Гусев М. В., Минеева Л. А. - Микробиология

У зеленых серобактерий и гелиобактерий в реакционных центрах под действием поглощенного кванта света "подъем" электронов осуществляется до уровня порядка — 500 мВ, что делает возможным прямое восстановление НАД+ или ферредоксина путем переноса электронов со вторичного акцептора на эти соединения, т. е. восстановитель образуется в фотохимической реакции. Таким образом, в этих группах фотосинтезирующих эубактерий в результате фотохимической реакции одного типа индуцируется как циклический транспорт электронов, приводящий к образованию АТФ, так и нециклический, при котором возникает восстановитель (рис. 75, Б).

У цианобактерий и прохлорофит в результате двух фотохимических реакций электроны поднимаются до уровня приблизительно — 500 мВ, что делает возможным их прямой перенос на молекулы ферредоксина и НАДФ+ (рис. 75, В). В группах эубактерий, осуществляющих кислородный фотосинтез, фотоиндуцируются два потока электронов: циклический и нециклический. Циклический перенос электронов, связанный с активностью I фотосистемы, приводит к получению только энергии. При нециклическом электронном транспорте, обеспечиваемом активностью двух последовательно функционирующих фотохимических реакций, на конечном этапе электронного переноса образуется восстановитель, а на отрезке электронтранспортной цепи между двумя фотосистемами, где электроны переносятся по электрохимическому градиенту, имеет место запасание энергии в молекулах АТФ.

Экзогенные доноры электронов в бескислородном фотосинтезе

Нециклический транспорт электронов приводит к тому, что электрон, "оторвавшийся" от молекулы хлорофилла, не возвращается к ней, а переходит на другие переносчики, с которых потом используется в системе реакций восстановительной природы. В результате в молекуле хлорофилла возникает электронная "вакансия", которую необходимо заполнить, чтобы молекула пигмента могла функционировать. Для этой цели сформировался поток электронов, донорами которых являются легко окисляемые экзогенные вещества.

В качестве веществ — экзогенных доноров электронов — используются как органические, так и неорганические соединения. В последнем случае это в основном различные восстановленные соединения серы (H2S, сульфит, молекулярная сера, тиосульфат, тетратионат, тиогликолят), а также молекулярный водород.

Что представляют собой сформировавшиеся у эубактерий, осуществляющих бескислородный фотосинтез, пути переноса электронов от экзогенных доноров? Окислительно-восстановительные потенциалы органических и неорганических соединений, используемых в качестве экзогенных доноров электронов, таковы, что эти соединения не могут осуществлять темновое восстановление НАД+. В то же время они достаточно отрицательны, чтобы обеспечить донирование электронов на молекулы бактериохлорофилла реакционного центра55.

55 Исключение составляет молекулярный водород, окислительно-восстановительный потенциал которого ( — 420 мВ) достаточен для темнового восстановления НАД+.

У пурпурных и зеленых нитчатых бактерий, у которых функционирует только светозависимый циклический электронный транспорт, нет надобности в заполнении электронной "вакансии" в молекуле хлорофилла. В то же время проблема получения фотохимическим путем восстановителя не решена.

Конкретные пути, ведущие к получению восстановленного НАД или ферредоксина, зависят от окислительно-восстановительного потенциала экзогенных доноров электронов. При окислении сукцината, например, электроны прямо поступают на хиноновые соединения и от них с помощью энергозависимого обратного электронного транспорта на НАД+ и ферредоксин. При окислении восстановленных соединений серы, потенциал которых недостаточно отрицателен для восстановления хинонов, электроны поступают на них не прямо, а через реакционные центры (см. рис. 75, А). В их переносе до реакционного центра участвуют растворимые и связанные с мембраной флавопротеины и цитохромы.

Функционирование фотохимического пути образования восстановителя у зеленых серобактерий и гелиобактерий ставит их перед проблемой заполнения возникающих электронных "вакансий" в молекулах бактериохлорофилла реакционного центра. Это достигается путем переноса электронов по электрохимическому градиенту от экзогенного донора к молекулам пигмента. В переносе участвуют растворимые и связанные с мембраной цитохромы типа b и с (см. рис. 75, Б). Таким образом, на определенном этапе эволюции эубактерий сформировался способ получения энергии, в основе которого лежит использование энергии света, и для функционирования этого пути необходимы определенные экзогенные вещества.

Можно только предполагать, как складывались механизмы для более эффективного использования этого вида энергии. На первых этапах, когда в окружающей среде содержалось достаточное количество восстановленных органических соединений, свет, вероятно, использовался в качестве дополнительного к субстратному фосфорилированию источника энергии. Чтобы осуществить эту функцию, необходимо трансформировать энергию света в химическую энергию в форме АТФ. Для этого достаточно было сформирования фотоиндуцированного циклического электронного транспорта, приводящего только к синтезу АТФ. Потребность в восстановителе обеспечивалась за счет органических соединений, содержавшихся во внешней среде.

