Лысак В.В. Микробиология

Рассмотрим примеры некоторых основных типов анаэробного дыха-

ния.

Нитратное дыхание, или денитрификация

Как уже упоминалось, конечными акцепторами электронов при нит-

ратном дыхании являются нитраты (

) или нитриты ( ). Результа-

том нитратного дыхания является восстановление или до га-

зообразных продуктов (NО, N

-

3

NO

-

2

NO

-

3

NO

-

2

NO

2

О или N

2

). Следует отметить, что к денит-

рификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цик-

ла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят.

Суммарную реакцию нитратного дыхания, где окисляемым субстра-

том является глюкоза, а конечным акцептором электронов – нитраты,

можно записать следующим образом:

C

6

H

12

O

6

+ 4 6CO

-

3

NO

2

+ 6H

2

O + 2N

2

+ х (кДж)

Полный процесс денитрификации состоит из четырех реакций вос-

становления, каждая из которых катализируется специфическими мем-

браносвязанными редуктазами.

Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют мо-

либденсодержащие ферменты нитратредуктазы:

-

3

NO

+ 2е

–

+ 2H

+

+ H

-

2

NO

2

O

Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализиру-

ют нитритредуктазы:

-

2

NO

+ е

–

+ H

+

NO + OН

–

Нитрат- и нитритредуктазы очень чувствительны к молекулярному

кислороду, который ингибирует их активность, а также репрессирует

синтез. Соответственно данные реакции (восстановление нитрата до

нитрита и восстановление нитрита оксида азота) могут протекать только

в том случае, когда кислород полностью отсутствует или когда его кон-

центрация незначительна.

Третий этап: восстановление оксида азота до закиси

азота, катали-

зируют редуктазы оксида азота:

2NO + 2е

–

+ 2H

+

N

2

O + H

2

O

Четвертый этап: восстановление закиси азота в молекулярный азот,

катализируют редуктазы закиси азота:

N

2

O + 2е

–

+ 2H

+

N

2

+ H

2

O

У денитрифицирующих бактерий, которые являются факультативны-

ми анаэробами, функционирует полная электронтранспортная цепь в

138

случае аэробного дыхания, при наличии О

2

в среде, и укороченная – при

анаэробном дыхании, при отсутствии О

2

в среде. Электронтранспортные

цепи бактерий-денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все

основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины,

хиноны, цитохромы b и с. Цитохромоксидазы в этих условиях не синте-

зируются, а их функции выполняют редуктазы (нитратредуктазы, нит-

ритредуктазы, редуктазы оксида и закиси азота). Установлено, что нит-

ратредуктазы денитрифицирующих бактерий связаны

с дыхательной це-

пью на уровне цитохрома b, а нитритредуктазы и редуктазы оксида и за-

киси азота на уровне цитохрома роцесс полной денитрификации, ко-

гда происходит восстановление

-

3

NO

до N

с. П

в ды-

хательной цепи можно представить следующим образом (рис. 41).

е

–

е

–

тохром с

е

дуктаза

Рис. 41. Транспорт электронов в процессе денитрификации

», когда осуществляются этапы этого

про

окислении глюкозы можно пред-

ставить следующим образом (рис. 42).

2

, транспорт электронов

НАД

.

Н Цитохром b Ци

2

–

е

–

Нитратре-

дуктаза Нитрит-

редуктаза

NO-ре

е

–

N O-редуктаза

2

е

–

е

–

е

–

-

3

NO

-

2

NO

NO N

2

O

N

2

.

Количество синтезируемых молекул АТФ зависит от строения дыха-

тельной цепи, наличия и свойств соответствующих редуктаз. При «пол-

ной» денитрификации энергии запасается в большем количестве, чем

при «усеченной только отдельные

цесса:

-

3

NO

-

2

NO

; NO N

2

O; N

2

O N

2

.

Схематично нитратное дыхание при

ГЛЮКОЗА

Гликолиз,

139

пентозофосфатный

путь Энтнера – Д

путь,

удорова

Н

2

СО

2

НАД

.

Н

2

КоА

АТФ + СО

2

+ Н

2

АТФ

для

живых организмов. В связи с этим

денитрифицирующие бактерии ис-

пользуют для очистки сточных вод от нитратов.

АТФ + Пируват + НАД ·

КоА-SH НАД

+

Ацетил-

ЦТК

НАД ·

ФАД ·

Н

2

-

2

NO

-

3

NO ,

Рис. 42. Схема нитратного дыхания

Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе.

