Физиология и биохимия микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 06.01.03 – «Биология» высших учебных заведений

Особенности дыхательной цепи бактерий

В отличие от митохондрий эукариот, состав переносчиков дыхательной цепи бактерий и их содержание в клетке непостоянны, они зависят от состава среды, температуры, рН, возраста культуры, концентрации углекислого газа.

Необходимо, чтобы комбинация цитохромов обладала разностью потенциалов,

достаточной для того, чтобы служить источником энергии для синтеза АТФ.

Главное значение разветвленности дыхательной цепи бактерий в ее начале и в конце состоит в гибкости жесткого потока электронов, что позволяет клеткам переключаться с одного акцептора электронов на другой при изменении условий. Окислительное фосфорилирование у бактерий меньше 3,

оно может быть около 1-1,5.

Это связано с другим составом и со свойственным бактериям так называемым свободным окислением, то есть окислением, не связанным с синтезом АТФ.

Регуляция скорости дыхания у бактерий осуществляется в основном путем изменения состава дыхательной цепи, переключения с одного терминального акцептора на другой.

Основной путь (a,b,c,d,e) может заканчиваться кислородом, но роль терминального акцептора электронов у микробов берет на себя. Это анаэробное дыхание. При анаэробном оксидазы замещаются на редуктазы и электроны передаются на соответствующие редуктазы с цитохромов b или c.

У облигатных аэробов нет брожения, транспорт электронов по пути a-b-c-

d.

Факультативные анаэробы

1.Цитохромнезависимые, например, молочнокислые бактерии,

аэробный транспорт по пути: a-b-g, анаэробный: a-f (брожение).

2.Цитохромзависимые (энтеробактерии):

Аэробный транспорт: a, b, c, d, e; a, b, g.

21

Анаэробный транспорт: a, f; a, b, c; i (нитратредукция), a-b-1 (нитратредукция).

Облигатные анаэробы

1.Цитохромнезависимые (клостридии):

Аэробный транспорт: a – b- g (в физиологических условиях не реализуется)

Анаэробный транспорт: a – f.

2.Цитохромзависимые (десульфатирующие)

a, b, c, j (восстанавливают SO4 2-)

Аэробное дыхание Дыхательная цепь хемоорганотрофов. Восстановительные эквиваленты у

хемогетеротрофов и факультативных фототрофов могут поступать в дыхательную цепь не только с пиримидиновых и флавиновых нуклеотидов, но и с таких восстановителей, как сукцинат, лактат и метанол.

Высокий выход свободной энергии обусловливает высокий выход АТФ.

Фактически реакция переноса водорода на кислород равноценно сгоранию водорода в воздухе с образованием воды. Дыхательная цепь содержит различные переносчики флавопротеиды, FeS-белки, хиноны, цитохромы (a, b, c, d) и цитохромоксидазы. Значит, имеются как органические редокс-центры

(флавопротеины, хиноны), так и металлсодержащие редокс-центры:

цитохромы, FeS-белки, молибдобелки, Cu-белки, Mn-белки.

Органические переносчики с редокс-потенциалом, переносят атомы водорода, а металлические переносчики могут иметь различный потенциал и переносят электроны, атом кислорода. Эти два типа переносчиков связаны с окислительно-восстановительными реакциями органических и неорганических соединений.

Почти все реакции в живых организмах происходят в анаэробных условиях. Среди них есть такие, которые полностью ингибируются в

22

присутствии молекулярного кислорода, например, синтез и активность нитрогеназы, катализирующей фиксацию азота, или корриноидов.

Такие синтезы относятся к «трудным» синтезам аэробов, требующих от них специальных ухищрений и защиты ферментов от кислорода. Например,

Azotobacter, полностью прекращает синтез нитрогеназы в присутствии кислорода, а синтезированную ранее нитрогеназу подвергает полимеризации – временной и обратимой инактивации.

Хемоорганотрофы с кислородным дыханием накапливают большую биомассу за короткое время. Поэтому такие организмы используют для получения белковых препаратов, биоинсектицидов и как источник разных частей клеток и их отдельных компонентов.

