Янг Л., Моу Дж. Метаболизм соединений серы

Подождите немного. Документ загружается.

Обмен серы у микроорганизмов

183

строго роста могут окислять в течение дня такое коли-

чество сероводорода, которое в 4 раза превышает вес

культуры [43].

Тиобактерии

Эта группа бактерий также окисляет сульфид до

свободной серы, причем сера накапливается в большем

количестве в среде, чем в клетках. Две разновидности

этой группы — аэробы Thiobacillus thiooxidans и Т. thio-

parus — могут окислять сульфид в сульфат, а также

окислять тиосульфат и тетратионат. Предполагают, что

окисление сульфида происходит следующим путем [45]:

-—J- S —> S

—» S

—SO

--.

Экспериментально доказана только первая реакция

окисления сульфида. При изучении обмена промежуточ-

ных соединений в этих реакциях возникают затруднения,

связанные с химическими взаимодействиями между со-

единениями, использованными в питательных средах, и

продуктами, образующимися из них. Например, образо-

вание свободной серы в среде, содержащей тиосульфат,

может происходить либо в результате реакции между

тиосульфатом и каким-либо тетратионатом, образую-

щимся в качестве промежуточного продукта, либо при

разложении тиосульфата под действием образующейся

кислоты.

Рост тиобактерий, окисляющих тиогруппы, приоста-

навливается при действии некоторых соединений, изве-

стных как ингибиторы цитохромных систем [46]. Имеются

данные о появлении внутри клетки органического фос-

фата в процессе окисления серусодержащих соединений

[47, 48]. При химическом исследовании этих бактерий

обнаружены аденозинтрифосфорная кислота, глюкозо-

фосфат и дифосфопиридиннуклеотид [49, 50]. Весьма ве-

роятно, что тиобактерии обладают многими биохимиче-

скими свойствами гетеротрофных организмов, но перво-

начальные реакции, используемые для образования ла-

бильных фосфорных соединений, у них различны.

12*

184

Г лава

III

Окрашенные серные бактерии

Эти бактерии являются строгими анаэробами, фа-

культативными аутотрофами, осуществляющими фото-

синтетические реакции. Ван-Ниль [51] детально изучил

два наиболее известных виДа этих бактерий — Chloro-

bium, окрашенную в зеленый цвет, и Chromatium — в

пурпурный. Согласно данным Ларсена [52], представи-

тель первой группы Chlorobium thiosulphatophilum окис-

ляет сульфид до серы, откладывающейся в клетке в виде

гранул, и превращает ее и неорганические соединения

серы в сульфат. Пурпурные Chromatia, подобно тиобак-

териям, образуют внеклеточную элементарную серу.

Энергию в этом процессе доставляют следующие реак-

ции:

S + CO

—j- (CH

O) + H

O -f 2S (Chlorobia)-,

S + 2Н

0 + 2С0

—> 2 (CH

O) + H

(Chromatia)

В настоящее время механизм этих фотохимических реак-

ций еще далеко не расшифрован. Кальвин [53] высказал

предположение, что в фотосинтезе у растений а-липое-

вая кислота (RS

) действует как переносчик H- и ОН-ра-

дикалов, причем происходит расщепление ее дисуль-

фидной овязи:

S S-

-f- Световая энергия —>• R

S S-

•

H —у H (для восстановления CO

)

—j- R

S-OH —> ОН —> O

В соответствии с этой гипотезой, первичный экзергониче-

ский процесс состоит во взаимодействии липоевой кис-

лоты и воды. Лис [45] предположил, что в процессе фото-

синтеза у серных бактерий возможно разрушение

ОН-радикалов при взаимодействии их с некоторыми со-

единениями — сероводородом, серой и тиосульфатом.

Обмен серы у микроорганизмов

185

Таким образом, серусодержащие соединения приобре-

тают функции донаторов электронов, переносимых

к лишним ОН-радикалам. Полагают, что энергия, обра-

зующаяся в этом процессе окисления, не может быть

использована организмом.

