1.2. Автотрофные способы питания микроорганизмов

Значительное количество микроорганизмов обладает способностью использовать СО₂ в качестве единственного источника углерода. Эти организмы, называемые автотрофами (самопитающимися), относятся к различным эволюционным ветвям микроорганизмов.

Среди автотрофных микроорганизмов можно выделить несколько типов по способу питания. Облигатные автотрофы практически не способны использовать органические вещества, по-видимому, из-за отсутствия у них соответствующих транспортных систем. Факультативные автотрофы при появлении в среде доступных органических субстратов переключаются на их использование, прекращая автотрофную фиксацию СО₂. Миксотрофные бактерии способны ассимилировать СО₂ одновременно с органическими субстратами. Некоторые фототрофные бактерии – факультативные автотрофы – предпочтительно используют органические субстраты, однако в процессе ассимиляции, например жирных кислот, в которых углерод более восстановлен, чем углерод клеточных компонентов, они должны «сбрасывать» избыток восстановительных эквивалентов, осуществляя для этого фиксацию СО₂. У таких бактерий цикл Кальвина, а также иногда другие механизмы фиксации диоксида углерода выполняют важную роль в поддержании внутриклеточного окислительно-восстановительного баланса.

Известно четыре различных механизма фиксации СО₂. Наиболее распространен у прокариот цикл Кальвина (см. рис. 52), осуществляющийся также в хлоропластах растений. Он характерен для аэробных бактерий, хотя у аэробных архебактерий он, по-видимому, отсутствует.

Второй механизм фиксации СО₂ – восстановительный цикл трикарбоновых кислот (цикл Арнона) (рис. 3), который функционирует у зеленых серных бактерий рода Chlorobium, у некоторых сульфатредуцирующих бактерий рода Desulfobacter, у термофильных водородных бактерий рода Hydrogenobacter, окисляющих водород в микроаэробных условиях, и у анаэробных сульфатредуцирующих архебактерий рода Thermo-proteus. Из рис. 3 видно, что в восстановительном цикле трикарбоновых кислот осуществляется синтез ацетил-КоА с затратой двух молекул АТФ – одной в сукцинил-КоА-синтазной реакции и другой при АТФ-зависимом расщеплении цитрата.

Третий механизм автотрофной фиксации СО₂ - восстановительный ацетил-КоА путь осуществляется у некоторых сульфатредуцирующих бактерий (род Desulfobacterium) и архебактерий (род Archaeoglobus), а также у большинства ацетогенных и метаногенных бактерий, т.е. только у строгих анаэробов (см. карбонатное дыхание).

Рис. 3. Реакции восстановительного цикла трикарбоновых кислот:

1 – малатдегидрогеназа; 2 - фумаратгидратаза (фумараза); 3 – фумаратредуктаза;

4 – сукцинил-КоА-синтаза; 5 – 2-оксоглутарат:ферредоксин-оксидоредуктаза; 6 – изоцитратдегидрогеназа; 7 – аконитатгидратаза (аконитаза); 8 – АТФ-цитратлиаза.

Наконец, специфический четвертый путь – 3-гидроксипропионат-ный цикл – пока обнаружен только у фототрофной зеленой несерной бактерии Chloroflexus aurantiacus, по-видимому, он функционирует и у некоторых аэробных архебактерий. Этот циклический механизм, по которому происходит синтез глиоксилата из двух молекул бикарбоната (рис. 4), описывается следующим уравнением:

2 НСО^-₃ + 2НАДФН + 3Н⁺ + 3АТФ СНО – СОО^- + 2НАДФ⁺ + 3АДФ + Ф_Н

Глиоксилат относится к метаболитам-предшественникам, используемым в биосинтетических реакциях.

Рис. 4. Реакции 3-гидроксипропионатного цикла:

1 – ацетил-КоА-карбоксилаза; 2 – дегидрогеназа малонового полуальдегида;

3 – 3-гидроксипропионатдегидрогеназа; 4 – 3-гидроксипропионат-КоА-лигаза;

5 – акрилоил-КоА-гидратаза; 6 – акрилоил-КоА-редуктаза; 7 – пропионил-КоА-карбоксилаза; 8 – метилмалонил-КоА-эпимераза; 9 – метилмалонил-КоА-мутаза;

10 – сукцинил-КоА:малат-КоА-трансфераза; 11 – сукцинатдегидрогеназа;

12 – фумаратгидратаза; 13 – малил-КоА-лиаза.

Сравнение автотрофных механизмов фиксации СО₂ представлено в табл. 2, из которой видно, что четыре механизма автотрофной фиксации СО₂ различаются по количеству молекул АТФ, расходуемых на синтез молекулы триозы из трех молекул СО₂, и используемым восстановителям. В анаэробных механизмах (восстановительный цикл трикарбоновых кислот и восстановительный ацетил-КоА путь) помимо НАДФН используется восстановленный ферредоксин и фиксация СО₂, как правило, заключается в реакции восстановительного карбоксилирования. Характерный признак анаэробных механизмов фиксации СО₂ – обратимость их реакций. У одного и того же организма в автотрофных условиях они обеспечивают автотрофную фиксацию СО₂, тогда как в хемогетеротрофных условиях – окисление ацетил-КоА как продукта катаболизма органических субстратов.

Таблица 2. Сравнение автотрофных путей ассимиляции СО₂

Путь фиксации СО2	Затрата АТФ на синтез 1 молекулы триозофос-фата	Затрата восстановителя на синтез 1 молекулы триозофосфата	Фермент, осуществляющий фиксацию СО2	Продукт фиксации СО2	Ключевые ферменты
1	2	3	4	5	6
Цикл Кальвина (восстановительный пентозофосфатный цикл)	9	6 молекул НАДФН	Рибулозо-1,5-дифосфаткар-боксилаза	3-фосфо-глицерат	Рибулозо-1,5-дифосфаткар-боксилаза; фосфорибуло-киназа
Цикл Арнона (восстанови-тельный цикл трикарбоновых кислот)	5	3 молекулы НАДФН; 2 молекулы восстановленного ферредоксина; 1 молекула неизвестного донора	2-оксоглута-ратсинтаза; изоцитратде-гидрогеназа; пируватсин-таза	2-оксоглу-тарат; изоцитрат; пируват	2-оксоглу-таратсинтаза; АТФ-цитратлиаза
Восстанови-тельный ацетил-КоА путь	4 – 5	3 – 4 молекулы НАДФН; 2 – 3 молекулы восстановлен-ного ферредок-сина; 1 – Н2 (у метаногенов)	Ацетил-КоА-синтаза/СО-дегидрогена-за; формиат-дегидрогена-за; пируват-синтаза	СО, cвя-занный с фермен-том; формиат; пируват	Ацетил-КоА-синтаза/СО-дегидрогеназа; фермент, восстанавливающий СО2 до СН3-Н4-птерина
3-Гидро-ксипропи- онатный цикл	?	?	Ацетил-КоА-карбоксилаза; пропионил-КоА-карбо-ксилаза	Малонил-КоА; метил-малонил-КоА	Ферменты, восстанавливающие малонил-КоА до пропионил-КоА; малил-КоА-лиаза