Например, если требуются нуклеотиды, то их источники следует искать среди аэробов с интенсивным метаболизмом, активным синтезом белков,

высоким содержанием рибосом.

Конечные продукты метаболизма – углекислый газ и вода, но у некоторых аэробов наружу выделяются интермедиаты аэробного метаболизма,

например, глутаминовая кислота.

Практическое значение имеют некоторые интермедиаты ЦТК (цикла трикарбоновых кислот). Например, есть штаммы грибов, которые в питательную среду выделяют большое количество лимонной кислоты, в связи с этим их используют в промышленности.

Из цис-аконитовой кислоты путем микробного декарбоксилирования получают итаконовую кислоту, используемую в производстве бумаги и обоев.

Почти все важные продуценты антибиотиков относятся к аэробам.

23

Дыхательная цепь хемолитотрофов

Хемолитотрофы окисляют неорганические доноры, используя кислород,

но иногда нитрат как конечный акцептор. Донорами электронов могут быть водород, различные восстановленные соединения азота, серы, железа и углекислоты. При использовании водорода и углекислоты выход АТФ значительно выше (табл. 1).

Для генерации необходимой энергии такие бактерии перерабатывают огромное количество субстратов и активно используют терминальный участок цепи.

Электроны доноров кроме водорода вступают в середине цепи или в конце цепи, поэтому при таком типе метаболизма необходима дополнительная затрата энергии для генерации восстановленных НАД. Источником углерода хемолитотрофам служит углекислый газ.

При хемолитоторофном метаболизме низкие выходы биомассы и большие метаболические изменения, которые они совершают в окружающей среде, например, при выщелачивании металлов с участием Thiobacillus ferrooxidans в биометаллургии.

Таблица 1. Окисление неорганических веществ

Водородные бактерии окисляют H2 кислородом, усваивают углекислый газ, за короткое время накапливают большую биомассу, которая может быть источником белка, полиоксимасляной кислоты, аминокислот, некоторых ферментов.

Анаэробное дыхание

Многие факультативные анаэробы и облигатные анаэробные хемогетеротрофы вместо кислорода используют другие акцепторы электронов.

Такими акцепторами могут быть окиси азота и серы, железа, углекислый газ,

органические соединения (фумарат, триметил-амин-N-оксид). Анаэробное дыхание встречается только у бактерий (табл. 2).

Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но больше, чем при брожении. Больше всего энергии образуется при использовании кислорода как терминального акцептора. Нитраты дают много энергии и меньше всего сульфаты и гидрогенирование углекислого газа до метана.

Восстановление фумарата до сукцината, как энергодающая система, часто используется факультативными и облигатными анаэробами.

Таблица 2. Анаэробное дыхание

Денитрификация

Денитрификацию, то есть анаэробное дыхание за счет NO3 (NO2 , N2O, NO), проводят гетеротрофные грамотрицательные бактерии родов:

Acinetobacter, Alcaligenes, Achromobacter, Agrobacterium, Chromobacterium, Flavobacterium, Kingella, Moraxella, Pseudomonas, Rhizobium и несколько грамположительных палочек из родов: Bacillus, Corynebacterium, Propionibacterium.

Денитрификаторы встречаются у Hyphomicrobium, Arthrobacter, Cytophaga, Thermothrix, среди хемолитотрофов – у Thiobacillus, Thiomicrospira,

а среди фотоорганотрофов Rhodopseudomonas.

Денитрификация репрессируется кислородом, хотя есть данные, что при невысоком содержании О2 она тоже происходит. Микроорганизмы обычно выбирают энергетически более выгодный тип дыхания.

Микроорганизмы в качестве акцепторов электронов выбирают нитраты,

окиси металлов, SO42-, CO2.

Для типичных денитрификаторов характерно, что в отсутствии кислорода клетки прекращают синтез цитохрома с, а+а3, но образуют перидиннуклеотиды, флавины, хиноны и цитрохром b.

26

Денитрификаторы реагируют на присутствие нитратов или других окисей азота, которые индуцируют синтез: 1. молибдопротеин, 2. с-альфа-йитохрома,

3. Цитохрома с554 4. Цитохрома с-N2O-редукторы.