Они принадлежат ко всем основным физиологическим группам: фото-

трофным, хемолитотрофным, грамположительным и грамотрицательным

факультативным анаэробам. Однако в большей степени способность к

денитрификации распространена у бактерий родов Bacillus и Pseudomo-

nas.

Денитрифицирующие бактерии – это обитатели пресных и морских

водоемов, почв разного типа, хотя процесс денитрификации у

них про-

исходит только в анаэробных условиях, т. е. когда содержание кислорода

падает ниже 0,2 %. Этот процесс считается вредным для сельского хо-

зяйства, так как доступные для растений нитраты превращаются в недо-

ступный для них молекулярный азот, что приводит к обеднению почвы

азотом. Тем не менее денитрифицирующие бактерии являются важным

звеном в

круговороте азота в природе, обогащающим атмосферу молеку-

лярным азотом. Кроме того, эти бактерии играют положительную роль в

очистке подземных вод и почв от накопившихся в результате деятельно-

сти человека (внесение высоких доз удобрений, промышленные стоки)

нитратов и нитритов, которые в больших концентрациях токсичны

Сульфатное дыхание,

или диссимиляционная сульфатредукция

140

Это процесс окисления в анаэробных условиях субстрата (органиче-

ских соединений или молекулярного водорода), при котором в качестве

конечного акцептора электронов выступает сульфат (

-2

4

SO

), в результате

чего происходит его восстановление до H

2

S. Бактерии, осуществляющие

это

женными жгутиками). Нитчатые формы, для которых ха-

рак

осстанавливаю-

щи

в к естве

ист

еления ряда прокариот

т процесс, получили название сульфатвосстанавливающих или суль-

фатредуцирующих.

Сульфатвосстанавливающие бактерии – строгие анаэробы. Они раз-

нообразны по морфологическим, физиологическим и биохимическим

признакам. В настоящее время в состав группы сульфатвосстанавли-

вающих бактерий входит более 40 видов. Все сульфатвосстанавливаю-

щие бактерии, за исключением представителей двух родов (Desulfoto-

maculum и Desulfosarcina), имеют клеточную стенку

грамотрицательного

типа. Среди них есть и одноклеточные, и нитчатые формы. К однокле-

точным бактериям относятся представители родов Desulfovibrio (слегка

изогнутые, не образующие эндоспор палочки с полярно расположенным

жгутиком) и Desulfotomaculum (спорообразующие палочки с перитрихи-

ально располо

терен скользящий тип движения, представлены бактериями рода

Desulfonema.

В качестве источника углерода и энергии сульфатвосстанавливающие

бактерии используют, главным образом, органические кислоты, в пер-

вую очередь пируват и лактат. Некоторые виды могут потреблять также

сукцинат, фумарат, малат. Обнаружена способность использовать жир-

ные кислоты, содержащие от 1 до 12–18 атомов углерода, такие как фор-

миат, ацетат, пропионат, бутират. Отдельные сульфатв

е бактерии могут

использовать спирты (этанол, пропанол, бутанол),

некоторые сахара, циклические и С

1

-соединения, холин.

У видов Desulfonema limicola и Desulfosarcina variabilis обнаружена

способность к автотрофии. Причем эти бактерии используют ач

очника углерода – СО

2

, в качестве источника энергии – молекуляр-

ный водород, а в качестве конечного акцептора электронов –

-2

4

SO

.

Сульфатвосстанавливающие бактерии могут получать энергию для

роста разными способами. Некоторые виды растут на средах с органиче-

скими субстратами без сульфатов. В этом случае единственным источ-

ником энергии служит процесс брожения, при котором АТФ синтезиру-

ется в реакциях субстратного фосфорилирования. Основными субстра-

тами являются пируват, лактат, этанол, при сбраживании которых выде-

ляется молекулярный водород. Однако специфическим способом полу-

чения энергии, послужившим основанием для выд

141

в о

ание.

я, как и при лю-

бом :

й цепи;

ктерии содержат фер-

менты

устан

хательной цепи сопро-

вож

я в акцептировании сульфатом элек-

тро

кислот (цистин, цистеин, метио-

нин

симиляционной сульфатредукции намно-

го в является накопление в

сре

• механизмы обоих процессов различны.

