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

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 SO42– 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 (SeO42 – ® SeO32 – ), 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 SO42 – ) 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 (E0' –300 мВ), которому приписывают участие в акцептировании электронов с гидрогеназы. Все перечисленные выше соединения, вероятно, принимают участие в переносе электронов на SO42–, 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 SO42– — на внутренней. Из этого следует, что окисление H2, сопряженное с восстановлением SO42–, связано с трансмембранным окислительно-восстановительным процессом. Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается генерированием DmH+. 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:

SO42– + 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 + 2е – ® АМФ + SO32 – .

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

SO32 – + 6e– + 6H+ ® S2– + 3H2O.

Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции от ассимиляционной 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 SO32 – 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 (S3O62 – ) и тиосульфата (S2O32 – ) в качестве свободных промежуточных продуктов:

3SO32– + 2e– ® S3O62 – ; (1) 3S3O62– + 2e– ® S2O32– + SO32 – ; (2) 3S2O32– + 2e– ® S2– + SO32–; (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 SO42 – 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 DmH+. 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.

Метилотрофы

Среди прокариотных и эукариотных микроорганизмов довольно широко распространена способность использовать для роста многие соединения, содержащие один атом углерода, более восстановленные, чем CO2, а также соединения, содержащие больше одного углеродного атома, но не имеющие С-С-связей. К веществам первого типа относятся окись углерода (CO), метан (CH4), метанол (CH3OH), формальдегид (HCOH), муравьиная кислота (HCOOH), метиламин (CH3NH2), хлорметан (CH3Cl), цианистый калий (KCN) и др. Примером соединений второго типа служат ди- и триметиламины [(CH3)2NH, (CH3)2N], диметилсульфид [(CH3)2S], метилформиат (CH3COOH)68 и др. Обычно такие соединения называются одноуглеродными, или C1-соединениями. В большинстве из них углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие эти соединения, получили название метилотрофов.

68 Структурная формула метилформиата:

Использовать C1-соединения могут многие аэробные и анаэробные прокариоты. Среди анаэробов такой способностью обладают, например, сульфатвосстанавливающие эубактерий, метанобразующие архебактерии, многие типичные хемо- и фототрофные эубактерии. К метилотрофам относят облигатно аэробные эубактерии, обладающие способностью использовать в качестве единственного источника углерода и энергии одноуглеродные соединения. Круг таких организмов широк. Это различные грамположительные и грамотрицательные формы — представители Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Protaminobacter, Arthrobacter, Nocardia и др.

В отношении способа питания различают две основные группы метилотрофов: факультативные и облигатные. Факультативные метилотрофы наряду с одноуглеродными могут использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Группа облигатных метилотрофов включает эубактерии, использующие только одноуглеродные соединения.

В IX издании Определителя бактерий Берги облигатные и факультативные метилотрофы выделены в семейство Methylococcaceae, включающее роды Methylococcus и Methylomonas. Основной признак, принятый во внимание при выделении в это семейство, — способность использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии в аэробных или микроаэробных условиях.

Метилотрофы, отнесенные к семейству Methylococcaceae, грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами клеток, подвижные или неподвижные. Некоторые штаммы образуют цисты. Характерной особенностью при росте на метане является наличие в клетке развитой системы внутрицитоплазматических мембран, которые могут быть разделены на два типа: внутрицитоплазматические мембраны I типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных по всей цитоплазме; внутрицитоплазматические мембраны II типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки.

Помимо метана в качестве единственного источника углерода и энергии облигатные метилотрофы могут использовать метанол, формальдегид и другие C1-соединения, а факультативные — также C2-, C4-кислоты, этанол, глюкозу. Использование метилотрофами C1-соединений в конструктивном и энергетическом метаболизме привело к формированию у них специфических путей ассимиляции и диссимиляции этих соединений.

Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы (рис. 99).

Первый этап — окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:

CH4 + O2 + H2A ® CH3OH + A + H2O.

где O2 — молекулярный кислород, а H2A — восстановитель. Из приведенной реакции становится понятной облигатная зависимость окисления метана от молекулярного кислорода.

