Дыхание

Вопросы:

1. Аэробное дыхание.

2. Хемосинтез. Группы аэробных хемолитотрофных бактерий.

3. Группы аэробных хеморганотрофных бактерий.

4. Анаэробное дыхание.

Дыхание – это окислительно-восстановительный процесс, реализующийся с образованием АТФ. Энергия, высвобождаемая при окислении, аккумулируется в форме АТФ.

Многие прокариоты получают энергию в процессе дыхания. Они окисляют восстановленные вещества с относительно низким окислительно-восстановительным потенциалом, возникающие в реакциях промежуточного метаболизма или являющиеся исходными субстратами (НАД∙Н₂, сукцинат, лактат, NH₃, H₂S и др.).

Окислительно-восстановительные реакции представляют собой перенос электронов от окисляемого вещества (это донор электронов) к окислителю (это акцептор электронов). При дыхании молекулы одних веществ окисляются, молекулы других веществ восстанавливаются. Т.е. окислительно-восстановительные процессы межмолекулярны.

В качестве донора электронов прокариоты могут использовать органические вещества (органотрофы) или неорганические вещества (литотрофы).

Акцептором электронов может быть О₂. В этом случае процесс называется аэробным дыханием. Аэробное дыхание характерно для многих прокариот, т.к. 1. это эффективный способ получения энергии; 2. кислород повсеместно распространен. Вследствие этих преимуществ более 90 % органического вещества минерализуется микроорганизмами с участием О₂. Также аэробное дыхание характерно для грибов, животных, в т.ч. человека, для высших растений.

Если акцептором электронов является не О₂, а «связанный кислород» в форме нитратов, сульфатов, СО₂, или такие неорганические соединения как S, Fe²⁺, или некоторые органические соединения, то такой тип дыхания называется анаэробным. Анаэробное дыхание характерно только для прокариот.

1. Аэробное дыхание

Аэробное дыхание – это процесс, обратный «нормальному» фотосинтезу: при дыхании органическое вещество (СН₂О) разлагается до СО₂ и Н₂О:

(СН₂О) → СО₂ + Н₂О

Аэробные организмы обладают особым аппаратом: дыхательной (электронтранспортной) цепью и ферментом АТФ-синтетазой. Оба компонента у прокариот расположены в ЦПМ. У эукариот во внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь представляет собой систему переносчиков электронов и протонов от донора (окисляемого вещества) к акцептору (при аэробном дыхании - это О₂).

Компоненты дыхательной цепи

1. НАДН-дегидрогеназа – акцептор электронов. Акцептирует электроны от НАД∙Н₂.

2. Флавопротеиды – вещества белковой природы, простатическими группами флавопротеидов являются ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид). Являются переносчиками протонов.

3. Хиноны – это переносчики небелковой природы, способны переносить, как протоны, так и электроны. Хиноны – это циклические карбоксильные соединения. Хиноны дыхательной цепи (убихинон, менахинон, деметилменахинон, метилменахинон) имеют боковую цепь, состоящую из изопреновых звеньев (n). Этот гидрофобный «хвост» удерживает молекулу хинона в мембране. Наиболее распространен у бактерий убихинон. На каждый принятый электрон хинон захватывает по одному протону.

4. Цитохромы – переносчики электронов (переносят только электроны), это белки, содержащие гемы (железопорфириновые простетические группы). Гем содержит порфириновое кольцо и атом Fe, прочно связанный с помощью четырех атомов азота. Железо гема играет роль переносчика электронов. В геме Fe обычно находится в окисленной форме (Fe³⁺), принимая электрон, восстанавливается до (Fe²⁺). Цитохромы принимают участие в переносе электронов на заключительном этапе в цепи переноса электронов. Различают цитохромы а, в, с, d и т.д.).

5. Железо-серные белки – переносчики электронов. В молекулах этих белков два или четыре атома железа связаны с тем же количеством атомов серы и с боковыми цепями цистеина, образуя железо-серный центр белка.

Дыхательная цепь организована следующим образом. Выделяют три комплекса дыхательных ферментов, связанных с мембраной.

