Эубактерий, восстанавливающие сульфаты

Все разобранные выше группы эубактерий, способных расти хемолитоавтотрофно, относятся к облигатным или факультативным аэробам. В отсутствие O₂ факультативные аэробы получают энергию в процессе анаэробного дыхания, используя в качестве конечных акцепторов электронов некоторые окисленные соединения, например, нитраты, фумарат и др. Группа сульфатвосстанавливающих эубактерий, насчитывающая более 40 видов, приспособилась получать энергию окислением в анаэробных условиях H₂, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат.

К сульфатвосстанавливающим эубактериям относятся организмы с различными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками. Среди них есть одноклеточные и нитчатые формы, неподвижные или передвигающиеся с помощью жгутиков, а трихомные — скольжением. Большинство имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Представители рода Desulfotomaculum характеризуются способностью образовывать эндоспоры. H₂ гетерогенность группы указывает большой диапазон молярных значений ГЦ-оснований ДНК (37–67%).

Все сульфатвосстанавливающие бактерии — облигатные анаэробы. Многие из них относятся к категории строгих анаэробов, для роста которых требуется не только отсутствие O₂, но и низкий окислительно-восстановительный потенциал среды. В то же время некоторые штаммы проявляют устойчивость к O₂ и выживают при разной длительности аэрирования среды.

Число органических субстратов, используемых в качестве источника углерода и энергии в процессе восстановления сульфата, достаточно велико: сахара, спирты, органические кислоты (в том числе жирные кислоты, содержащие до 18 углеродных атомов), аминокислоты, некоторые ароматические соединения. Основным неорганическим источником энергии служит H₂. Некоторые виды могут окислять CO в процессе сульфатредукции, осуществляя следующие реакции:

4CO + 4H₂O ® 4CO₂ + 4H₂, D G ₀' = — 80 кДж/моль CO;

4H₂ + SO₄^2– + 2H⁺ ® H₂S + 4H₂O, D G ₀' = — 152 кДж/моль SO₄^2–.

Для биосинтетических процессов при этом используются ацетат и CO₂.

Предпринимаемые в течение длительного времени попытки показать способность сульфатвосстанавливающих эубактерий расти автотрофно в условиях окисления H₂, сопряженного с восстановлением SO₄^{2 –} , дали положительные результаты. Хемолитоавтотрофный рост обнаружен у представителей родов Desulfotomaculum, Desulfobacterium, Desulfobacter, Desulfosarcina, Desulfonema. У многих представителей группы выявлена способность в фиксации N₂.

Ассимиляция CO₂ у разных видов осуществляется по ацетил-КоА-пути (см. рис. 62) или восстановительному ЦТК (см. рис. 76).

В отношении метаболизирования органических соединений сульфатвосстанавливающие эубактерий делят на 2 группы. К.первой относят виды, окисляющие субстраты до ацетата и CO₂. Вторую группу составляют организмы, полностью окисляющие органические вещества до CO₂. В первом случае окисление субстратов завершается образованием ацетил-КоА, который дальше организмами не может окисляться и преобразуется в ацетилфосфат при участии фосфотрансферазы. Из ацетилфосфата в реакции, катализируемой ацетаткиназой, возникает ацетат. Превращение ацетилфосфата в ацетат сопровождается субстратным фосфорилированием.

При полном окислении органических соединений "судьба" ацетил-КоА разная: он может окисляться через "замкнутый" ЦТК или же по принципиально новому механизму. В этом случае происходит расщепление С-С-связи ацетил-КоА, приводящее в конечном итоге к образованию двух молекул CO₂. В качестве промежуточных метаболитов идентифицированы связанные CO, метанол, формиат. Обнаружена высокая активность CO-дегидрогеназы. Все это напоминает ацетил-КоА-путь ассимиляции CO₂, описанный у ацетогенных и ряда сульфатвосстанавливающих эубактерий, но функционирующий в обратном направлении (см. рис. 62).

Сульфатвосстанавливающие эубактерий могут получать энергию для роста разными способами. Некоторые виды растут на средах с органическими субстратами без сульфатов. В этом случае единственным источником энергии служит процесс брожения. Состав продуктов брожения довольно разнообразен. Так, пируват сбраживается с образованием ацетата, малат — сукцината, пропионата, ацетата. Сахаролитические сульфатвосстанавливающие эубактерий сбраживают сахара до ацетата, этанола, лактата. Во всех случаях образуются также CO₂ и H₂.

Специфическим способом получения энергии, послужившим основанием для выделения ряда эубактерий в отдельную физиологическую группу, является сульфатное дыхание. Помимо SO₄^2– конечными акцепторами электронов могут служить и другие соединения серы (тиосульфат, сульфит, молекулярная сера). В последние годы обнаружена способность ряда сульфатвосстанавливающих эубактерий к восстановлению в энергетическом процессе нитратов и нитритов до аммония, селената до селенита (SeO₄^{2 –} ® SeO₃^{2 –} ), фумарата до сукцината, а также CO₂. В последнем случае это приводит к синтезу ацетата.