Описаны две формы метанмонооксигеназы: связанная с внутрицитоплазматическими мембранами и растворимая. Донором электронов для первой предположительно может быть восстановленный цитохром с или НАД-H2, образующийся в результате обратного электронного транспорта, для второй — только НАД(Ф)-H2 или соединения, которые окисляются с его образованием. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.

Формальдегид у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида превращается в вещества клетки по специфическим для этих эубактерий ассимиляционным циклическим путям, большая часть окисляется до CO2 в линейной последовательности реакций через формиат.

Дыхательные цепи метилотрофов по составу переносчиков и их локализации на мембране похожи на таковые большинства аэробных эубактерий, что предполагает возможность функционирования у них трех пунктов сопряжения. В окислитель-ком метаболизме C1-соединений участвуют НАД, флавины, хиноны, цитохромы типа b, c, a, o.

Этап окисления метана до метанола, катализируемый оксигеназным ферментом, не связан с получением клеткой энергии. Энергетическая эффективность окисления C1-соединений соответствующими дегидрогеназами определяется местом поступления электронов в дыхательную цепь. Окисление метанола до формальдегида, катализируемое ферментом, содержащим в качестве простетической группы особый хинон, сопровождается передачей электронов в дыхательную цепь на уровне цитохрома c. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. указывает на функционирование только третьего пункта сопряжения (см. рис. 96).

Окисление формальдегида и формиата, зависимое от НАД, позволяет предполагать, что перенос пары электронов может быть связан с тремя трансмембранными перемещениями протонов. Полученные экспериментальные данные указывают, однако, на меньшие выходы АТФ. Вопрос о том, на каком уровне передаются электроны от формальдегида и формиата в дыхательную цепь, не вполне ясен.

У метилотрофов функционируют циклические пути ассимиляции C1-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. В восстановительном пентозофосфатном цикле (см. рис. 77) происходит ассимиляция CO2, образующейся при окислении C1-соединений. У метилотрофов этот путь не имеет широкого распространения и обнаружен только у представителей, способных расти автотрофно, а также у тех, кто может использовать формиат.

В рибулозомонофосфатном и сериновом циклах обеспечивается использование в биосинтетических процессах формальдегида, образуемого при окислении разных C1-соединений. Первая реакция рибулозомонофосфатного пути — акцептирование формальдегида молекулой рибулозо-5-фосфата, приводящее к образованию гексулозо-6-фосфата, который изомеризуется затем во фруктозо-6-фосфат (рис. 100, А). Ферменты, катализирующие обе реакции, специфичны для данного цикла. Далее возможны разные варианты. По одному из них фруктозо-6-фосфат подвергается фосфорилированию. Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две триозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. 3-ФГА и фруктозо-6-фосфат участвуют в серии реакций, приводящих к регенерации акцептора формальдегида — рибулозо-5-фосфата. Эти реакции аналогичны таковым восстановительного пентозофосфатного цикла (см. рис. 77). Три оборота рибулозомонофосфатного цикла приводят к синтезу молекулы фосфодиоксиацетона, используемого в биосинтетических процессах.

Сериновый цикл существенно отличается от предыдущего пути ассимиляции формальдегида природой интермедиатов и ферментами (рис. 100, Б). Ключевая реакция этого пути — конденсация формальдегида и глицина в присутствии тетрагидрофолиевой кислоты, приводящая к образованию серина. Последний в реакции трансаминирования превращается в оксипировиноградную кислоту, последовательное восстановление и фосфорилирование которой приводит к образованию 3-ФГК. Одна часть 3-ФГК используется для синтеза вещества клетки, другая превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. Последующее карбоксилирование ФЕП приводит к синтезу молекулы щавелевоуксусной кислоты. Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовлекается CO2. Последующая серия реакций приводит к регенерированию глицина, и цикл замыкается.

Ассимиляция формальдегида через рибулозомонофосфатный цикл характерна для метилотрофов, имеющих мембранную организацию I типа, а через сериновый — для метилотрофов с системой внутрицитоплазматических мембран II типа.