2.2.2. Процессы анаэробного дыхания

При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов в электронтранспортной цепи являются неорганические или органические соединения. Например, если конечным акцептором электронов является , то процесс называют сульфатным дыханием, а бактерии – сульфатвосстанавливающими или сульфатредуцирующими. При использовании в качестве акцептора электронов элементарной серы (S⁰) анаэробное дыхание называется серным. В том случае, если конечным акцептором электронов служит или , то процесс называется нитратным дыханием или денитрификацией, а бактерии, осуществляющие этот процесс, – денитрифицирующими. В качестве конечного акцептора электронов может выступать СО₂, процесс соответственно называют карбонатным дыханием (метаногенез), а бактерии – метаногенными (метанобразующими). Одним из немногих примеров, когда конечным акцептором служит органическое вещество, является фумаратное дыхание.

У бактерий в процессе анаэробного дыхания работают укороченные электронтранспортные, или дыхательные, цепи. Они не содержат всех переносчиков, характерных для дыхательных цепей, функционирующих в аэробных условиях. Кроме того, в дыхательных цепях анаэробов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. У строгих анаэробов не функционирует цикл Кребса или же он разорван и выполняет только биосинтетические, но не энергетические функции. Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии, осуществляющие анаэробное дыхание, являются факультативными или облигатными анаэробами. К облигатным анаэробам относятся сульфатвосстанавливающие и метаногенные бактерии, также бактерии, осуществляющие серное дыхание. К факультативным анаэробам – денитрифицирующие бактерии и бактерии, осуществляющие фумаратное дыхание. Факультативные анаэробы могут переключать свой энергетический метаболизм с аэробного дыхания в присутствии в среде молекулярного кислорода на анаэробное дыхание в отсутствии молекулярного кислорода.

Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но больше, чем при брожении.

Рассмотрим примеры некоторых основных типов анаэробного дыхания.

Нитратное дыхание, или денитрификация

Как уже упоминалось, конечными акцепторами электронов при нитратном дыхании являются нитраты ( ) или нитриты ( ). Результатом нитратного дыхания является восстановление или до газообразных продуктов (NО, N₂О или N₂). Следует отметить, что к денитрификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цикла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят.

Суммарную реакцию нитратного дыхания, где окисляемым субстратом является глюкоза, а конечным акцептором электронов – нитраты, можно записать следующим образом:

C ₆H₁₂O₆ + 4 6CO₂ + 6H₂O + 2N₂ + х (кДж)

Таким образом, в процессе денитрификации происходит полное окисление органических субстратов до СО₂ и воды.

Полный процесс денитрификации состоит из четырех реакций восстановления, каждая из которых катализируется специфическими мембраносвязанными редуктазами.

Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют молибденсодержащие ферменты нитратредуктазы:

+ 2е^– + 2H⁺ + H₂O

Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализируют нитритредуктазы:

+ е^– + H⁺ NO + OН^–

Нитрат- и нитритредуктазы очень чувствительны к молекулярному кислороду, который ингибирует их активность, а также репрессирует синтез. Соответственно данные реакции (восстановление нитрата до нитрита и восстановление нитрита оксида азота) могут протекать только в том случае, когда кислород полностью отсутствует или когда его концентрация незначительна.

Третий этап: восстановление оксида азота до закиси азота (гемиоксида азота), катализируют редуктазы оксида азота:

2 NO + 2е^– + 2H⁺ N₂O + H₂O

Четвертый этап: восстановление закиси азота в молекулярный азот, катализируют редуктазы закиси азота:

N ₂O + 2е^– + 2H⁺ N₂ + H₂O

У денитрифицирующих бактерий, которые являются факультативными анаэробами, функционирует полная электронтранспортная цепь при аэробном дыхании, при наличии О₂ в среде, и укороченная – при анаэробном дыхании, когда О₂ отсутствует. Электронтранспортные цепи бактерий-денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины, хиноны, цитохромы b и с. Цитохромоксидазы в этих условиях не синтезируются, а их функции выполняют редуктазы (нитратредуктазы, нитритредуктазы, редуктазы оксида и закиси азота). Установлено, что нитратредуктазы денитрифицирующих бактерий связаны с дыхательной цепью на уровне цитохрома b, а нитритредуктазы и редуктазы оксида и закиси азота на уровне цитохрома с. Процесс полной денитрификации, когда происходит восстановление до N₂, транспорт электронов в дыхательной цепи можно представить следующим образом (рис. 17).

е^– е^–

НАДН Цитохром b Цитохром с

е^–

е^–

Нитратре-

дуктаза Нитрит-

редуктаза

NO-редуктаза

е^–

N₂O-редуктаза

е^– е^– е^–

NO N₂O N₂.

Рис. 17. Транспорт электронов в процессе денитрификации

Количество синтезируемых молекул АТФ зависит от строения дыхательной цепи, наличия и свойств соответствующих редуктаз. При «полной» денитрификации энергии запасается больше, чем при «усеченной», когда осуществляются только отдельные этапы этого процесса. Схематично нитратное дыхание при окислении глюкозы можно представить следующим образом (рис. 18).

ГЛЮКОЗА

Гликолиз,

пентозофосфатный путь,

путь Энтнера – Дудорова

АТФ + Пируват + НАДН

КоА-SH НАД⁺

СО₂

Ацетил-КоА

ЦТК

АТФ + СО₂ + НАДН

ФАДН₂ АТФ

,

Рис. 18. Схема нитратного дыхания

Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Способность к денитрификации обнаружена у представителей более чем 40 родов эубактерий и только у одной группы архебактерий, относящихся к экстремальным галофилам. Среди эубактерий способностью к денитрификации обладают грамотрицательные протеобактерии родов Pseudomonas, Alcaligenes, Paracoccus, Hyphomicrobium и Thauera, а также некоторые представители грамположительных бактерий рода Bacillus.

Денитрифицирующие бактерии – это обитатели пресных и морских водоемов, почв разного типа, хотя процесс денитрификации у них происходит только в анаэробных условиях, т. е. когда содержание кислорода падает ниже 0,2 %. Этот процесс считается вредным для сельского хозяйства, так как доступные для растений нитраты превращаются в недо-ступный для них молекулярный азот, что приводит к обеднению почвы азотом. Тем не менее денитрифицирующие бактерии являются важным звеном в круговороте азота в природе, обогащающим атмосферу молекулярным азотом. Кроме того, эти бактерии играют положительную роль в очистке подземных вод и почв от накопившихся в результате деятельности человека (внесение высоких доз удобрений, промышленные стоки) нитратов и нитритов, которые в больших концентрациях токсичны для живых организмов. В связи с этим денитрифицирующие бактерии используют для очистки сточных вод от нитратов.