Дихання бактерій

1. Цикл трикарбонових кислот. Утворені у процесі розпаду мономерів сполуки містять ще значну кількість енергії. Повне ступінчасте вилучення енергії відбувається у процесі дихання. Щоб максимально використовувати енергетичні можливості, закладені у процесі перенесення електронів від субстрату на молекулярний кисень, необхідно було:

• сформувати механізми, що дозволяють повністю відщеплювати водень (електрони) від субстрату;

• створити системи, в яких весь відщеплений водень передаватиметься на O2 найраціональнішим шляхом,

• утворити механізми, за допомогою яких енергія переносу електронів трансформуватиметься в хімічну енергію, доступну для використання в усіх енергозалежних процесах клітини.

Еволюційне розв’язання цих задач наступне:

1. Повне відщеплювання водню від органічного субстрату досягається в результаті функціонування ЦТК або окислювального пентозофосфатного циклу. Якщо енергетичний субстрат – неорганічні сполуки, для їх окислення були сформовані ферментативні реакції, що каталізуються відповідними дегідрогеназами.

2. Перенесення водню на молекулярний кисень здійснюється за допомогою системи структурно і функціонально взаємозв’язаних переносників, що складають "дихальний ланцюг".

3. Енергетичні можливості перенесення електронів по електрохімічному градієнту реалізуються в результаті функціонування механізмів, що сполучають електронний транспорт з фосфорилюванням.

ЦТК можна розглядати як механізм, що має двояке значення:

- забезпечує повне окислення органічного субстрату і відщеплення водню;

- постачає клітини попередниками для біосинтетичних процесів.

Початковим субстратом ЦТК слугує ацетил-КоА, що утворюється в аеробів із пірувату в реакції, яка каталізується піруватдегідрогеназним комплексом:

CH3-CO-COOH + КоA-SH + НАД+ → CH3-CO~S-КоA + НАД-H2 + CO2

Енергетичним "паливом", що переробляється у ЦТК, слугують не тільки вуглеводи, але і жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетил-КоА), а також багато амінокислот (після видалення аміногрупи в реакціях дезамінування або переамінування). В результаті одного обороту циклу відбуваються 2 декарбоксилювання (виведення з циклу 2 атомів вуглецю (2 молекули CO2), тобто рівно стільки, скільки його поступило у вигляді ацетилової групи), 4 дегідрування (утворюються 3 молекули НАД-H2 і 1 молекула ФАД-H2) і 1 фосфорилювання.

Дефіцит оксалоацетату, внаслідок його використання для процесів біосинтезу, компенсується як у реакціях карбоксилювання пірувату або фосфоенолпірувату, так і за допомогою послідовності з двох реакцій, що отримали назву гліоксилатного шунта. В першій з них ізоцитрат під дією ізоцитратліази розщеплюється на сукцинат і гліоксилат. У другій реакції, що каталізує малатсинтаза, гліоксилова кислота конденсується з ацетил-КоА з утворенням малату, який перетворюється далі на оксалоацетат. У результаті двох нових реакцій відбувається синтез C4-кислоти з двох C2-залишків (рис. 8). Гліоксилатний шунт не працює при вирощуванні на субстратах, катаболізм яких приводить до утворення піровиноградної кислоти. Він включається при вирощуванні організмів на C2-сполуках.

2. Структура дихального ланцюга. Групи первинно анаеробних хемогетеротрофів не мають розвиненої системи мембранного електронного транспорту. Повністю сформованою системою дихального електронного транспорту володіють фотосинтезуючі еубактерії: ціанобактерії, багато пурпурних бактерій (найбільшою мірою дихання розвинено в несірчаних пурпурних бактерій). Усі облігатно і факультативно аеробні хемотрофи мають дихальні ланцюги.

У різних груп еубактерій вони значно розрізняються, що виражається в заміні одних переносників іншими зі схожими властивостями (убіхінон — менахінон); додаванні або видаленні якого-небудь переносника (наприклад, цитохрому с); розгалуженні на рівні первинних дегідрогеназ, включенні відновних еквівалентів із субстратів, що окисляються, в ланцюг і галуженні, пов’язаному з присутністю 2 або більше цитохромоксидаз.

Електрони з відновлених переносників (НАД-H2, НАДФ-H2, ФАД-H2), що утворюються при функціонуванні ЦТК або окислювального пентозофосфатного циклу, поступають у дихальний ланцюг, де проходять через ряд етапів, опускаючись поступово на все нижчі енергетичні рівні й акцептуються кінцевим акцептором електронів. Перенесення електронів приводить до значної зміни вільної енергії в системі.

У еубактерій дихальні ланцюги вражають різноманітністю своєї конкретної організації при збереженні принципової схожості в будові та функціонуванні. Компоненти дихального ланцюга занурені в ліпідний шар – це ферменти, коферменти, простетичні групи, гідрогенази і транспортні системи, що беруть участь у переносі електронів і водню. Найважливіші компоненти такі:

Флавопротеїни – ферменти, що містять як простетичну групу ФМН чи ФАД. Переносять водень. Активна група – ізоалоксазинова система, яка діє як зворотна окисно-відновна система. Реагуючими центрами слугують 2 атоми азоту, кожен з яких може зв’язуватися з одним Н+.

