Microbiology

Под фотосинтезом понимают происходящее в клетках фототрофных организмов преобразование световой энергии в биохимически доступную энергию (АТР) и восстановительную силу [NAD(P)H₂], а также свя занный с этим синтез клеточных компонентов. Фотосинтетическое фос-форилирование и фотосинтетическое восстановление пиридиннуклеоти-да-это процессы, ведущие к образованию первых стабильных продук тов фотосинтеза.

 К такому пониманию пришли в результате экспериментальных и теоретиче ских исследований, основанных главным образом на сравнении фотосинтеза у фототрофных бактерий и у зеленых растений. После того как Виноградский (1888) установил, что для некоторых бактерий источником энергии при ассими ляции С0₂отнюдь не всегда служит свет, а Энгельман (1883-1888) на основании своих физиологических исследований отнес пурпурные бактерии к фототрофныморганизмам, Будер (1919) показал, что эта группа бактерий обладает новым, не известным ранее типом метаболизма. Серные и несерные пурпурные бактерии ассимилируют С0₂ или органические вещества на свету. Однако такого рода фотосинтез существенно отличается от фотосинтеза высших растений: 1) вода здесь не может служить донором водорода, и поэтому такой фотосинтез не со провождается выделением 0₂; 2) бактерии используют в качестве доноров водо рода не воду, a H₂S или органические вещества.

Первичные процессы фотосинтеза протекают в тилакоидах - плоских замкнутых мембранных пузырьках, содержащихся в клетках цианобак терий и в хлоропластах водорослей и высших растений.

Тилакоидные мембраны и светособирающие пигменты (пигменты антенн). Тилакоидная мембрана содержит в себе пигментные молекулы (хлорофилл а, хлорофилл b и каротиноиды), переносчики электронов и ферменты. Подавляющее большинство молекул хлорофилла ( > 99,5%), а также дополнительные пигменты (каротиноиды, фикобили-протеины) ответственны за поглощение света и распределение энергии; они образуют систему антенны. Лишь незначительная часть хлорофил ла авыполняет роль фотохимического реакционного центра, в котором протекает собственно фотохимическая окислительно-восстановительная реакция. Пигменты антенн (светособирающие пигменты) улавливают свет и передают энергию хлорофиллу реакционного центра (Каротиноид -> Каротиноид*; Хлорофилл + Каротиноид* -> Хлоро филл* + Каротиноид). Каротиноиды выполняют также защитную функцию: при очень ярком солнечном освещении они отдают избыточ ную энергию в окружающую среду и тем самым защищают молекулы хлорофилла от фотоокисления. Система светособирающих пигментов и реакционный центр объединены в так называемую фотосинтетиче скую единицу.

Фотосинтетический транспорт электронов у анаэробных фототрофных бактерий во многих отношениях отличается от только что описанного. В аноксигенном фотосинтезе участвует только одна световая реакция; она поддерживает циклический транспорт электронов. Электроны, поки дающие цикл для восстановления NAD, не являются продуктом разло жения воды. Фотосинтез зависит от наличия в среде восстановленных субстратов и не сопровождается выделением 0₂. Собственно фотореак ция хотя и аналогична первой фотореакции у зеленых растений, однако у некоторых бактерий она приводит, вероятно, лишь к созданию про тонного потенциала и тем самым к запасанию энергии (АТР), но не к восстановлению NAD. Таким образом, нециклический перенос элек тронов (от донора электронов к пиридиннуклеотиду) здесь отсутствует. По-видимому, NADH₂ образуется в результате какой-то темновой реак ции в ходе обратного транспорта электронов, протекающего с затратой энергии.

Следует, однако, заметить, что у фототрофных бактерий между от дельными группами существуют гораздо большие различия в составе пигментов и механизмах фотосинтеза, чем у зеленых растений. В после дующем изложении мы вначале не будем касаться зеленых бактерий.

Виды, относящиеся к роду Halobacterium (Н. halobium, H. cutirubrum), со ставляют высокоспециализированную в физиологическом отношении группу бактерий. Места их естественного обитания-высококонцентрированные или насыщенные растворы солей, такие как воды Большого соленого озера в США или места, где добывают соль путем выпарива ния морской воды. Приспособленность бактерий к существованию в столь экстремальных условиях связана с тем, что концентрация соли внутри клеток так же высока, как и в окружающей среде. Оптимальный рост таких бактерий наблюдается в 3,5-5,0 М растворе NaCl. Для нор мального функционирования выделенных из клеток ферментов тоже не обходимы более чем двухмолярные концентрации соли. Галобактерии относятся к архебактериям.