тдельную физиологическую группу – группу сульфатвосстанавли-

вающих бактерий, является сульфатное дых

Получение энергии в результате сульфатного дыхани

типе дыхания, состоит из трех этапов

• отрыва электронов от энергетического субстрата;

• переноса их по дыхательно

• присоединения их к веществам, функционирующим в качестве ко-

нечных акцепторов электронов.

Этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют

различные субстратные ферменты (лактат-, пируват-, этанолдегидроге-

назы) и гидрогеназы. С их помощью электроны передаются сразу в ды-

хательную цепь. Сульфатвосстанавливающие ба

реакций цикла Кребса, но этот цикл «разорван» и функционирует

только в условиях конструктивного метаболизма.

В качестве компонентов дыхательной цепи у сульфатвосстанаваю-

щих бактерий идентифицированы флавопротеины, FeS-белки (ферредок-

син, рубредоксин), хиноны (типа менахинона), цитохромы b и с. Особен-

ностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих бактерий

является высокое содержание цитохрома с

3

. Точная локализация компо-

нентов, их последовательность в дыхательной цепи пока достоверно не

овлены. Однако установлено, что окисление, в частности Н

2

, про-

исходит на наружной стороне мембраны, а реакции восстановления

-2

4

SO

– на внутренней. Перенос электронов по ды

дается возникновением электрохимического градиента с последую-

щим генерированием энергии в молекулах АТФ.

Последний этап, заключающийс

нов с помощью нескольких редуктаз, называется собственно дисси-

миляционной сульфатредукцией.

У некоторых микроорганизмов, использующих в качестве источника

серы сульфаты, происходит ассимиляционная сульфатредукция. При

этом происходит восстановление сульфата до сульфида, который затем

идет на синтез серосодержащих амино

). Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции от асси-

миляционной сводятся к следующему:

• диссимиляционное восстановление сульфата присуще только уз-

кому кругу высокоспециализированных прокариотических организмов;

• активность процессов дис

ыше, чем ассимиляционных, следствием чего

де больших количеств H

2

S;

142

Рассмотрим химизм диссимиляционной сульфатредукции.

Восстановление сульфата начинается с его активирования с участием

АТФ в реакции, катализируемой АТФ- мой сульфурилазой:

SO

ита, что сопровождается образованием АМФ (аде-

нозинмонофосфата):

АФС + 2е

–

АМФ +

льфита ( ) до сульфида (S

2-

) отличается у раз-

ных

т с помощью сульфитредуктазы прямо вос-

станавливается до сульфида:

SO

+ 6е

–

+ 6H

2-

+ 3H O

тиосульфат, при участии сульфит-,

ритионат- и тиосульфатредуктазы:

SO

3

O

6

2-

+

OS

+ 2 е

– 2-

+

SO

воды и со-

дер

ию металли-

ческих труб

4Fe

2+

+ H

2

S + 2OH

–

+ 4H

2

O FeS + 3Fe(OH)

2

+ 6H

+

зависи

-2

4

+ AТФ + 2Н АФС + ФФ

В результате этой реакции образуется аденозинфосфосульфат (АФС)

и пирофосфат (ФФ), последний расщепляется пирофосфатазой. Адено-

зинфосфосульфат с помощью аденозинфосфосульфатредуктазы восста-

навливается до сульф

+

-2

3

SO

Восстановление су

-2

3

SO

видов бактерий:

• в первом случае сульфи

-2

+

S

3

2

• в случае второго механизма происходит последовательное трех-

ступенчатое восстановление сульфита с образованием промежуточных

продуктов, таких как тритионат и

т

3

+ 2е

-2

3

–

S

+ 2е

-2

63

OS

–

32

OS

-2

3

SO

-2

32 3

Сульфатвосстанавливающие бактерии распространены в анаэробных

зонах водоемов разного типа, почвах и пищеварительном тракте живот-

ных. Наиболее интенсивно восстановление сульфатов происходит в со-

леных озерах и морских лиманах, где почти нет циркуляции

-2

S

жится много сульфатов, вызывая замор рыбы.

Являясь основными продуцентами сероводорода, сульфатвосстанав-

ливающие бактерии могут приносить вред, вызывая

корроз

и других подводных и подземных сооружений:

143

Карбонатное дыхание

Карбонатное дыхание – процесс окисления молекулярного водорода,

при котором конечным акцептором электронов является СО

2

. Бактерии,

осуществляющие этот процесс, называются метаногенными.