Залізосірчані білки – окисно-відновні системи, що переносять електрони. Вони містять атоми заліза, пов’язані з одного боку з сіркою амінокислоти цистеїну, а з іншого – з неорганічною сіркою. Остання дуже легко відщеплюється у вигляді сірководню при підкисленні. Fе-S центри здатні переносити лише 1 електрон. 80% наявного у цитоплазматичній мембрані заліза заходиться в Fе-S-білках і лише 20% - у цитохромах.

Хінони – у Гр- - убіхінон, у Гр+ - нафтохінони. Ліпофільні, локалізовані у бішарі. Можуть переносити водень чи електрони.

Цитохроми – окисно-відновні системи, які переносять лише електрони. До цитохромів електрони поступають від пулу хінонів. Під часу переносу електронів еквівалентна їм кількість протонів переходить у розчин. Простетичною групою слугує гем. Цитохроми беруть участь у переносі електронів на кисень.

Цитохромоксидаза – термінальна оксидаза, що реагує з киснем і передає йому 4 електрони:

О2 + 4Fe2+ = 2O2- + 4 Fe3+

Дуже довго вважали, що цитохроми наявні лише в аеробних чи фототрофних бактерій, проте відкриті цитохроми у Desulfovibrio, Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides.

Синтез АТФ із АДФ і Фн каталізується АТФ-синтазою, що приєднує фосфат до АДФ із відщепленням молекули води.

3. Біолюмінісценсія бактерій. Бактерії, що світяться, – морські організми. Це хемоорганотрофи, що за своїми морфолого-фізіологічними властивостями схожі з Enterobacteriaceae, тому їх називають морськими ентеробактеріями. Виділяють із морської та солоної води. На м’ясі та рибі вони утворюють природні накопичувальні культури, не викликають гниття та не утворюють токсинів.

Гр-, мають 1-8 джгутиків, факультативні анаероби, галофіли. Відносять до родів Photobacterium, Beneckea. В анаеробних умовах більшість здійснює мурашинокисле бродіння чи бродіння змішаного типу. Виділяють мурашину, оцтову, молочну, бурштинову кислоти, спирт, СО2, ацетоїн.

Ріст і біолюмінесценція сильно залежать від складу середовища. Світіння відбувається лише у присутності кисню та розглядається як процес аеробного окислення, що призводить не до утворення АТФ, а збудження проміжного продуту і випускання світла:

Люциферин → світло (О2, люцифераза).

Беруть участь кілька компонентів: відновлений ФМН, О2, альдегід із довгим вуглецевим ланцюгом – тетрадеканаль.

Фермент люцифераза – монооксигеназа:

ФМНН2 + О2 + R-CHO →ФМН + Н2О + R-CОOН + світло.

Світіння головоногих молюсків (каракатиць) і глибоководних риб зумовлене симбіотичними бактеріями, що містяться у спеціальних органах.

4. Анаеробне дихання прокаріот. Для аеробних організмів кисень необхідний. Проте ще в часи Пастера виявлено, що він токсичний для анаеробів – маслянокислих бактерій. Для аеробів він також може бути токсичним. Тому у більшості організмів є ферменти, здатні захищати клітину від активних форм кисню: каталаза, глутатіонпероксидаза, супероксиддисмутаза.

Багато бактерій навіть в анаеробних умовах, використовують окислююче (електрон-транспортне) фосфорилювання. При цьому відбувається перенесення електронів, отриманих при розщепленні субстрату, по вкороченому електронтранспортному ланцюгу на екзогенні (внесені у поживне середовище) чи ендогенні (утворені при розпаді субстрату) акцептори. Акцепторами електронів можуть бути іони нітриту, сульфату, карбонату, фумарату, сірка. Відповідні види бактерій об’єднуються у фізіологічні групи нітратвідновлюючих, денітрифікуючих, сульфатредукуючих, метаногенних, ацетогенних бактерій. Усі зазначені бактерії відіграють важливу роль у природному балансі речовин. Електрон-транспортне фосфорилювання з фумаратом як акцептором зустрічається не лише в бактерій, а й у червів і навіть ссавців. Реакцію, що каталізується фумаратредуктазою, можна виявити по нагромадженню чи виділенню сукцинату. Цей процес отримав назву анаеробного дихання. Енергія та склад переносників, що звільняється, визначаються окислювально-відновними потенціалами акцепторів електронів. Анаеробні дихальні ланцюги містять ті ж типи переносників, що й аероби, але цитохромоксидази замінені відповідними редуктазами. Еубактерії, що здійснюють анаеробне дихання, належать до факультативних або облігатних анаеробів.