Microbiology

По окислительно-восстановительному потенциалу компоненты дыхательной цепи можно расположить в ряд, который начинается с NAD (наиболее отрицательный потенциал) и оканчивается цитохромоксидазой и кислородом (рис. 7.11). Хиноны и цитохромы служат вспомогательными субстратами. Эти компоненты восстанавливаются водородом, доставляемым различными донорами. Получаемый через NAD водород с помощью NADH-дегидрогеназы переносится на хинон; аналогичным образом на хинон переносится водород от сукцината (через сукцинатдегидрогеназу) и водород, полученный при дегидрировании жирных кислот (через другие специфические дегидрогеназы). Хинон служит сборным резервуаром водорода из субстратов в дыхательной цепи. Некоторые из ферментов, участвующих в переносе водорода, содержат FMN или FAD, а также железосерные белки.

Дыхательная цепь ингибируется или блокируется различными клеточными ядами. Амитал, ротенон и пиерицидин А подавляют активность NADH-дегидрогеназы; антимицин А блокирует перенос электронов между цитохромами b и с. Цианид и окись углерода ингибируют только цитохромоксидазу; в цитохроме с ион железа, по-видимому, так спрятан в глубине белка, что не взаимодействует ни с CN ", ни с СО. Специфическое действие этих ядов и изменения характерных спектров поглощения компонентов дыхательной цепи послужили индикаторами, с помощью которых была изучена эта цепь.

Рассмотрение окислительно - восстановительных потенциалов (табл. 7.4) показывает, что в дыхательной цепи имеются только три этапа окисления, на которых освобождается по меньшей мере столько энергии, сколько содержится в одной «высокоэнергетической» связи. При переносе 2 [Н] от NADH₂ на кислород только три электронных перехода могут быть сопряжены с фосфорилированием ADP в АТР, так что в лучшем случае лишь три молекулы фосфата могут быть включены в органическое соединение. Эту связь окисления с фосфорилированием обычно выражают в виде коэффициента Р/О (число молекул АТР, образующихся на 1 атом затраченного кислорода). Для митохондрий животных, используя в качестве доноров водорода изоцитрат или малат (переносящие свой водород на NAD), можно экспериментально получить коэффициент Р/О, равный 3; для сукцината, от которого водород может быть включен в цепь дыхания только на уровне флавопротеинов, коэффициент Р/О составляет лишь 2.

Регенерация АТР при фосфорилировании в дыхательной цепи и фотосинтетическом фосфорилировании протекает в мембранах. АТР-синтаза, так же как и компоненты дыхательной цепи, является составной частью мембраны. Каким образом происходящий в дыхательной цепи перенос водорода и электронов сопряжен с синтезом АТР, до конца еще не выяснено. Однако многочисленные эксперименты показали, что регенерация АТР происходит только в пространствах, окруженных со всех сторон мембранами, - в пузырьках, или везикулах. Процессы переноса водорода и электронов теснейшим образом сопряжены с перемещением протонов, а этот процесс в свою очередь необходим для регенерации АТР.

Добавляя молекулярный кислород к суспензии аэробных бактерий или митохондрий, находившихся перед тем в анаэробных условиях, можно заметить снижение рН среды. Это позволяет заключить, что во время дыхания из бактериальных клеток и митохондрий выводятся протоны (рис. 7.12, А и Б). Если из мембран бактерий или митохондрий приготовить пузырьки, у которых прежняя внутренняя сторона обращена наружу (вывернутые везикулы), то при дыхании будет наблюдаться «обращенный» перенос протонов, приводящий к подщелачиванию суспензионной среды (рис. 7.12, В).

Синтез АТР из ADP и неорганического фосфата (Р;) катализируется АТР-синтазой. Этот фермент преобразует доставляемую потоком электронов энергию в энергию фосфоэфирных связей АТР. Фермент найден во всех мембранах, участвующих в преобразовании энергии, а именно в мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий. Он достаточно велик (мол. масса 350*10³) и имеет сложное строение (рис. 7.12,Г) - состоит из головки, построенной из не скольких субъединиц, ножки и основания; последнее погружено в липидный слой плазматической мембраны. АТР-синтаза катализирует присоединение фосфата к ADP с отщеплением молекулы воды, в результате чего образуется АТР. Каким образом поток протонов или протонный градиент осуществляет эту реакцию фосфорилирования, пока еще неизвестно; возможно, что протоны по какому-то каналу или поре в молекуле фермента оттекают обратно внутрь митохондрии или бактерии, а освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования.

Особые проблемы встают перед бактериями, использующими такой донор электронов, у которого окислительно-восстановительный потенциал более положителен, чем у пиридиннуклеотидов. Восстановленные пиридиннуклеотиды необходимы для процессов синтеза, в частности для восстановления 3-фосфоглицерата при автотрофной фиксации СО₂. Поэтому восстановление пиридиннуклеотидов требуется и в тех случаях, когда донорами электронов служат сульфид, тиосульфид, сера, нитрат или Fe^2 +. Так как прямое восстановление NAD такими донорами невозможно по термодинамическим причинам, приходится предположить, что NAD восстанавливается здесь путем переноса электронов в обратном направлении за счет энергии АТР и что регенерация АТР происходит только на конечном (кислородном) участке дыхательной цепи. Такой АТР-зависимый обратный транспорт электронов, сопровождающийся восстановлением NAD, уже обнаружен у Nitrobacter и Thiobacillus.

Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому нужен всем аэробным организмам. Еще со времен Пастера, изучавшего образование масляной кислоты бактериями, известно, что кислород токсичен для строго анаэробных видов. Неожиданностью явилось то, что кислород может оказывать токсическое действие и на аэробные организмы. Поэтому у большинства организмов имеются ферменты, способные защищать клетку от токсичных продуктов, образующихся из О₂.

 В анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода, хемоорганотрофные организмы могут получать биохимическую энергию (в форме АТР) двумя способами - путем брожения и путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. В распоряжении организмов, осуществляющих брожение, имеется мало реакций, служащих для синтеза АТР. Это реакции фосфорилирования на уровне субстрата.

Если во время роста клеток промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот используются в биосинтетических процессах, недостаток этих продуктов компенсируется восполняющими (анаплеротическими) реакциями. Одна из функций таких реакций - регенерация оксалоацета та, из которого в результате взаимодействия с ацетилкоферментом А образуется цитрат.

Когда субстратом для роста клетки служит глюкоза, этот сахар используется для синтеза всех клеточных компонентов, содержащих глюкозу, рибозу, дезоксирибозу и другие производные сахаров. В этом случае анаплеротические реакции обеспечивают прежде всего бесперебойную работу цикла трикарбоновых кислот. При росте микроорганизмов на среде с лактатом, пируватом, ацетатом, глиоксилатом и другими углеродными соединениями дополнительные метаболические пути необходимы не только для поддержания цикла трикарбоновых кислот, но и для образования промежуточных продуктов, используемых при биосинтезе сахаров (глюконеогенезе).