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

В основу классификации, предложенной В. П. Скулачевым, положено рассмотрение всех реакций взаимодействия клетки с молекулярным кислородом под углом зрения их "энергетической значимости". По химическим механизмам, лежащим в основе этих реакций, все они могут быть разделены на 2 типа. К первому типу относятся реакции, катализируемые кислородными трансферазами, или диоксигеназами, в которых имеет место прямое присоединение молекулы кислорода к молекуле метаболита:

A + O2 ® AO2.

Одна молекула субстрата может акцептировать оба атома молекулы кислорода, как это имеет место в приведенной выше реакции. Акцепторами O2 могут быть молекулы двух разных субстратов:

X + Y + O2 ® XO + YO.

Все подобные реакции представляют собой свободное окисление и не связаны с получением клеткой энергии.

В реакциях второго типа электроны идут к кислороду, выполняющему функцию конечного акцептора. В этом случае 1, 2 или 4 электрона в зависимости от природы переносчика акцептируются молекулой кислорода, что приводит в конечном итоге к ее неполному (O2, H2O2) или полному (H2O) восстановлению. Реакции данного типа катализируются ферментами, называемыми оксидазами, и могут представлять собой свободное окисление и окисление, сопряженное с запасанием энергии. К реакциям свободного окисления относятся реакции, катализируемые растворимыми оксидазами, локализованными в цитозоле клетки. Помимо них у прокариот описан ряд связанных с мембранами оксидаз цитохромной и нецитохромной природы, перенос электронов с которых на O2 также не сопряжен с запасанием энергии.

Промежуточными по химическому механизму реакциями между приведенными выше являются реакции, в которых судьба каждого из двух атомов в молекуле кислорода различна:

A + O2 + ДH2 ® AO + H2O + Д.

В этом случае 1 атом поглощенной молекулы кислорода используется для окисления вещества путем прямого присоединения к нему. а другой восстанавливается до H2O в присутствии подходящего донора электронов. Обе реакции катализируются одним ферментом, принадлежащим к группе монооксигеназ, или оксигеназ (оксидаз) со смешанными функциями. Монооксигеназы в клетке многочисленны и разнообразны. Они катализируют реакции свободного окисления. Участие в процессах, сопряженных с запасанием клеткой энергии, маловероятно.

Таким образом, оксигеназы — это ферменты, катализирующие активирование O2 и последующее включение 1 или 2 его атомов в молекулы различных субстратов. Если субстратом (акцептором O2) служит водород, фермент называют оксидазой. В этом смысле оксидазы можно рассматривать как специализированный класс оксигеназ.

Оксигеназы играют важную роль в процессах биосинтеза, деградации и трансформации клеточных метаболитов: ароматических аминокислот, липидов, сахаров, порфиринов, витаминов. Субстратами, на которые воздействуют оксигеназы, часто служат сильно восстановленные не растворимые в воде соединения; их окисление приводит к тому, что продукты реакции становятся более растворимыми в воде и, следовательно, биологически активными, что важно для их последующего метаболизирования. У строго анаэробных прокариот кислород, включаемый в молекулу субстрата, происходит не из O2, а из других соединений, например воды.

Следовательно, всю совокупность взаимодействия молекулярного кислорода с клеткой, с точки зрения лежащих в основе этого химических механизмов, можно свести к участию O2 в двух типах реакций, в первом из которых он выступает в качестве конечного акцептора электронов, а во втором происходит его прямое внедрение в молекулу вещества. Только первый тип реакций с участием молекулярного кислорода может стать источником энергии для клетки. Поэтому для нас важно проанализировать эволюцию взаимодействия клетки с O2 по пути формирования ею систем, включающих использование молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора электронов.

Формирование "оксидазного механизма" взаимодействия с молекулярным кислородом, сопряженного с запасанием энергии

С появлением в атмосфере O2 возникла возможность переноса на него электронов. Чтобы этот перенос мог быть связан с получением энергии, необходимо было сформировать электронтранспортные цепи с определенным образом ориентированными в мембране переносчиками, обеспечивающими на отдельных этапах перемещение протонов через мембрану, а электронов — на O2, и ферментный комплекс, преобразующий возникающую при электронном транспорте электрохимическую энергию в химическую, запасаемую в молекулах АТФ.

Со сформированными электронтранспортными цепями, локализованными в мембране, содержащими все типы переносчиков и имеющими прямое отношение к получению клеткой энергии, мы уже встречаемся у рассмотренных в главах 13 и 14 анаэробных эубактерий с наиболее просто организованной энергетикой хемотрофного (брожение) и фототрофного (бескислородный фотосинтез) типа: некоторых пропионовокислых бактерий, всех фотосинтезирующих пурпурных и зеленых бактерий. В клеточных мембранах этих организмов локализованы и функционируют сопряженные с электронным транспортом АТФ-синтазы.

