Явление облигатной автотрофии

Исходя в основном из своего опыта работы с нитрифицирую­щими бактериями, Виноградский предположил, что неспо­собность расти за счет использования органических субстра­тов является обязательным свойством хемоавтотрофов. Позд­нее оказалось, что это не так: хотя облигатная автотрофность действительно характерна почти для всех нитрифицирующих бактерий, среди бактерий, окисляющих серу, этот признак варьирует, а у водородных бактерий нацело отсутствует. Бы­ло сделано много попыток как-то объяснить это и понять, почему данный признак распределен среди основных физио­логических групп хемоавтотрофов неслучайным образом.

Большинство хемоавтотрофов могут накапливать внутри клеток оба или один из двух характерных для прокариот ор­ганических запасных полимеров (гликоген и поли-β-оксимасляную кислоту). Эти вещества, по-видимому, составляют у них (как и у других бактерий) эндогенные резервы углерода и энергии. Следовательно, есть основания считать, что хемоавтотрофы обладают биохимическим аппаратом для мета­болизма этих запасных материалов.

Одно из объяснений, почему данные организмы не могут использовать в качестве источников углерода и энергии эк­зогенные органические соединения, могло бы состоять в том, что у них отсутствуют соответствующие пермеазы, так что органические соединения не могут проникать внутрь клеток. Однако опыты, проведенные с многими облигатными окисляющими серу и нитрифицирующими бактериями, показали, что такая гипотеза несостоятельна. При добавлении мечен­ных по ¹⁴С органических субстратов к культурам облигатных автотрофов, растущих за счет использования неоргани­ческого источника энергии, наблюдается включение радио­активности в материал клеток. В отсутствие неорганического' окисляемого субстрата такое включение прекращается. Ас­симиляция ряда аминокислот и уксусной кислоты происходит с относительно высокой скоростью. Однако в составе выде­ляемого СО₂ ¹⁴С-атомы углерода, происходящие из ацетата, либо вообще не обнаруживаются, либо обнаруживаются в исключительно малых количествах; следовательно, метабо­лизм этого соединения у облигатных автотрофов носит строго-ассимилятивный характер. Более того, из ацетата происходит лишь незначительная часть новосинтезированных углеродных, соединений клетки (от 10 до 15%). Аналогичные эксперимен­ты с факультативными автотрофами (например, с Thiobacillus intertnedius) показали, что углерод ацетата вносит в но­восинтезированные углеродные соединения клетки горазда больший вклад. Согласно биохимическим данным, неспособ­ность многих облигатных автотрофов более эффективно ис­пользовать ацетат связана с тем, что у них не функционирует цикл трикарбоновых кислот. У этих организмов отсутствует ключевой фермент цикла α-кетоглутаратдегидрогеназа и со­держится необычно мало как сукцинатдегидрогеназы, так и малатдегидрогеназы. В отсутствие α-кетоглутаратдегидрогеназы другие ферменты этого цикла не могут проводить окис­ление ацетил-КоА, и цикл разбивается на два отдельных ме­таболических пути, которые выполняют чисто биосинтетиче­ские функции (рисунок 10). Ветвь дикарбоновых кислот (ко­торую питает карбоксилирование фосфоенолпировиноградной кислоты) «работает» в направлении, обратном обычному, в результате чего образуются предшественники аминокислот семейства аспартата и порфирины. Цитратная ветвь (кото­рую питают щавелевоуксусная кислота и ацетил-КоА) «ра­ботает» в своем обычном направлении, образуя α-кетоглутаровую кислоту, предшественник аминокислот семейства глутамата. Относительно небольшой вклад экзогенной уксусной кислоты в новосинтезируемые углеродные соединения клетки отражает, таким образом, тот факт, что она поступает только в те пути биосинтеза, для которых специфическим предшест­венником является ацетил-КоА. Кроме пути, показанного на рисунке10, к ним относятся также пути синтеза липидов и синтеза лейцина.

У организмов со строго дыхательным метаболизмом от­сутствие α-кетоглутаратдегидрогеназы предотвращает дисси­миляцию большинства органических веществ. Исключение составляют глюкоза и некоторые другие сахара; они могут быть окислены до СО₂ через пентозофосфатный путь. Такой способ диссимиляции сахара встречается у многих цианобактерий, у которых также не функционирует цикл трикарбоно­вых кислот.

Вторая возможная причина неспособности хемоавтотрофов получать энергию в результате окисления органических соединений может быть связана с особенностями их цепей переноса электронов. При окислении хемоавтотрофами не­органических субстратов (за исключением водорода) элек­троны поступают в цепь переноса на уровне цитохромов. В результате синтез восстановленных пиридиннуклеотидов происходит при обратном переносе электронов, сопряженном с затратами энергии. Возможно, каким-то образом предот­вращается поступление электронов в дыхательную цепь через НАД^.Н (основное место, где в цепь поступают электроны от органических субстратов), и если учесть, как много энер­гии затрачивается на синтез НАД^.Н, становится совершенно очевидной адаптивная ценность механизма, препятствующая его повторному окислению через цепь переноса. Если счи­тать, что облигатная автотрофность обусловлена таким ме­ханизмом, это может также объяснить, почему отсутствуют облигатно автотрофные водородные бактерии, поскольку Н₂ представляет собой

Рисунок 10. Роль реак­ций, обычно ассоцииро­ванных с циклом трикарбоновых кислот, для процессов биосинтеза у организмов, не способ­ных превращать α-кето-слутаровую кислоту в янтарную. В этом случае углерод из экзоген­ной уксусной кислоты может включиться в аминокислоты семейст­ва глутаминовой кисло­ты через лимонную и α-кетоглутаровую кислоты, но не может включиться в аминокислоты семейства аспарагиновой кисло­ты через янтарную и щавелевоуксусную кисло­ты, как это происходит у организмов с нормаль­но функционирующим циклом трикарбоновых кислот.

единственный неорганический субстрат, который окисляется через НАД^.Н. К сожалению, данные как за, так и против такой гипотезы отсутствуют; это обусловле­но в первую очередь тем, что структура и механизм действия цепей переноса электронов у хемоавтотрофов все еще мало изучены.