Бактерии, восстанавливающие сульфат

В этой группе бактерий хорошо изучен анаэробный

факультативный аутотроф Desulphovibrio desulphuri-

cans, участвующий в образовании большого количества

сероводорода в почвах и в стоячих водах. Этот орга-

низм восстанавливает в сульфид неорганический суль-

фат, . сульфит, тиосульфат и тетратионат. Он способен

расти как аутотроф, используя газообразный водород в

качестве донатора электронов [54] согласно следующему

уравнению:

- 4-4Н

—> S""" + 4Н

Некоторые органические соединения, например молоч-

ная и пировиноградная кислоты, также действуют как

восстанавливающие агенты:

2 CH

•

CH (ОН)

•

H + SO-- —*

.—> 2СН

•

H + 2С0

+ 2Н

0 -f S~

4СН

•

СО

•

H + SO

~ —> 4СН

•

СО,

-f 4С0

+ S~~

Тщательные исследования Постгейта [55] показали, что

промежуточным соединением в процессе восстановления

является сульфит. Тиосульфат и тетратионат также мо-

гут образоваться в этом процессе, но существует, ве-

роятно, отдельный механизм для обмена этих соедине-

ний, при участии которого они деполимеризуются, обра-

зуя промежуточные ионы, содержащие один атом серы.

КРУГОВОРОТ СЕРЫ В ПРИРОДЕ

Превращения серусодержащих соединений в природе

осуществляется в основном' с участием растений и ми-

кроорганизмов; участие животных в этом процессе

186

Г лава

III

в количественном отношении очень невелико. Банкер,

Батлин и другие авторы [43, 56, 57] предложили схему,

изображающую главные биологические превращения

серы. Эта схема в несколько видоизмененном виде при-

ведена ниже:

Как указано в нижней части схемы, неорганический суль-

фат превращается растениями и микроорганизмами в

органические формы серы, из которых главными яв-

ляются серусодержащие аминокислоты. Органическая

сера в процессе реакций обмена у животных и микро-

организмов в небольшом количестве превращается обрат-

но в сульфат, но большая ее часть в результате действия

бактерий на погибшие растения и погибших животных

освобождается в виде сероводорода. Затем сероводород

в результате неферментативных реакций, а также под

действием различных бактерий окисляется в сульфат

и таким образом становится еще раз доступным для

всасывания растениями.

Верхняя часть схемы, на которой изображены реак-

ции между сероводородом, серой и неорганическим суль-

фатом, представляет второй, вспомогательный цикл, не

менее интересный, чем первый. Действие этого цикла

Бактериальное

окисление //—

(BeggiaLoa, //

Chromatia, // Баптериальное

Chlorobia) // восстановление

Бактериальное

\окисление

\ Chlorobia,

\ Thiobacilli)

Бактериальное восстановление

(Desulfilwui

brio)

Сульфат

Бактериальное окисление

IThiobacilU)

Окисление в организме

•животных

и у микро-

организмов j

Действие \

ге.теротроф -

пых бактерий

/ /

Синтез

/ / растениях

/ и минро -

организмах

Органические

серусодержащие

соединения

Обмен серы у микроорганизмов

187

оказывает многообразное влияние на нашу повседнев-

ную жизнь, и поэтому биохимические превращения у ор-

ганизмов, ответственных за этот цикл, изучались очень

тщательно. В связи с образованием сероводорода под

действием бактерий, восстанавливающих сульфат, воз-

никает целый ряд проблем, так как этот процесс вызы-

вает загрязнение сточных вод каналов и иногда даже

прибрежных вод. Под действием сероводорода гибнет

рыба, разрушается окраска судов и корродируют желез-

ные трубопроводы, проходящие через почвы, на которых

развиваются указанные бактерии.