П. Митчелл высказал предположение, что система переноса электронов и протонов и переносящая протоны АТФаза возникли независимо друг от друга и, вероятно, неодновременно как разные способы генерации DmH+, необходимого для обеспечения энергией процесса избирательного транспорта питательных веществ в клетку. Последующая "встреча" обеих систем, в клетке положила начало сопряжению процессов транспорта электронов и фосфорилирования в результате обращения работы АТФазы. Это сделало возможным запасание свободной энергии окисления в молекулах АТФ. Близкий состав и аналогичная структура энергопреобразующих мембран, большое сходство механизмов сопряжения у разных групп прокариот и эукариот указывают на то, что возникшая на раннем этапе эволюции система сопряжения электронного транспорта и фосфорилирования была использована всеми организмами без принципиальных изменений.

О происхождении обратимой протонной АТФазы Наиболее древнее происхождение имеет, вероятно, протонная АТФаза. Она обнаружена в клетках всех организмов, в том числе и у первичных анаэробов-бродильщиков, синтезирующих АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования. Гипотетические первичные клетки получали всю энергию за счет субстратного фосфорилирования и имели слаборазвитые биосинтетические способности. Поступление необходимых органических соединений из внешней среды и выделение конечных продуктов брожения происходило по механизму пассивного унипорта (см. рис. 26). Первичные клетки, вероятно, не имели клеточной стенки, а были отграничены от окружающей срезы только элементарной мембраной. Очевидно, что активные транспортные процессы, обеспечивающие избирательный перенос веществ против их концентрационных градиентов, были необходимы на очень ранних этапах клеточной эволюции.

Для выполнения этой задачи в клетках и была сформирована локализованная в ЦПМ АТФ-зависимая протонная помпа. Энергия гидролиза АТФ, осуществляемого АТФазой, использовалась для выталкивания протонов из клетки во внешнюю среду. Гидролиз одной молекулы АТФ приводит к переносу 2 протонов и созданию таким путем трансмембранного электрохимического протонного градиента. Экспериментально это было показано для молочнокислых бактерий и клостридиев, у которых нет дыхания, но в ЦПМ локализованы АТФазы, расщепляющие молекулы АТФ, образующиеся при брожении.

Таким образом, использование АТФ для создания DmH+ на мембране — эволюционно очень древний механизм прокариотной клетки. Позднее возник механизм синтеза АТФ за счет DmH+. Для этого надо было изменить направление работы протонного АТФазного комплекса.

Обратимо функционирующие протонные АТФазы мы находим у первичных анаэробов, получающих энергию в процессе брожения. Обнаружено, что выделение во внешнюю среду молочной и уксусной кислот молочнокислыми бактериями и клостридиями приводит к созданию на ЦПМ протонного градиента. У стрептококков, осуществляющих гомоферментативное молочнокислое брожение, молочная кислота накапливается в клетке в виде аниона, для которого ЦПМ практически непроницаема. Выход лактата из клетки происходит в процессе Электронейтрального симпорта с протонами (рис. 90). Аналогичную картину наблюдают у Clostridium pasteurianum, у которого накапливающиеся в клетке ионы ацетата проходят через ЦПМ в недиссоциированной форме. Поскольку внутри клетки концентрации молочной и уксусной кислот в начале брожения всегда выше, чем во внешней среде, выход их осуществляется с помощью соответствующих переносчиков по концентрационному градиенту, т. е. в процессе облегченной диффузии, не требующей энергетических затрат. Транспорт H+ в симпорте с лактатом или ацетатом приводит к генерированию на ЦПМDmH+. При накоплении во внешней среде кислот их концентрационный градиент постепенно падает, в результате чего способность образовывать протонный градиент, связанный с выделением кислот из клетки, уменьшается. При высоких концентрациях молочной и уксусной кислот в среде образование DmH+ на мембране зависит только от гидролиза АТФ.

