Microbiology

В результате фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов при дыхании аэробных организмов, образуется намного больше АТР, чем при фосфорилировании на уровне субстрата при брожении; поэто му неудивительно, что в процессе биохимической эволюции возник и в дальнейшем сохранился такой тип метаболизма, при котором водо род от органического субстрата переносится на «связанный кислород». При этом «носителями» кислорода могут быть нитрат, сульфат, карбо нат или другие соединения; они восстанавливаются водородом субстра та. Способность переносить электроны на эти соединения дает бакте риям возможность окислять субстраты без участия молекулярного кислорода и таким образом извлекать больше энергии, чем это возмож но при брожении.

Такого рода бактерии обладают системой переноса (транспорта) электронов и, как правило, содержат цитохромы. Получение энергии пу тем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, при уча­стии указанных выше «носителей кислорода» (вернее, конечных акцепто ров водорода) в принципе сходно с дыханием, при котором роль конечного акцептора водорода играет кислород. Но поскольку такой процесс осуществляется в анаэробных условиях, говорят об анаэробном дыхании, причем различают нитратное, сульфатное, карбонатное дыха ние и т.д. (рис. 9.1). Бактерии, способные к анаэробному дыханию с ис­пользованием неорганических акцепторов водорода (нитрат, сульфат, карбонат), играют очень важную роль как в природе, так и в хозяйстве человека.

Микроорганизмы используют нитрат для двух целей. Во-первых, подобно большинству растений, многие бактерии способны извлекать из него азот для синтеза азотсодержащих клеточных компонентов. Такая ассимиляционная нитратредукция может протекать и в аэробных, и в анаэробных условиях. Во-вторых, возможна также диссимиляционная нитратредукция, или «нитратное дыхание»; при этом нитрат в анаэробных условиях служит конечным акцептором водорода. В обоих случаях нитрат сначала восстанавливается до нитрита с помощью молибденсодержащего фермента нитратредуктазы.

Физиологическую группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их называют также десульфатирующими, сульфатредуцирующими или сульфидобразующими), отличает способность к переносу водорода с субстрата на сульфат как конечный акцептор электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэробных условиях:

 Поскольку такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при котором акцептором водорода служит кислород, принято говорить о сульфатном дыхании, или о диссимиляционной сульфатредукции. Главным продуктом такого процесса является сероводород:

8[Н]   +   SO*"   -»  H₂S   +   2Н₂0   +   20Н-

Большая часть сероводорода, образующегося в природе, возникает благодаря этой реакции. Сульфатредуцирующие бактерии являются, в отличие от нитратредуцирующих, облигатными анаэробами, т.е. нуждаются в строго анаэробных условиях.

Давно известно, что суспензия дрожжей, сбраживающая сахар, вовлекает добавленный к ней серный цвет в «вихрь биологических восстано влений» с образованием сероводорода. Однако лишь недавно выясни лось, что и некоторые бактерии способны расти в присутствии элементарной серы, используя ее в качестве акцептора водорода при анаэробном переносе электронов. Сера, восстанавливается при этом до сероводорода. Этот процесс можно назвать серным дыханием.

Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ. Его запасы весьма значительны; примерные подсчеты показывают, что 1-1,5% углерода, поступающего в результате минерализации органиче ских веществ в виде С0₂ в атмосферу, сначала попадает туда в виде ме тана и лишь затем превращается под воздействием гидроксильных ра дикалов (ОН') в СО, а потом в С0₂. К экосистемам, в которых образуется метан, относятся большие площади, занятые тундрой и бо лотами (отсюда другое название метана-болотный газ); рисовые поля; осадки на дне прудов и озер; лиманы, марши и эстуарии; отстойники очистных сооружений и, наконец, желудки (рубцы) более чем 10⁹ жвачных животных. В анаэробных условиях органические вещества сна чала через ряд промежуточных этапов сбраживаются до ацетата, С0₂ и Н₂. Эти продукты метаболизма первичных и вторичных деструкторов используются метанобразующими (метаногенными) бактериями.

В различных местах, где образуется метан, происходит также образова ние уксусной кислоты. Подкисление среды в отстойниках водоочистных сооружений, вероятно, связано с деятельностью бактерий, превращаю-молекулярный   водород   в   уксусную   кислоту   согласно уравнению

4Н₂   +   2С0₂  ->  СН₃-СООН   +   2Н₂0; AG₀ =-111 кДж/моль (- 26,6 ккал/моль)

Мы уже неоднократно говорили о сукцинате (янтарной кислоте) как о продукте брожения, но не упоминали о том, что образование сукцина та может быть связано с окислительным фосфорилированием. Сукцинат является продуктом восстановления фумарата:

2[Н]   +   Фумарат  ->  Сукцинат

Функция фумарата не сводится к роли простого акцептора, взаимо действующего с NADH₂, который образуется при окислении гексоз. Для пары фумарат/сукцинат окислительно-восстановительный потен циалEq = - 30 мВ. Фумарат может акцептировать электроны, которые поставляются переносящими водород коферментами и уже прошли часть пути по дыхательной цепи; поэтому он делает возможным окис лительное фосфорилирование. Такого рода фосфорилирование с фума-ратом   в   качестве   конечного   акцептора   электронов   можно   отнести к «анаэробным дыхательным процессам» и говорить о фумаратном дыхании (рис. 9.8).

Смешанные популяции почвенных бактерий в анаэробных условиях вос станавливают ионы Fe(III) до Fe(II). Если в среде помимо Fe(III) при сутствуют также ионы нитрата и нитрита, то сначала восстанавливают ся они (до нитрита и N₂, денитрификация) и лишь после этого-ионы Fe(III). Предполагают, что перенос электронов на трехвалентное железо осуществляет нитратредуктаза А. Поскольку восстановление нитрата сопряжено с окислительным фосфорилированием, не исключено, что и восстановление Fe (III) может использоваться в процессе «анаэробного дыхания». Окислительно-восстановительный потенциал £₀', который для пары Fe^3 +/Fe^2 + равен + 770 мВ, делает такую реакцию термодинами чески возможной. Поскольку оксиды трехвалентного железа практиче ски нерастворимы в воде, они сначала должны быть переведены в рас­творимую форму, способную проникать внутрь бактериальных клеток. Это, вероятно, осуществляется с помощью сидерофоров. Неудивитель но, что в таких условиях наблюдается лишь медленный и незначи­тельный рост бактерий.