Условия, при которых бактерии образуют сероводо-

род, иногда благоприятны и для быстрого размножения

тиобактерий, что приводит к образованию серной кис-

лоты. Если не принять соответствующих предупреди-

тельных мер, то этот процесс может протекать в канали-

зационных трубах и в водонапорных башнях настолько

интенсивно, что он приводит к быстрому разрушению

бетона и каменных построек. Присутствие восстанавли-

вающих сульфат бактерий определяет характерный цвет

воды Черного моря, так как образуемый ими сероводо-

род превращается в тонко размельченные сульфиды же-

леза. В некоторых зонах, однако, организмы, восстанавли-

вающие сульфат, живут в симбиозе с Thiobacilli, которые

окисляют обратно сульфиды в сульфат, в результате

чего образуются бесцветные зоны воды.

Замечательный пример симбиоза между серными

бактериями и действия цикла превращения серы дают

наблюдения Батлина и Постгейта [58], касающиеся об-

разования и отложения серы в некоторых озерах Кире-

наики. Эти озера и родники, снабжающие их водой, со-

держат сульфат в количествах, достаточных для поддер-

жания роста Desulphovibrio desulphuricans. По краям

озер найдены большие колонии фотосинтезирующих бак-

терий, в том числе Chlorobia, в которых сероводород, об-

разуемый Desulphovibrio desulphuricans, подвергается

дальнейшим превращениям. Сера, образованная Chlo-

robia, поступает в воду и оседает толстым слоем на дно.

Фотосинтезирующие бактерии, вероятно, доставляют и

небольшое количество органического материала, необ-

ходимого Desulphovibrio для восстановления сульфата.

188

Г лава

III

Было подсчитано, что запасы серы в одном из озер, до-

стигавшие 2500 г, образовались в результате ежегодного

отложения примерно 100 т. Возможно, что обширные

отложения серы, найденные в Луизиане, Техасе и Си-

цилии, связаны с действием аналогичных ассоциаций

бактерий [57]. В настоящее время микробиологическое

образование больших количеств серы и сероводорода

тщательно изучается [57] и полученные результаты дают

основание считать, что такие процессы могут стать

источниками получения серы в случае сокращения ее

мировых запасов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Knight В. С. J. G., Vitam. and Horm., 3, 105 (1945).

2. Schopfer W. H., Arch. Mikrobiol., 5, 511 (1934).

3. Kidder G. W, Annu. Rev. Microbiol., 5, 139 (1951).

4. Kidder G. W, Dewey V. C, The Biochemistry of the Protozoa.

New York: Academic Press (1951).

5. D u n n M. S, Camien M. N, Shankman S, Block H,

J. biol. Chem., 163, 577 (1946).

6. R i e s e n W. H, Schweigert B. S, Elvehjem C. A,

J. biol. Chem., 165, 347 (1946).

7. L у m a n C. M, Moseley 0, Butler B, Wood S,

Hale F., J. biol. Chem, 166, 161 (1946).

8. Hutehin M. E, Harper H. A, Margen S, Kin-

sell L. W, J. biol. Chem, 185, 839 (1950).

9. The Association of Vitamin Chemists. Methods of Vitamin Assay.

New York: Interscience Publischers (1951).

10. Bolton E. T, Cowie D. B, Sands M. K, J. Bad, 63,

309 (1952).

11. Horowitz N. H, Advanc. Genet, 3, 33 (1950).

12. Hockenhull D. J. D, Biochim. biophys. Acta, 3, 326 (1949).

13. Teas H. J, J. Bact., 59, 93 (1950).

14. Simmonds S„ J. biol. Chem, 174, 717 (1948).

15. Schwartz M, Shapiro S. K, J. Bact, 67, 98 (1954).

16. Hift H, Wallace G. I, J. biol. Chem, 177, 927 (1949).

17. Cowie D. B, Bolton E. T, Sands M. K, J. Bact, 62, 63

(1951).