Электрохимическая энергия протонного градиента, возникающая при выделении из клетки кислот в процессе брожения, может использоваться для транспорта в нее растворимых веществ, а также для синтеза АТФ, который осуществляется при функционировании протонной АТФазы в обратном направлении, т. е. в АТФ-синтазной реакции. Выход энергии за счет выделения из клетки продуктов брожения может быть довольно значительным. При гомоферментативном молочнокислом брожении, по проведенным подсчетам, он может достигать 30% от общего количества энергии, вырабатываемой клеткой. Таким образом, у некоторых эубактерий, получающих энергию в процессе брожения, АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования и дополнительно за счет использования DmH+, образующегося при выходе конечных продуктов брожения в симпорте с протонами. Следовательно, эубактерий с облигатно бродильным типом энергетики уже имеют протонные АТФазы, функционирующие в направлении гидролиза и синтеза АТФ, т. е. катализирующие обратимое взаимопревращение двух видов метаболической энергии:

АТФ « DmH+ Наконец, у некоторых первично анаэробных эубактерий-бродильщиков обнаружена АТФ-синтазная активность, сопряженная с короткими фрагментами переноса электронов с помощью связанных с мембраной переносчиков (см. ниже).

Растворимые системы переноса электронов на O2 у первичных анаэробов Как известно, перенос электронов лежит в основе всех окислительно-восстановительных процессов. В разных видах брожений, рассмотренных в гл. 13, перенос электронов (водорода) от одних органических молекул к другим обычно осуществляют растворимые НАД-зависимые дегидрогеназы:

где дг — соответствующие дегидрогеназы, содержащие НАД в качестве кофермента; А — молекула органического вещества, служащая акцептором электронов. Молекулы НАД-H2 используются в конструктивном метаболизме, обеспечивая восстановитель для биосинтетических процессов, а также в системе энергетического метаболизма, участвуя в решении "акцепторной проблемы". Электронный перенос в этом случае не приводит к получению клеткой энергии, она вырабатывается только в реакциях субстратного фосфорилирования.

У некоторых эубактерий описан прямой перенос электронов с растворимых НАД-зависимых ферментов на O2, приводящий к его восстановлению:

НАД-H2 + O2 ® НАД+ + H2O2 Окисление НАД-зависимых дегидрогеназ осуществляется также через посредство флавопротеинов, катализирующих перенос 1, 2 или 4 электронов на O2, что приводит к образованию супероксидного аниона, перекиси водорода или воды соответственно. O2 и H2O2 далее могут разлагаться ферментами, разобранными выше в этой главе.

У аэротолерантных анаэробов, таких как молочнокислые бактерии и некоторые клостридии, флавопротеины выполняют роль основного связующего звена между субстратом и молекулярным кислородом. Подобные системы могут быть полезными, например, для создания анаэробных условий в результате поглощения O2 из среды, но не имеют отношения к получению клеткой энергии. Восстановление O2, при котором в роли оксидаз, т. е. ферментов, непосредственно осуществляющих перенос электронов на молекулярный кислород, выступают флавопротеины, получило название "флавинового дыхания". В основном при флавиновом дыхании осуществляется двухэлектронный перенос на O2. Так, у молочнокислых бактерий рода Streptococcus 90% поглощенного O2 восстанавливается до H2O2.

Наконец, у некоторых эубактерий обнаружены оксидазы флавопротеиновой природы, катализирующие прямое окисление субстратов, например пировиноградной и молочной кислот, молекулярным кислородом:

Общая черта перечисленных выше путей электронного транспорта с участием одного-двух посредников на O2 — протекание реакций в цитозоле клетки, т. е. вне связи с клеточными мембранами, и отсутствие при этом запасания клеткой полезной энергии.

Принципиально важным шагом на пути создания электрон-транспортных систем, приводящим к получению клеткой энергии, явилось встраивание электронных переносчиков в мембрану.

Формирование связанных с мембраной путей переноса электронов в анаэробных условиях В клетках первичных анаэробов обнаружены короткие пути переноса электронов, осуществляемого с помощью мембран-связанных переносчиков. В некоторых случаях такой перенос сопровождается перемещением протонов через мембрану и приводит к образованию DmH+ и синтезу АТФ. Одним из наиболее изученных путей такого типа является фумаратредуктазная система, приводящая к восстановлению фумарата до сукцината.

Восстановление фумарата до сукцината может быть использовано для анаболических целей (необходимость сукцината для синтеза тетрапирролов) или же в катаболических процессах. В последнем случае все компоненты реакции могут быть растворимыми, и тогда процесс служит только для акцептирования электронов (рис. 91, 4), или же находиться в связанном с мембраной состоянии (рис. 91, Б–Г). По имеющимся данным, это не всегда приводит к синтезу АТФ. Образование протонного градиента на мембране при переносе электронов на фумарат зависит от состава и расположения электронных переносчиков.

Донорами электронов для восстановления фумарата могут служить НАД-H2, лактат, формиат или молекулярный водород, от которых электроны с помощью субстратспецифических дегидрогеназ переносятся на связанные с мембраной переносчики (рис. 91, Б). Среди переносчиков идентифицированы FeS-белки, менахинон и цитохромы типа b, однако перенос такого типа не связан с получением клеткой энергии.

