3.2. Отношение к молекулярному кислороду

Кислород широко распространен в природе, находясь как в связанном, так и в свободном состоянии. В первом случае он входит в состав молекул воды, органических и неорганических соединений. Во втором – присутствует в современной атмосфере в виде молекулярного кислорода (О₂), объемная доля которого составляет 21%. Кислород является обязательным химическим компонентом любой клетки. Подавляющее большинство организмов удовлетворяет свои потребности в этом элементе, используя обе формы кислорода [15].

При выращивании бактерий р. Рseudomonas в присутствии ¹⁸О₂ и Н₂¹⁸О источником приблизительно 10% кислорода, входящего в состав клеточного материала, служил газообразный кислород, 50–60% клеточного кислорода происходило из воды. Остальной кислород в клетку поставляли органические и неорганические компоненты питательной среды (глюкоза, фосфаты, нитраты, сульфаты и др.).

В мире прокариот существуют значительные различия в отношении организмов к молекулярному кислороду [37]. По отношению к нему все прокариотные организмы могут быть разделены на несколько физиологических групп. Прокариоты, для роста которых О₂ необходим, называют облигатными (обязательными) аэробами. К ним относится большинство прокариотных организмов. Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы не способны к росту при концентрации О₂, равной атмосферной (21%), но могут расти, если содержание О₂ в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%). Такие облигатно аэробные прокариоты получили название микроаэрофилов.

Потребность прокариот в низкой концентрации О₂ в окружающей среде часто связана с их метаболическими особенностями. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации О₂ ниже 2%, т. е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например аммонийного, – на воздухе при концентрации О₂ 21%. Это объясняется ингибирующим действием молекулярного кислорода на активность нитрогеназы – ферментного комплекса, ответственного за фиксацию N₂. Аналогичная картина обнаружена у многих водородокисляющих бактерий. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании О₂. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации О₂. Последнее связывают с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы фермента, катализирующего использование Н₂.

Наконец, среди облигатных аэробов существуют значительные различия в устойчивости к высоким уровням О₂ в среде. По имеющимся данным, 100%-й молекулярный кислород подавляет рост всех облигатных аэробов. Многие аэробные бактерии могли формировать колонии на поверхности твердой питательной среды в атмосфере, содержащей 40% О₂, но рост их прекращался, когда содержание О₂ в атмосфере доходило до 50%.

Известны прокариоты, для метаболизма которых О₂ не нужен, т.е. не нужно участия молекулярного кислорода. Такие организмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся метанобразующие, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие бактерии. До сравнительно недавнего времени считали, что облигатные анаэробы могут получать энергию только в процессах брожения. В настоящее время известно много облигатно анаэробных прокариот, которые произошли от аэробов в результате вторичного приспособления к анаэробным условиям, приведшего к потере способности пользовать О₂ в качестве конечного акцептора электронов в процессе дыхания. Такие облигатные анаэробы получают энергию в процессе переноса электронов по цепи переносчиков на СО₂, SО₄^2- фумарат и другие акцепторы.

В ряду облигатно анаэробных прокариот, не включающих О₂^-метаболические реакции, существует широкий спектр степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде. Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Часто такие организмы называют строгими анаэрбами. К числу строгих анаэробов относятся представители рода Bacteroides, Fusobacterium, Butrivibrio, Methanobacterium, Methanosarcina и др. Маслянокислые бактерии относятся также к группе облигатных анаэробов, но среди них есть виды, умеренно (С1оstridium tetani, С. саrnis, С. tertium, С. sporogenes) или достаточно высоко (С. реrfrigenes, С. асеtobutilicum) толерантные к О₂. Наконец, молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха, и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов.

Хотя облигатно анаэробные бактерии в целом очень чувствительны к О₂, они могут в природе находиться в аэробных зонах. Широко распространение представителей рода С1оstridium в местах с высоким парциальным давлением О₂ объясняется наличием у них эндоспор, нечувствительных к молекулярному кислороду. Однако и многие образующие споры строго анаэробные прокариоты обнаружены в природе в местах, где наблюдается активное развитие облигатных аэробов. Вероятно, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией О₂, создает возможности и для развития строго анаэробных видов.

Существуют прокариотные организмы, которые могут расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Изучение этого явления показало, что природа его различна. Бактерии, не нуждающиеся в О₂ (последний не участвует в осуществляемых или метаболических реакциях), но способные расти в его присутствии, являются по типу осуществляемого ими метаболизма облигатными анаэробами, устойчивыми к О₂ внешней среды. Примером таких организмов служат молочнокислые бактерии. Многие прокариоты, относящиеся к этой группе, приспособились в зависимости от наличия или отсутствия в среде О₂ переключаться с одного метаболического пути на другой, например, с дыхания на брожение и наоборот. Такие организмы получили название факультативных анаэробов, или факультативных аэробов. Представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания. В анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или так называемого «анаэробного» дыхания, когда электроны по электронтранспортной цепи поступают не на молекулярный кислород, а на нитрат или фумарат.

Потребность в О₂ у аэробов определяется его участием в энергетических и конструктивных процессах. В первом случае О₂ служит обязательным конечным акцептором электронов, во втором – участвует в реакциях (или единственной реакции) на пути многоступенчатого преобразования клеточных метаболитов или экзогенных субстратов. У облигатных аэробов большая часть О₂ используется в качестве конечного акцептора электронов в реакциях, катализируемых цитохромоксидазами. Меньшая часть включается в молекулы с помощью ферментов, получивших общее название оксигеназ. В клетках факультативных анаэробов также содержатся цитохромоксидазы. У облигатных анаэробов нет ферментов, катализирующих взаимодействие с О₂, т.е. они получают энергию и метаболизируют все вещества без участия молекулярного кислорода.