Таким образом, основные способы существования сульфатредуцирующих эубактерий включают хемоорганотрофию (источники энергии — брожение или окисление органических субстратов в процессе сульфатного дыхания) или хемолитотрофию (источник энергии — анаэробное окисление H₂ с акцептированием электронов на SO₄^{2 –} ) в сочетании с конструктивным метаболизмом гетеротрофного или автотрофного типа.

Процесс получения энергии в результате сульфатного дыхания состоит из трех этапов: отрыв электронов от энергетического субстрата; перенос их по дыхательной цепи; присоединение к веществам, функционирующим в качестве конечных акцепторов электронов.

У сульфатвосстанавливающих эубактерий этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют различные субстратные дегидрогеназы (лактат-, пируват-, этанолдегидрогеназы) и гидрогеназы. Активные гидрогеназы, локализованные в цитоплазме и/или связанные с мембранами, обнаружены у многих представителей этой группы.

С помощью этих ферментов электроны передаются в дыхательную цепь. В качестве компонентов электронтранспортной цепи идентифицированы FeS-белки (ферредоксины, рубредоксин), флаводоксин, менахинон, цитохромы типа b, c. Особенностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих эубактерий является высокое содержание низкопотенциального цитохрома c₃ (E ₀' – 300 мВ), которому приписывают участие в акцептировании электронов с гидрогеназы. Все перечисленные выше соединения, вероятно, принимают участие в переносе электронов на SO₄^2–, но точная их последовательность и локализация на мембране не установлены. Получены данные, указывающие на то, что окисление H₂ происходит на наружной стороне мембраны, а реакция восстановления SO₄^2– — на внутренней. Из этого следует, что окисление H₂, сопряженное с восстановлением SO₄^2–, связано с трансмембранным окислительно-восстановительным процессом. Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается генерированием Dm_H⁺. На это указывает чувствительность процесса к веществам, повышающим проницаемость мембраны для протонов и делающим, таким образом, невозможным образование протонного градиента, а также к ингибиторам мембрансвязанной протонной АТФ-синтазы.

Последний этап, заключающийся в акцептировании сульфатом электронов с помощью серии редуктаз, представляет собой собственно диссимиляционную сульфатредукцию.

Известно восстановление сульфата до сульфида, входящего в состав серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин, метионин), в конструктивном метаболизме большинства эубактерий. Оно имеет место всегда при выращивании бактерий на среде, где источником серы служат сульфаты. Активность процесса ограничена потребностями клетки в серосодержащих компонентах, а они невелики. Ассимиляция сульфата начинается с его активирования с помощью АТФ в реакции, катализируемой АТФ-зависимой сульфурилазой:

SO₄^2– + 2H⁺ + АТФ ® АФС + ФФ,

где АФС — аденозинфосфосульфат, а ФФ — пирофосфат.

У многих бактерий аденозинфосфосульфат подвергается еще одному фосфорилированию с участием АТФ, в результате которого образуется фосфоаденозинфосфосульфат. Затем аденозинфосфосульфат (или его фосфорилированное производное) восстанавливается с образованием сульфита в реакции, катализируемой соответствующей редуктазой:

АФС + 2 е ^– ® АМФ + SO₃^{2 –} .

Последующее восстановление сульфита до сульфида осуществляется с помощью ассимиляционной сульфитредуктазы, катализирующей перенос 6 электронов на сульфит без образования каких-либо свободных промежуточных соединений:

SO₃^{2 –} + 6 e ^– + 6H⁺ ® S^2– + 3H₂O.

Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции отассимиляционной сводятся к следующему: диссимиляционное восстановление сульфата присуще только узкому кругу высокоспециализированных эубактерий: активность процесса диссимиляционной сульфатредукции намного выше, чем ассимиляционной, следствием чего является накопление в среде больших количеств H₂S; наконец, различны механизмы обоих процессов.

До стадии образования аденозинфосфосульфата и его последующего восстановления до сульфита оба процесса идут одинаково. Механизм восстановления SO₃^{2 –} до H₂S при диссимиляционной сульфатредукции до конца не выяснен. Обсуждаются два пути. Согласно первому из них восстановление сульфита до сульфида (как и при ассимиляционном восстановлении сульфата) катализируется одним ферментом. Более вероятен второй путь, по которому этот процесс протекает трехступенчато с участием сульфит-, тритионат- и тиосульфатредуктазы и сопровождается образованием тритионата (S₃O₆^{2 –} ) и тиосульфата (S₂O₃^{2 –} ) в качестве свободных промежуточных продуктов:

3SO₃^2– + 2 e ^– ® S₃O₆^{2 –} ; (1)

3S₃O₆^2– + 2 e ^– ® S₂O₃^2– + SO₃^{2 –} ; (2)

3S₂O₃^2– + 2 e ^– ® S^2– + SO₃^2–; (3)

При этом в реакциях 2 и 3 регенерируется сульфит, служащий субстратом реакции 1.