Постепенное уменьшение содержания в среде восстановленных органических субстратов привело существовавшие тогда фототрофные организмы к необходимости расширить круг используемых источников углерода. Они приобрели способность усваивать в качестве такого источника углекислоту. Возникновение этой способности остро поставило вопрос об источнике электронов, необходимых для восстановления углекислоты до уровня восстановленности углеродсодержащих соединений клетки. Световая энергия стала использоваться не только для получения АТФ, но и для образования восстановителя, т. е. сформировался нециклический путь переноса электронов. Отток электронов на конструктивные процессы необходимо было компенсировать притоком электронов, способных заполнить электронную "вакансию" в молекуле хлорофилла.

Происходил постоянный поиск в окружающей среде соединений, которые могли бы выполнять функцию экзогенных доноров электронов. Определенным шагом вперед была большая независимость от органических соединений внешней среды, выразившаяся в способности использовать в качестве экзогенных доноров электронов восстановленные соединения серы.

Возникновение второй фотосистемы

Выбор в качестве экзогенных доноров электронов восстановленных соединений серы обусловил определенную привязанность возникших фототрофных эубактерий к местам обитания, где эти соединения имеются. Колоссальное преимущество форм, которые сохранив положительные моменты сформированного фотосинтетического аппарата, могли бы в качестве экзогенного донора электронов использовать повсеместно распространенное вещество, очевидно. Таким веществом является вода. Поэтому следующий принципиально важный шаг на пути эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих организмов — способность использовать воду в качестве донора электронов.

Однако окислительно-восстановительный потенциал системы вода — молекулярный кислород равен+ 820 мВ, из чего следует, что электронная "вакансия", возникающая, например, в молекуле бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий при нециклическом транспорте электронов, не может быть заполнена электроном воды (фотоокисленная форма бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий — пигмента П840 — имеет окислительно- восстановительный потенциал порядка +250 мВ). Чтобы использование электронов воды стало возможным, необходимо, во- первых, их "оторвать" от молекулы H2O, термодинамически очень невыгодного донора электронов, и, во- вторых, "поднять" на более высокий энергетический уровень, позволяющий включаться в фотосистему, описанную выше. Природа решила эти проблемы путем создания дополнительной пигментной системы, обозначаемой как фотосистема II.

Известны две группы эубактерий, у которых фотосистема II уже сформировалась, и процесс фотосинтеза функционирует на качественно ином уровне. Это цианобактерии и прохлорофиты. Формирование II фотосистемы у них связано с появлением новых фоторецепторов и образованием новых типов фотохимических реакционных центров. Возник новый вид хлорофилла — хлорофилл а, функционирующий как светособирающий пигмент и в модифицированных формах входящий в состав реакционных центров: II фотосистемы — П680, I фотосистемы — П700. Возникли и новые пигменты антенны: фикобилипротеины и хлорофилл b.

Обнаружено, что в фотоокисленном состоянии хлорофилл a реакционного центра II фотосистемы имеет окислительно-восстановительный потенциал порядка +1000...+1300 мВ, т. е. настолько положительный, что может быть восстановлен за счет электронов воды. Механизм реакций, связанных с переносом электронов от молекул воды на П680, неизвестен. Установлено, что необходимым компонентом системы разложения воды является марганец. Очевидно также, что путь электронов от воды до П680 включает больше, чем один этап. Таким образом, фотосистема II была достроена к фотосистеме I для того, чтобы стало возможным использование воды в качестве донора электронов. Побочный продукт этого процесса — молекулярный кислород. Фотосинтез, осуществляемый при координированном функционировании двух фотосистем и сопровождающийся выделением O2 из воды, стал одним из основных типов энергетического метаболизма у высших форм жизни и занимает доминирующее положение в энергетической системе живого мира.

Общая схема фотосинтеза цианобактерии представляет собой определенную серию реакций, включающую две последовательно действующие фотореакции (рис. 75, В). Свет, поглощаемый фоторецепторами II фотосистемы — фикобилипротеинами, хлорофиллом a, каротиноидами, — передается на хлорофилл реакционного центра. Поглощение кванта света этим пигментом приводит к отрыву от него электрона и акцептированию молекулой особой формы пластохинона. Окисленная молекула Лево восстанавливается за счет электронов воды, подвергающейся фотоокислению в реакционных центрах фотосистемы II:

Электрон от акцептора II фотосистемы проходит через цепь переносчиков и поступает в реакционный центр I фотосистемы, на фотоокисленную форму хлорофилла a — пигмент П700 (E0 ~+500 мВ), заполняя электронную "вакансию" аналогично тому, как это происходит при фотосинтезе зеленых серобактерий. Перенос электронов от акцептора электронов II фотосистемы до реакционного центра I фотосистемы — темновой процесс, состоящий из серии этапов, в которых участвуют переносчики с понижающимися восстановительными потенциалами, такие как цитохромы разного типа, пластоцианин (медьсодержащий белок), пластохинон. Электронный транспорт на этом участке на определенных этапах сопровождается ориентированным поперек мембраны переносом протонов и, следовательно, генерированием DmH+, разрядка которого с помощью протонной АТФ-синтазы приводит к синтезу АТФ.