18. Reed L. J, Debusk B. G, Johnston P. M, Getzenda- .

per M. E„ J. biol. Chem, 192, 851 (1951).

Литература

10?

19. Reed L. J„ Physiol. Rev, 33, 544 (1953).

20. Najjar V. A, Barrett R, Vitam. and Horm., 3, 23 (1945).

21. Najjar V. A, Holt L. E, Jun, J. Amer. med. Ass, 123, 683

(1943).

22. G a 11 u p W„ Pope L. S, Whitehair C. K, J. Anim. Sci.,

11, 572 (1949).

23. Huffman C. F, Annu. Rev. Biochem, 22, 399 (1953).

24. Kallio R. E.-, Larson A. D, A Symposium on Amino Acid

Metabolism, p. 616, Ed. by W. D. McElroy and B. Glass.

Baltimore: The Johns Hopkins Press (1955).

25. C h a 11 e n g e r F, Charlton P. T, J. chem. Soc, p. 424

(1947).

26. Schlenk F, Smith R. L, J. biol. Chem. 204, 27 (1953).

27. Suzuki U, Odake S„ Mori T, Biochem. Z„ 154, 288 (1924).

28. Baddiley J, Cantoni G. L, Jamieson G. A, J. chem.

Soc, p. 2662 (1953).

29. Kearney E. B, Singer T. P, Biochim. biophys. Acta, 11,

270 (1953).

30. Kearney E. B, Singer T. P, Biochim. biophys. Acta, 11,

276 (1953).

31. Tarr H. L. A, Biochem. J, 27, 1869 (1933).

32. Smythe С. V, Advanc. Enzymol, 5, 237 (1945).

33. Tamiya N, J. chem. Soc. Japan, 72, 118 (1951).

34. Garreau Y, C. R. Soc. Biol. Paris, 137, 176 (1943).

35. Meister A, Fraser P. E, Tice S. V, J. biol. Chem, 206,

561 (1954).

36. Barber H. H, Burrows R. B„ Biochem. J, 30, 599 (1936).

37. Nickerson W. J, Romano A. H„ Science, 115, 676

(1952).

38. Racker E, J. biol. Chem, 217, 855 (1955).

39. Challenger F, Lisle D. B, Dransfield P. B, J. chem.

Soc, p. 1760 (1954).

40. C h a 11 e n g e r F, Liu Y. C, R^c. Trav. chim. Pays-Bas

69,

334 (1950).

41. Shapiro S. K-, Biochim. biophys. Acta, 18, 134 (1955).

42. McRorie R. A, Glazener M. R, Skinner C. G„

Shive W„ J. biol. Chem, 211, 489 (1954).

43. Bunker H. J, A Review of the Physiology and Biochemistry

of the Sulphur Bacteria. London: H. M. S. 0. (1936).

44. Виноградский С, Bot. Ztg., 45, 489 (1887).

190

Г лава

III

45. Lees Н, Biochemistry of Autotrophic Bacteria. London: But-

terworths Scientific Publications (1955).

46. V о g

e r K- G-, Lepage G. A, Umbreit W. W, J. gen.

Physiol, 26, 89 (1942).

47. Vogler K- G-, Umbreit W. W„ J. gen. Physiol, 26, 157

(1942).

48. Umbreit W. W, J. Bact, 67, 387 (1954).

49. Lepage G. A, Umbreit W. W„ J. biol. Chem, 147, 263 (1943).

50. Lepage G. A, Umbreit W. W, J. biol. Chem, 148, 255 (1943).

51. Van Niel C. B, Annu. Rev. Microbiol, 8, 105 (1954).

52. Larsen H, K norske vidensk. Selsk. Skr, 1 (1953).

53. Calvin M, Barltrop J. A, J. Amer. chem. Soc, 74, 6153

(1952).

