді утворюється сірка, чи продуктом гідролізу тіосульфату є сірка в комплексі з органічними сполуками або полісульфіди. У деяких тіосульфатокиснювальних бактерій цей процес виконує мембранозв’язаний ферментний комплекс, у складі якого є щонайменше два ферменти (оксидредуктази) та цитохроми. Він перетворює тіосульфат у сульфат, у цьому разі будь-яких проміжних продуктів у вільному вигляді не виявлено. У більшості сіркобактерій електрони надходять у дихальний ланцюг на рівні цитохрому с, тоді як у денітрифікувальних бактерій (Thiobacillus denitrificansі Thiomicrospira denitrificans) електрони, можливо, передаються від тіосульфатуна цитохром b.

 

Одним з природних субстратів для сіркобактерій є молекулярна сірка, що в при-

роді переважно трапляється  в формі S8. Перший етап її метаболізму полягає, очевидно, в утворенні розчинного чи зв’язаного з клітиною (органічного) полісульфіду. Наразі не зрозуміло, чи сірку окиснює оксидоредуктаза, що передає електрони в дихальний ланцюг, чи оксигеназа (моно- або діоксигеназа), що каталізує включення кисню безпосередньо в субстрат з утворенням сульфіту. У Thiobacillus сірка, можливо, спочатку відновлюється до сульфіду, який потім окиснюється до сульфіту.

 

Є два шляхи окиснення  сульфіту: пряме окиснення, можливо, молібденовмісною сульфіт: акцептороксидоредуктазою, і непряме АМФ-залежне окиснення через аденозин-5'-фосфосульфат. У процесі непрямого окиснення сульфіту АФС утворюється з сульфіту та АМФ АФС-редуктазою. На другому етапі відбувається перенесення АМФ з АФС або на пірофосфат АТФ-сульфурилазою з утворенням АТФ, або на фосфат  аденілілсульфат: фосфатаденілілтрансферазою з утворенням АДФ. Оскільки АДФ може перетворювати до АТФ та АМФ аденілаткіназа, то обидва ферменти каталізують субстратне фосфорилювання.

 

Фототрофні  сіркові бактерії – це специфічна група мікроорганізмів, що виконує аноксигенний фотосинтез, використовуючи різні відновлені сполуки сірки як донори електронів. Найчастіше продуктами окиснення відновлених сполук сірки є сульфат і

молекулярна сірка. Сірка  може накопичуватися всередині клітин .

 

Фототрофні сіркобактерії  належать до трьох ліній домену Bacteria – Chloroflexi,

Chlorobi та Proteobacteria. Їх поділяють на пурпурові та зелені. Вони відрізняються між собою за складом пігментів фотосинтезу та будовою фотосинтетичного апарату .

 

Морфологічно фототрофні сіркобактерії різноманітні. Серед  них є сферичні, паличкоподібні та звивисті форми, а також організми, клітини яких мають вирости

(простеки). Деякі фототрофні  бактерії утворюють різноманітні, інколи цілком характерні агрегати клітин у вигляді ланцюжків і пластинок, часто оточених слизом. Розміри фототрофних бактерій становлять 1–2×50 мкм і більше. Найбільші форми трапляються серед пурпурових бактерій. Розміри зелених сіркобактерій – 0,3–1,2×0,7–2,7 мкм; усі вони нерухомі. Розмножуються бінарним поділом. У цьому разі клітини інколи залишаються з’єднаними у ланцюжки різної форми і довжини. Особливо часто утворення таких ланцюжків, оточених слизистим чохлом, фіксують у Clorobium limicola. У Pelodictyon clathratiforme простежено формування сітчастих мікроколоній, що складаються з окремих клітин. Ендоспор фототрофні сіркобактерії не утворюють. За Грамом забарвлюються негативно . У пурпурових сіркових бактерій фотосинтетичні пігменти нековалентно зв’язані з інтегральними білками внутрішніх мембран. Пігментово-білкові комплекси утворюють олігомерні структури, що забезпечують оптимальний шлях перенесення енергії на реакційний центр.

У зелених сіркобактерій  фотосинтетичні пігменти локалізовані у хлоросомах –

багатих на ліпіди везикулах видовженої форми, що локалізовані в цитоплазмі і зв’язані з плазматичною мембраною через базальну пластинку, яка має кристалічну структуру. Хлоросома відокремлена від цитоплазми одинарною мембраною, в складі якої є білки. Всередині хлоросома заповнена пучками паличкоподібних структур, що містять бактеріохлорофіли c, d і e. Базальна пластинка містить, очевидно, бактеріохлорофіл а.

 

У фототрофних бактерій є  два типи реакційних центрів – РЦ І і РЦ ІІ. Вони відрізняються між собою кінцевими акцепторами електронів. Реакційні центри типу ІІ наявні у пурпурових сіркобактерій та зелених бактерій роду Chloroflexus. Реакційні центри типу І є у всіх інших зелених сіркобактерій.

Пурпурові та зелені сіркобактерії  також відрізняються за способом утворення від-