Поглощение еще одного кванта света молекулой хлорофилла реакционного центра I фотосистемы (П700) приводит к отрыву от нее электрона, перемещающегося против электрохимического градиента, и акцептированию его молекулой FeS-белка, функционирующего у цианобактерии в качестве вторичного акцептора электронов I фотосистемы. От FeS-центра электрон проходит через цепь переносчиков (ферредоксин, флавопротеин) и акцептируется молекулой НАДФ+56. Восстановленные молекулы НАДФ далее используются как доноры электронов в различных биосинтетических процессах и в первую очередь для восстановления CO2.

56 У цианобактерии два этапа электронного транспорта могут осуществляться с помощью разных переносчиков: от цитохрома f до П700 с помощью пластоцианина или при недостатке меди с помощью цитохрома c553; от FeS до НАДФ+ с участием ферредоксина и флавопротеина или при недостатке железа в среде с участием специфического флавопротеина — флаводоксина.

Итогом двух фотохимических реакций является создание "ассимиляционной силы" — НАДФ-H2 и АТФ. Конечные продукты фотосинтеза в этом случае в принципе аналогичны продуктам, образующимся при бескислородном фотосинтезе, за исключением того, что в последнем случае восстановитель находится в форме НАД-H2.

I фотосистема цианобактерий и прохлорофит (как и эубактерий, имеющих только одну фотосистему) фотоиндуцирует также циклический перенос электронов (рис. 75, В), обеспечивающий клетку энергией. В циклическом потоке электроны, акцептированные FeS-белком, через цепь переносчиков вновь возвращаются к месту своего старта и заполняют электронную "вакансию" в молекуле П700. Циклический электронный транспорт сопровождается генерированием протонного градиента и синтезом АТФ.

Для восстановления 1 молекулы CO2 у фототрофов, имеющих две фотосистемы, необходима энергия 8 — 10 квантов поглощенного света. Эта величина складывается из следующих значений. Перенос одного электрона от воды на НАДФ+ требует 2 квантов света. Восстановление молекулы НАДФ+ происходит с использованием 2 электронов, т. е. 4 квантов света. Для ассимиляции 1 молекулы CO2 в восстановительном пентозо-фосфатном цикле необходимы 2 молекулы НАДФ-H2, т. е. 8 квантов света. Кроме восстановителя в процессе ассимиляции CO2 используется энергия в виде АТФ. В нециклическом электронном транспорте наряду с НАДФ-H2 при переносе 2 электронов синтезируются предположительно 2 — 3 молекулы АТФ. Ассимиляция 1 молекулы CO2 в восстановительном пентозофосфатном цикле требует 3 молекул АТФ.

Таким образом, нециклическая электронтранспортная система способна или целиком обеспечивать ассимиляцию CO2 в восстановительном пентозофосфатном цикле энергией, или для этого нужны дополнительные молекулы АТФ. Последние могут быть получены в циклическом процессе при затрате дополнительных квантов света.

Определение квантового расхода при восстановлении CO2 у эубактерий с одной фотосистемой обнаружило такую же величину. Поскольку у этих бактерий только одна фотосистема, для активирования электрона необходим 1 квант света. Поэтому восстановление молекулы НАД+ требует только 2 квантов света и, следовательно, общий квантовый расход для ассимиляции CO2 у эубактерий с одной фотосистемой должен быть значительно ниже, чем у организмов с двумя фотосистемами. Чтобы объяснить экспериментально полученные данные, высказываются следующие предположения. У пурпурных и зеленых нитчатых бактерий, у которых фотоиндуцируется только циклический транспорт электронов, квантовый расход отражает величину световой энергии, затрачиваемой на осуществление обратного транспорта электронов, приводящего к восстановлению НАД+, а также на ассимиляцию CO2. У зеленых серобактерий и гелио-бактерий фотоиндуцируемый нециклический перенос электронов (в отличие от фототрофов с двумя фотосистемами) не связан с получением клеточной энергии. Энергия вырабатывается только в процессе циклического переноса электронов, при этом система циклического фотофосфорилирования включает 2 генератора DmH+.