Метаногенные бактерии объединены в одну группу на основании

двух общих для всех ее представителей свойств: строгий анаэробиоз и

способность образовывать метан.

В настоящее время к метаногенным бактериям относятся бактерии

более 40 видов. Они объединены в 13 родов, сгруппированы в 6 семейств

и 3 порядка.

Среди метаногенных бактерий встречаются

прямые или изогнутые

палочки разной длины; клетки неправильной или извитой формы. У не-

которых видов обнаружена тенденция формировать нити или пакеты

клеток. Клетки могут быть неподвижными или передвигающимися с по-

мощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. Обна-

ружены виды, образующие споры.

Метаногенные бактерии имеют необычный химический состав кле-

точных стенок. Они

не содержат ни ацетилмурамовой кислоты, ни D-

аминокислот. У этой группы прокариот описаны клеточные стенки трех

типов:

• остоящие из пептидогликана особого химического строения, полу-

чившего название псевдомуреин;

• построенные из белковых глобул;

• клеточные стенки гетерополисахаридной природы.

Цитоплазматическая мембрана этих бактерий содержит липиды,

представленные простыми эфирами глицерина и терпеноидных спиртов.

Сложных эфиров, состоящих из глицерина и жирных кислот, у них не

обнаружено.

Другой особенностью метаногенных бактерий является то, что меха-

низм трансляции у них нечувствителен к антибиотикам, подавляющим

синтез белка у других прокариот.

На

основании этих, а также других отличительных признаков и в со-

ответствии с современной классификацией метаногенные бактерии отно-

сят к классу архебактерий.

Большинство метаногенных бактерий имеет температурный оптимум

для роста в области 35–40 °С, но есть виды, у которых он сдвинут в сто-

рону более низких (20–25 °С) или высоких (65–70 °С) температур.

144

В качестве источника азота метаногенные бактерии используют ам-

монийный азот или некоторые аминокислоты. Источником серы могут

служить сульфаты, сульфиды или серосодержащие аминокислоты.

В качестве источников углерода для биосинтетических целей метано-

генные бактерии используют узкий круг соединений. Около половины

изученных видов не нуждаются для роста в каких-либо органических со-

единениях. Они

способны расти на синтетических средах, содержащих

молекулярный водород и СО

2

. При этом СО

2

служит не только для ак-

цептирования электронов при окислении Н

2

, но и единственным источ-

ником углерода. У таких автотрофных штаммов ассимиляция СО

2

про-

исходит без участия фермента рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы –

ключевого фермента цикла Кальвина. Представители этой группы бакте-

рий ассимилируют молекулы СО

2

с помощью реакций карбоксилирова-

ния. Первыми или ранними продуктами этих реакций являются ацетил-

КоА и пируват, которые идут на синтез клеточных веществ.

Рассмотрим процесс карбонатного дыхания, т. е. как метаногенные

бактерии получают энергию. Метаногенные бактерии в основном полу-

чают энергию за счет окисления молекулярного водорода в процессах,

сопряженных с восстановлением СО

2

:

4Н

2

+ СО

2

СН

4

+ 2Н

2

О

Кроме Н

2

и СО

2

, многие метаногенные бактерии могут использовать

для получения энергии формиат, метанол, ацетат, а также метилирован-

ные амины:

4НСООН СН

4

+ 3СО

2

+ 2Н

2

О,

4СН

3

ОН 3СН

4

+ СО

2

+ 2Н

2

О,

4СО + 2Н

2

О СН

4

+ 3СО

2

,

СН

3

СООН СН

4

+ СО

2

,

4СН

3

NH

3

+ 2H

2

O 3CH

4

+ CO

2

+ 4NH

4

+

.

Механизм энергетических процессов у метаногенных бактерий пол-

ностью еще не изучен, но общие принципиальные его положения уста-

новлены. Показано, что получение энергии связано с функционировани-

ем электронтранспортной цепи, в которой обнаружены дегидрогеназы

(или гидрогеназы), переносчики электронов и редуктазы.

Природа всех переносчиков электронов в дыхательной цепи у мета-

ногенных бактерий пока

не установлена, хотя показано, что все изучен-

ные метаногенные бактерии имеют необычные по структуре переносчи-

ки электронов, содержащие в качестве коферментов и простетических

145

групп соединения, найденные только у представителей этой группы:

фактор F

420

(производное 5-деазафлавина, назван по максимуму флуо-

ресценции в окисленной форме при 420 мкм), кофермент М (2-меркап-

тоэтанолсульфат), тетрагидрометаноптерин, метанофуран, фактор F

430

,

фактор F

в

, 5-гироксибензимидазол-гидроксикобамид.