Не исключено, что у разных представителей группы восстановление сульфита до сульфида происходит по одно- или трехступенчатому пути.

У сульфатвосстанавливающих эубактерий обнаружены 3 типа сульфитредуктаз, участвующих в диссимиляционных процессах. Все они содержат сходные простетические группы, имеющие гемоподобную структуру и названные сирогемом. Простетические группы в белковом комплексе находятся в разном окружении, что и приводит к различиям в спектральных свойствах сульфитредуктаз. Подобные простетические группы не найдены в ферментах какого-либо иного типа.

Как можно видеть из разобранного выше процесса, окисление H₂, сопряженное с восстановлением SO₄^{2 –} до H₂S, происходит с образованием и потреблением полезной энергии. (Последнее имеет место при активировании сульфата.) Поэтому для общего положительного энергетического баланса необходимо, чтобы перенос электронов сопровождался функционированием не менее 2 генераторов Dm_H⁺. При использовании в качестве энергетических субстратов органических соединений в присутствии сульфата часть АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования, внося определенный вклад в общий энергетический метаболизм этих бактерий.

Сульфатвосстанавливающие эубактерий широко распространены в анаэробных зонах водоемов разного типа, почвах и пищеварительном тракте животных. Часто они развиваются вместе с пурпурными и зелеными серобактериями, использующими в качестве донора электронов возникающий при сульфатредукции сероводород. Сульфатвосстанавливающим эубактериям принадлежит ведущая роль в образовании сероводорода в природе, в отложении сульфидных минералов. Накопление в среде H₂S часто приводит к отрицательным последствиям: в водоемах — к гибели рыбы, в почвах — к повреждению растений. С активностью сульфатвосстанавливающих эубактерий связана также коррозия в анаэробных условиях различного металлического оборудования.

ГРУППЫ ХЕМООРГАНОТРОФНЫХ ЭУБАКТЕРИЙ

Большинство эубактерий используют в качестве источника энергии различные органические соединения, осуществляя их полное окисление до CO₂ и H₂O. Функционирующие у них системы извлечения энергии из органических субстратов состоят из нескольких взаимосвязанных механизмов. Рассмотрим пути, приводящие к получению энергии, на примере одного из представителей этой группы — Е. coli. Основное количество сахаров (~70%) катаболизируется у Е. coli по гликолитическому пути, в результате чего из 1 молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы пирувата, АТФ и НАД-H₂. Превращение остального количества сахара осуществляется по окислительному пентозофосфатному циклу, один оборот которого приводит к синтезу 1 молекулы пентозофосфата, 2 молекул НАДФ-H₂ и выделению 1 молекулы CO₂. Наконец, ряд субстратов (глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты) метаболизируются по пути Энтнера–Дудорова, что приводит к образованию 2 молекул пирувата и по 1 молекуле АТФ, НАД-H₂ и НАДФ-H₂.

Молекулы пирувата после их окислительного декарбоксилирования поступают в ЦТК, где происходит их полное окисление, приводящее к выделению 2 молекул CO₂, синтезу 3 молекул НАД-H₂ и 1 молекулы ФАД-H₂. В отличие от гликолиза и пути Энтнера — Дудорова окислительный пентозофосфатный цикл может обеспечить полное окисление исходного субстрата. Вторая особенность этого пути — отсутствие реакций, сопряженных с синтезом АТФ по механизму субстратного фосфорилирования.

Таким образом, функционирование гликолиза и пути Энтнера — Дудорова совместно с ЦТК, а также окислительного пентозофосфатного цикла приводит к полному окислению исходных субстратов углеводной природы. Электроны с переносчиков поступают в дыхательную цепь (см. рис. 95, В) и в зависимости от условий могут передаваться на молекулярный кислород или другие конечные акцепторы (фумарат, нитрат). Кроме того, Е. coli в анаэробных условиях в отсутствие подходящего акцептора может получать энергию, осуществляя брожение, основным продуктом которого является этанол.

Если исходными субстратами служат не сахара, а вещества другой химической природы, их превращение на первом этапе приводит к возникновению соединений, которые в дальнейшем катаболизируются по одному из основных описанных выше путей.

Биохимическое изучение широкого круга дышащих хемоорганотрофных эубактерий показало, что функционирующие у них системы получения энергии в принципе аналогичны описанной выше, различаясь определенными деталями: наличием одного или больше катаболических путей, составом переносчиков дыхательной цепи, природой используемых конечных акцепторов электронов и т. д. Складывается впечатление, что природа, создавая наиболее совершенную систему извлечения энергии из органических субстратов, на уровне прокариот опробовала сочетание разных механизмов, прежде чем остановиться на чем-то определенном.

У эубактерий, использующих органические соединения в качестве доноров электронов, мы также встречаемся с такими способами получения энергии, которые у высших форм жизни не встречаются. Остановимся на некоторых группах эубактерий, характеризующихся специфическими типами энергетических процессов.

Дата добавления: 2015-08-03