Пути использования сo2 Фотосинтезирующими эубактериями

Согласно распространенным представлениям наиболее древние формы жизни, источником энергии для которых служили реакции субстратного фосфорилирования, использовали органические соединения внешней среды одновременно по двум каналам: в качестве источника энергии и источника углерода. Постепенное исчерпание таких соединений из окружающей среды поставило организмы перед двумя проблемами: поиском новых источников энергии и новых источников углерода. В первом случае это привело к использованию энергии света, во втором — к использованию углекислоты.

Как предельно окисленное соединение CO2 не может служить источником энергии, эта же ее особенность делает углекислоту и "дорогостоящим" источником углерода. И только обеднение среды восстановленными углеродными соединениями на начальном этапе развития жизни поставило организмы перед необходимостью использовать углекислоту в качестве источника углерода ценой больших энергетических затрат, т. е. сформировать механизмы автотрофной фиксации CO2 и выработать способность синтезировать все углеродные соединения из углерода углекислоты. Однако было бы неверным считать, что до этого углекислота была инертным соединением и никак не вовлекалась в метаболизм анаэробных хемогетеротрофов. Наоборот, углекислота весьма активно использовалась в конструктивном и энергетическом метаболизме разных групп первично анаэробных хемогетеротрофов.

Все гетеротрофные организмы (низшие и высшие) с помощью определенных ферментативных реакций активно включают углекислоту в метаболизм, при этом у прокариот пути использования CO2 намного многообразнее, чем у эукариот57. Углекислота у прокариот активно используется по путям как конструктивного, так и энергетического метаболизма. В конструктивном метаболизме она выполняет две основные функции: присоединение углекислоты в качестве C1-группы к молекуле клеточного метаболита приводит к удлинению ее углеродного скелета; кроме того, при этом происходит регулирование общего уровня окисленности- восстановленности клеточных метаболитов, поскольку включение CO2-группы в молекулу приводит к заметному повышению степени ее окисленности. В этом случае CO2 входит в состав веществ клетки.

57 Предположение о том, что использование CO2 является, вероятно, общим свойством всех организмов, было высказано еще в 1908 г. А. Ф. Лебедевым. Впервые фиксацию CO2 наблюдали в 1936 г. у пропионовых бактерий X. Вуд и К. Веркман.

Свойство предельной окисленности молекулы CO2 используется в энергетическом метаболизме ряда анаэробных эубактерий, получающих энергию в процессе брожения, где CO2 служит для удаления избытка восстановителя, т. е. как конечный акцептор электронов. Эта же особенность молекулы CO2 находит применение и в энергетическом метаболизме некоторых анаэробных эубактерий (ацетогены) и архебактерий (метаногены), но у них электроны на CO2 поступают через цепь связанных с мембраной переносчиков электронного транспорта. CO2, участвующая в реакциях энергетического метаболизма, не включается в вещества клетки, а продукты ее восстановления (в виде молекул формиата, ацетата, метана) накапливаются в среде. В наибольшей степени способность вовлекать CO2 в метаболизм среди первично анаэробных хемогетеротрофных эубактерий проявляется в группе клостридиев.

Основным путем включения CO2 в вещества клетки у хемогетеротрофных прокариот служат реакции карбоксилирования. Обнаружено несколько десятков таких реакций, некоторые из них приведены в табл. 24.

Можно полагать, что к тому времени, когда возникла необходимость шире использовать CO2 как источник углерода для построения веществ клетки, уже были сформированы различные ферментативные реакции включения CO2 в хемогетеротрофный метаболизм. Обращает на себя внимание, что акцепторами углекислоты служили органические кислоты, используемые в большинстве случаев в активированной форме. Поэтому основа для перехода к более интенсивному использованию CO2 в конструктивном метаболизме, приведшая в конечном итоге к автотрофии, была заложена в недрах хемогетеротрофного метаболизма.

Некоторые анаэробные прокариоты, относящиеся к эу- и архебактериям, — хемоавтотрофы. Фиксация CO2 у них происходит по ацетил-КоА-пути, не замкнутому в цикл (см. рис. 62). Образующийся ацетил-КоА служит акцептором третьей молекулы CO2, что приводит к синтезу пировиноградной кислоты (см. табл. 24). Возможно, этот путь фиксации CO2 — первая примитивная форма автотрофии. Кажется вполне вероятным, что дальнейшие поиски путей автотрофного метаболизма проходили параллельно с формированием аппарата для использования энергии света, поскольку на первом этапе эволюции энергетические и конструктивные процессы зависели от одних и тех же источников и, следовательно, организмы одновременно были поставлены перед проблемой поиска новых источников энергии и углерода.

Таблица 24. Включение CO2 в клеточные метаболиты у хемогетеротрофов