1. НАДН-дегидрогеназный комплекс – принимает электроны от НАД∙Н₂ и предает их через железо-серные белки на хинон, который, в свою очередь, передает электроны на второй комплекс ферментов – комплекс b – с₁.

2. Комплекс b – с₁ – (в его состав входят цитохромы и железо-серный белок) принимает электроны от хинона и передает цитохрому с – это небольшой периферический мембранный белок, который затем передает электроны на цитохромоксидазный комплекс.

3. Цитохромоксидазный комплекс – (цитохром аа₃) – принимает электроны от цитохрома с и пердает на О₂.

Хиноны и цитохром с перемещаются путем диффузии между комплексами дыхательной цепи. Каждый комплекс отдает и принимает электроны каждые 5-20 миллисекунд.

Компоненты дыхательной цепи отличаются по окислительно-восстановительному потенциалу. Потенциалы возрастают вдоль по ходу переносчиков, т.е. в начале ряда располагается НАД (Е₀=-0,32 милливольта, обладает наиболее низкой способностью акцептировать электроны, по сравнению с другими компонентами дыхательной цепи), в конце цепи находится цитохромоксидаза и О₂ (Е₀=+0,81 вольт), обладающие наибольшим сродством к электронам. У железо-серных центров сродство к электронам ниже, чем у цитохромов, поэтому железо-серные белки располагаются ближе к НАДН-концу.

Как функционирует дыхательная цепь?

Протоны и электроны, извлеченные при окислении субстрата (при помощи дегидрогеназ), акцептируются НАД или ФАД (это переносчики электронов) и переносятся в дыхательную цепь. Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона: Н: ^- от НАД∙Н₂. При этом образуется окисленный НАД⁺. Гидрид-ион превращается в протон и два электрона:

Н: ^- → Н⁺ + 2е

В момент отрыва от гидрид-иона электрон обладает большой энергией. При переходе от одного переносчика к другому в дыхательной цепи запас энергии электрона постепенно уменьшается. Каждый комплекс действует как энергопреобразующее устройство, направляя энергию, высвобождающуюся при переносе электронов, на перемещение протонов через мембрану.

Транспорт электронов сопряжен с переносом протонов из цитоплазмы через мембрану. Протоны связываются на внутренней стороне мембраны, а освобождаются на внешней. У прокариот механизмы сопряжения транспорта электронов с переносом протонов разнообразны, как и состав электронтранспортных цепей.

Такое передвижение протонов приводит к двум важным последствиям:

1. между внутренней и наружной сторонами мембраны создается градиент рН

2. внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя сторона мембраны – положительно, т.е. создается электрический мембранный потенциал.

Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению трансмембранного электрохимического протонного градиента, который создает протондвижущую силу. Протоны возвращаются, «перетекают», обратно с наружной стороны мембраны на внутреннею по электрохимическому градиенту. Синтез АТФ осуществляется при помощи мембранного фермента АТФ-синтетазы путем конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов в химическую форму энергии. Т.е. энергия, электрохимического протонного потенциала, высвобождаемая при движении протонов в обратном направлении, по градиенту концентрации, используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ.

Образование АТФ в процессе дыхания называется окислительным фосфорилированием.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении, т.е. расщеплять АТФ и перекачивать протоны из клетки против градиента.

В дыхательной цепи происходят реакции, представляющие собой биохимический аналог сжигания водорода:

Н₂ + ½ О₂ → Н₂О

Эта реакция разбита на много небольших «шагов» так, что освобождаемая энергия не рассеивается в виде тепла, а запасается в виде АТФ (поэтапно). Когда электроны достигают конца электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации отрицательного заряда при переходе электронов на молекулу О₂.

Энергетическая эффективность дыхания (% запасания энергии) больше 50%. Количество энергии, запасаемое при функционировании аэробной или анаэробной дыхательной цепи, зависит от количества протонов, пересекающих мембрану в процессе переноса электронов по дыхательной цепи. Теоретически показано, что при окислении НАДН О₂ максимальное количество протонов, перенесенных через мембрану, может быть равно 12Н⁺/2е. У многих бактерий отношение Н⁺/2е, зависящее от типа окисляемого субстрата и используемого акцептора электронов, может быть значительно ниже максимальной величины.