54. Butlin K. R, Adams M. E, Nature, Lond, 160, 154 (1947).

55. Postgate J. R, J. gen. Microbiol, 5, 725 (1951).

56. Butlin K. R, Research, Lond, 6, 184 (1953).

57. B u 11 i n K. R, Postgate J. R, Symposium on Microbial

Metabolism, Rome, p. 126. Istituto Superiore di Sanita, Rome

(1953).

58. ButIin K R, Postgate J. R, Biology of Deserts, p. 112.

Ed. by J. L. Cloudsley—Thompson. Institute of

Biology, London (1954).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из данных, приведенных в предыдущих главах, оче-

видно, что химические изменения, которым подвергаются

серусодержащие соединения в живых организмах, не

только многочисленны, но и крайне разнообразны. Ха-

рактер электронных оболочек серы таков, что этот эле-

мент может обладать различной валентностью и поэтому

образовывать неорганические и органические соеди-

нения самых различных типов. Многие из этих соедине-

ний встречаются в природе, и легкость, с которой они

подвергаются окислительно-восстановительным реак-

циям и другим изменениям, объясняет большое разно-

образие реакций, с которым мы сталкиваемся при изу-

чении их обмена.

У высших животных, с одной стороны, и у микроор-

ганизмов и растений —с другой, обмен серы происходит

в двух совершенно различных направлениях. В организм

животных с пищей поступает преимущественно двухва-

лентная сера, которая в процессе обмена переходит в

более окисленное состояние; главным конечным продук-

том этого процесса является сульфат. У растений и ми-

кроорганизмов существует противоположный путь об-

мена, который связан с их способностью превращать не-

органическую серу в органические формы; этот путь

приводит в конечном итоге к образованию таких орга-

нических соединений серы, которые являются незамени-

мыми компонентами в пище высших животных. Таким

образом, обмен серы служит еще одним примером су-

щественнейшей зависимости животных от растений и

микроорганизмов.

192

Заключение

Область исследования, составляющая предмет на-

стоящей книги, развивается очень активно, и поэтому

естественно, что пока книга дойдет до читателя, появит-

ся ряд новых интересных данных, не известных автору

в период подготовки этого труда к печати. Большие

успехи, например, достигнуты сейчас в изучении обмена

различных эфиров серной кислоты. Как и при исследо-

вании других процессов обмена серы, большую помощь

принесло здесь использование S

в качестве изотопной

метки. Этот прием оказался особенно ценным для изуче-

ния обмена сульфомукополисахаридов. В исследовании

биологического синтеза эфиров серной кислоты также

наблюдается значительный прогресс, связанный с обна-

ружением «активного сульфата» и идентификацией его

как аденозин-З'-фосфат-Б'-фосфосульфата. Повышение

интереса к исследованию сульфатаз привело недавно к

открытию сульфатазы, расщепляющей сульфаты стерои-

дов. Эфиры серной кислоты независимо от того, являют-

ся ли они сульфомукополисахаридами или сульфатами

стероидов, представляют значительный интерес не толь-

ко для биохимиков, но и для других исследователей, и

не исключено, что выяснение механизма синтеза и рас-

пада этих соединений в живых организмах найдет отра-

жение и в других областях знания, например в клини-

ческих исследованиях. Давно известно, что тиоловые

группы играют важную роль в биологических системах.

Выделение кофермента А позволило лучше понять мно-

гие стороны межуточного обмена, и, несмотря на боль-

шой объем проделанной работы, можно с уверенностью

сказать, что тиоловые эфиры, образуемые кофермен-

том А, будут еще в течение долгого времени привлекать

внимание ученых. Дальнейшее изучение липоевой кис-

лоты также, вероятно, покажет большое значение ее в

обменных процессах. Наконец, ясно, что в настоящее

время появился новый аспект изучения некоторых сто-

рон обмена серусодержащих соединений: все возрастаю-

щая опасность воздействия ионизирующих излучений

несомненно привлечет внимание к роли соединений се-

ры в лучевом поражении и к возможности их примене*

ния в качестве защитных агентов,