Для образования протонного градиента в некоторых случаях достаточно, чтобы донор электронов и их конечный акцептор были расположены на разных сторонах мембраны. Поступление электронов на переносчик, локализованный на внешней стороне мембраны, приводит к выделению протонов в среду, а восстановление фумарата на другой стороне мембраны сопровождается их поглощением из цитоплазмы, при этом переноса протонов через мембрану не происходит. Разрядка образующегося протонного градиента с помощью АТФ-синтазы будет приводить к синтезу АТФ (рис. 91, Б). Если донор и акцептор электронов локализованы на одной стороне мембраны, тогда создание протонного градиента обеспечивается сочетанием переноса электронов и водорода по цепи, содержащей несколько переносчиков (рис. 91, Г). Перенос водорода через мембрану осуществляется с помощью хинонов. Дальнейшее усовершенствование электронного транспорта связано с включением в мембрану цитохромов.

Возможность синтеза АТФ при переносе электронов от НАД-H2, формиата, лактата, H2 на фумарат подтверждается соответствующими значениями окислительно-восстановительных потенциалов доноров и конечного акцептора электронов (см. табл. 11).

Функционирующее в системе клеточного катаболизма восстановление фумарата до сукцината обнаружено у ряда эубактерий, получающих энергию в процессе брожения. Одним из этапов на пути образования пропионовой кислоты при пропионовокислом брожении является восстановление фумарата до сукцината, катализируемое фумаратредуктазой (см. рис. 54). Фумаратредуктаза найдена также у некоторых клостридиев и молочнокислых стрептококков.

Хорошо известен связанный с мембраной фермент сукцинатдегидрогеназа катализирующий в ЦТК окисление сукцината до фумарата. Водород, акцептируемый в этой реакции флавинадениндинуклеотидом (ФАД), непосредственно поступает в дыхательную цепь (см. рис. 92). Поскольку фумаратредуктаза и сукцинатдегидрогеназа катализируют одну и ту же реакцию, но в разных направлениях, первоначально считали, что это один фермент. Сейчас показано, что реакции осуществляются разными ферментными белками. Информация о них содержится в разных генах. Синтез сукцинатдегидрогеназы индуцируется в аэробных, а фумаратредуктазы — в анаэробных условиях.

Ацетогенные клостридии оказались способными синтезировать ацетат из CO2 и H2:

2CO2 + 4H2 ® CH3-COOH + 2H2O.

Они могут расти хемолитоавтотрофно на среде, содержащей H2 в качестве единственного источника энергии. Следовательно, у этих организмов восстановление CO2 до ацетата, сопряженное в анаэробных условиях с окислением H2, должно быть связано с получением полезной энергии. Обнаружено, что в переносе электронов от H2 на CO2, ведущем к синтезу ацетата, участвуют флаводоксин, менахиноны и цитохромы типа b, т. е. переносчики того же типа, что и при функционировании фумарат-редуктазной системы.

Таким образом, у ряда первичных анаэробов, получающих энергию в процессах брожения, сформировались короткие, связанные с мембраной электронтранспортные цепи, функционирование которых ведет к образованию протонного градиента, используемого для синтеза АТФ. Из-за отсутствия подходящего конечного акцептора электронов в анаэробных условиях выход энергии в такого типа процессах низкий. Однако принципиальные основы для создания энергетики нового типа сформированы.

Для перехода к использованию энергии света необходимо было создание фоторецепторных молекул и "подключение" части из них к имеющимся электронтранспортным цепям. Такие фоторецепторы — Mg-порфирины — были сформированы. Фотосинтез начался, видимо, с создания системы фотоиндуцированного циклического электронного транспорта и служил сначала в качестве источника энергии, дополнительного к основному, которым являлись процессы брожения. Восстановитель первичные фотосинтезирующие организмы могли получать теми же путями, что и бродильщики, или же тратя для этого часть синтезированного АТФ в процессе обратного переноса электронов. Позднее для этой цели была сформирована способность прямого фотовосстановления НАД+, приведшая к созданию светозависимого нециклического электронного транспорта. Дальнейшее усовершенствование фотосинтетического аппарата привело к использованию воды в качестве донора электронов, побочным продуктом чего явилось образование молекулярного кислорода.

В результате фотосинтетического выделения O2 появилось химическое соединение, служащее активным окислителем. В ответ на появление O2 большинством прокариот были выработаны различные механизмы защиты. У некоторых линий приспособление к O2 на этом закончилось, в результате возникли анаэробные формы с разной степенью аэротолерантности.