Только прокариоты способны использовать запасы азота, содержащие ся в атмосфере,-фиксировать молекулярный азот. Частью самостоя тельно, а частью в симбиозе с высшими растениями они переводят инертный N₂ в органические соединения и включают его (непосред ственно или через растения) в белок, который в конечном счете попа дает в почву. В результате связывания N₂ клубеньковыми бактериями в симбиозе с растениями семейства бобовых почва ежегодно обога щается азотом в количестве 100-300 кг на 1 га. Свободноживущие азот-фиксирующие микроорганизмы вносят в почву 1-3 кг азота на 1 га в год. Кроме того, значительные количества связанного азота могут по падать в почву из атмосферы с осадками. Это дает (в зависимости от загрязненности воздуха) от 3 до 30 кг азота на 1 га в год (см. разд. 1.3). По приблизительной оценке, в 1974 г. на всем земном шаре было связано 17510⁶т азота, из них 9010⁶т на сельскохозяйственных угодьях и 40-10^бт -в промышленности по методу Габера и Боша. Большую часть азота связывают бактерии рода Rhizobium в корневых клубеньках.

До 1949 г. способность к фиксации молекулярного азота рассматрива лась как свойство, присущее лишь немногим бактериям, относящимся в основном к родам Clostridium и Azotobacter. Положение изменилось, когда начали применять метод изотопных индикаторов (¹⁵N₂), а также реакцию с восстановлением ацетилена, выявляющую нитрогеназу-фер ментный комплекс, связывающий N₂; тогда выяснилось, что такой спо собностью обладают и многие другие бактерии, в том числе большин ство аноксигенных фототрофных бактерий, многие цианобактерии, факультативные анаэробы (Klebsiella pneumoniae, Bacillus polymyxa), xe-молитоавтотрофные бактерии (Xanthobacter autotrophicus, Alcaligenes latus), метилотрофные, сульфатредуцирующие и метанобразующие бак терии.

Связывание М₂-это восстановительный процесс, и первым его продук том, который можно обнаружить, является аммиак. Процесс восстано вления происходит на ферментном комплексе - нитрогеназе. Нитрогена-за состоит из двух компонентов: белка, в состав которого входят молибден, железо и сера, и белка, содержащего железо и серу¹. Как сам фермент, так и процесс фиксации N₂ отличаются крайней чувствитель ностью к молекулярному кислороду. Это позволяет понять, почему как у свободноживущих азотфиксирующих бактерий, так и в ткани клубень ков есть особые механизмы, защищающие нитрогеназу от высокого парциального давления кислорода.

Хотя зеленые растения на протяжении многих миллионов лет синтези руют из двуокиси углерода органические соединения, сколько-нибудь заметного накопления органических веществ за это время не произо шло. Лишь небольшая их часть в условиях без доступа воздуха сохра нилась в форме сильно восстановленных соединений углерода; это нефть, природный газ и каменный уголь. В аэробных условиях все веще ства биологического происхождения подвергаются распаду. Каким бы сложным ни было то или иное вещество, в природе всегда найдется ми кроорганизм, способный полностью или частично его расщепить, а про дукты этого расщепления будут использованы другими микроорганиз мами. Таким образом, в совокупности микроорганизмы в биохимиче ском смысле «всемогущи», и это дает основание говорить об «универсальности» микробов. В настоящее время, однако, нужно внести в это утверждение некоторые коррективы. Многие из созданных челове ком низкомолекулярных веществ (ядохимикаты, детергенты и т.п.) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разла гаются микроорганизмами (насколько позволяют судить многолетние наблюдения и результаты экспериментов).

Целлюлоза является главной составной частью всякого растительного материала, и синтез ее по своим масштабам превосходит синтез всех других природных соединений. Сохраняющиеся в почве и возвращаю­щиеся в нее растительные остатки на 40-70% состоят из целлюлозы. Столь большое количество целлюлозы в природе обусловливает важ ную роль разлагающих ее микроорганизмов в процессах минерализа ции и в круговороте углерода/

Целлюлоза состоит из цепочек p-D-глюкозы со степенью полимеризации около 14000. Физические свойства целлюлозных фибрилл (особенно их механическая прочность и нерастворимость) зависят не от структуры от дельных цепочек. Цепочки должны быть связаны между собой таким образом, чтобы гидрофильные группы были скрыты (это повышает стабильность). По данным рентгеноструктурного анализа, участки, имеющие кристаллическое строение, чередуются в целлюлозе с некристаллическими участками. Целлю лозные волокна представляют собой пучки фибрилл, одетые общей оболочкой, которая содержит воск и пектин.