При участии фактора F

420

, а также гидрогеназы осуществляется одно-

временный перенос двух электронов от Н

2

в реакции, катализируемые

редуктазами. Редуктазы связаны с переносчиками дыхательной цепи.

При этом образуется ряд промежуточных продуктов.Из рис. 43 видно,

CО

2

Х

1

– СООН

2Н

Х

1

– СНО

Х

2

Х

2

– СНО

2Н

Н

2

F

420

Х

2

= СН

2

2Н

НСНО

Х

2

– СН

3

Ф

1

СН

3

ОН 2Н КоМ – S – CH

3

СН

3

СООН

Ф

1

СН

3

NH

2

СН

4

Рис. 43. Схема восстановления СО

2

до СН

4

метаногенными бактериями:

Х

1

– СООН – карбоксипроизводная; Х

1

– СНО – формилпроизводная;

Х

2

= СН

2

– метиленпроизводная; Х

2

– СН

3

– метилпроизводная; Ф

1

–

метилредуктазная система; КоM – S – CH

3

– метилкофермент М

что восстановление СО

2

до СН

4

требует переноса 8 электронов (или 8

атомов водорода), что осуществляется с помощью нескольких редуктаз,

т. е. процесс проходит ступенчато. Образующиеся при этом промежу-

точные продукты остаются связанными с переносчиками в дыхательной

цепи неизвестной природы. К настоящему времени идентифицирован

только один переносчик – кофермент М (КоМ), участвующий на заклю-

чительной стадии образования метана. Этот

переносчик присоединяет к

146

себе метильную группу, образующуюся в результате ступенчатого вос-

становления СО

2

. Затем с помощью соответствующей редуктазы проис-

ходит освобождение молекулы метана.

При восстановлении СО

2

до метана запасается энергия в форме элек-

трохимического ионного потенциала. Фосфорилирование на субстрат-

ном уровне у метаногенных организмов отсутствует. Количество обра-

зуемой энергии непосредственно зависит от изменяющихся в природных

условиях концентраций молекулярного водорода. При оптимальных ус-

ловиях (концентрация Н

2

равна 10

5

Па) количество свободной энергии,

высвобождающейся в этом процессе, является достаточным для синтеза

1 моль АТФ/моль СН

4

. Однако в природных местообитаниях метаноге-

нов концентрация Н

2

несравнимо ниже (1–10 Па) и поэтому энергии об-

разуется меньше. Такая выраженная зависимость выхода энергии от кон-

центрации Н

2

связана с тем, что процесс метаногенеза характеризуется

высоким потреблением водорода – 4 моль Н

2

/моль СН

4

.

Физиологические свойства метаногенных бактерий (строгий анаэро-

биоз, зависимость от наличия молекулярного водорода) определяют их

распространение в природе. Обычными местами обитания этих бактерий

является анаэробная зона водоемов, богатых органическими соедине-

ниями, иловые отложения озер и рек, болота, заболоченные почвы, оса-

дочные слои морей и океанов. Метаногенные бактерии – типичные оби-

татели пищеварительного

тракта животных и человека и важный компо-

нент микрофлоры рубца жвачных животных.

Метаногенные бактерии представляют значительный практический

интерес как продуценты газообразного топлива – метана (биогаза). Они

участвуют в разложении органических веществ в отстойниках сточных

вод при биологической очистке, в переработке экскрементов животных

вместе с отбросами, содержащими целлюлозу, в навозных ямах.

Фумаратное дыхание

Фумаратное дыхание отличается от всех описанных ранее способов

анаэробного дыхания следующими особенностями: во-первых, это един-

ственный пример анаэробного дыхания, когда роль конечного акцептора

электронов в дыхательной цепи играет органическое вещество (фумаро-

вая кислота); во-вторых, этот тип получения энергии не является единст-

венно возможным для какой-либо определенной таксономической

груп-

пы бактерий. Во всех известных в настоящее время случаях бактерии,

способные осуществлять фумаратное дыхание – хемоорганотрофы, кото-

рые обладают также способностью к брожению. Таким образом, исполь-

147

Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.