Денитрификация – мощный и широко распространенный в природе процесс. Многие виды, способные к денитрификации, могут использовать все простые и многие сложные углеводы, органические кислоты, белки, липиды,

спирты.

Некоторые представители родов Moraxella и Pseudomonas осуществляют денитрификацию за счет ароматических соединений, которые при этом разлагаются не под действием оксигеназ, но путем восстановления двойных связей с последующим гидролитический расщеплением и образованием органических кислот, служащих бактериям источником энергии и углерода.

В процессе денитрификации Alcaligenes faecalis деградирует ди-, три-,

тетраэтиленгликоли и ряд этоксиолигомеров и ряд этоксиолигомеров,

этиленгликоль, первичные и вторичные алкилэфиры олигомеров эфира гликоля.

Таким образом, при обеспечении нитратами бактерии в анаэробных условиях деградируют ряд веществ, загрязняющих окружающую среду.

Биологические методы очистки сточных вод от нитратов разработаны и используются для очистки бытовых сточных вод.

В связи с использованием химических использованием химических удобрений возросло содержание нитратов в подземных водах.

Для снижения концентрации нитратов и детоксикации вод можно использовать денитрифицирующие микроорганизмы. В частности, Paracoccus denitrificans, скорость денитрификации, осуществляемая бактериями,

иммобилизованными в гранулы альгината Са, составляла 0,65 кг нитратов/м3 в

сутки.

27

Иммобилизованные клеточные агрегаты способны работать в экстремальных условиях: в пределах температуры от 5 до 500С, рН 4,0-9,0 и от нулевого до максимального насыщения воды кислородом.

Денитрификация и подбор штаммов, способных к активному процессу денитрификации, необходимы для проведения силосования кормов.

Бактерии рода Bacillus при обеспечении нитратами могут в анаэробных условиях деградировать лигноцеллюлозу – наиболее обильное возобновляемое вещество на земле и в отходах, которое с трудом подвергается биологическому разложению.

Следовательно, денитрификаторы играют важную роль в круговороте углерода, входящих в состав полимерных волокон.

За счет денитрификации на больших глубинах в водоемах (100-500м)

могут нарушаться привычные пищевые отношения и снижаться продуктивность рыбоводства. Средние потери связанного азота при денитрификации составляют от 2 до 77% (NO2, N2).

Продукт денитрификации - N2O вызывает уменьшение озона в стратосфере. Озоновый слой не пропускает на землю короткие ультрафиолетовые лучи, которые губительно действуют на живые организмы,

поэтому его сохранение очень важно для жизни.

Сульфатное дыхание

Десульфатирующие бактерии – облигатные анаэробы, использующие сульфат как конечный акцептор электронов и восстанавливают его до сульфидов.

Описано 9 родов бактерий (табл. 3), некоторые из них не используют сульфат, а вместо него восстанавливают серу до сульфида. Другие могут использовать тиосульфат, нитрат или фумарат как акцепторы электронов,

третьи способны к брожению, например, пирувата.

28

Сульфат в начале должен быть активирован в реакции с АТФ с образованием аденилилсульфата. Рост бактерий возможен за счет углекислого газа, органических соединений, например, бензоата, жирных кислот.

Для Desulfovibrio postgatei ацетат является единственным источником углерода для роста микробов. Представители вида Desulfobacterium phenolicum

применяют фенол, фенилацетат, 2-гидроксибензоат, фенилаланин, индол,

различные жирные кислоты, спирты, дикарбоновые кислоты.

Другой вид Desulfobacterium indolicum кроме выше перечисленных соединений утилизирует хинолин, формиат. Акцептором вместо сульфата является тиосульфат. Есть виды бактерий, которые окисляют молекулярный водород как источник энергии, например, такие, как Desulfovibrio vulgaris,

Desulfovibrio desulfuricans.

Таблица 3. Виды сульфатвосстанавливающих бактерий

Сульфат в начале должен быть активирован в реакции с АТФ с образованием аденилилсульфата. Рост бактерий возможен за счет углекислого газа, органических соединений, например, бензоата, жирных кислот.

Для Desulfovibrio postgatei ацетат является единственным источником углерода для роста микробов. Представители вида Desulfobacterium phenolicum

применяют фенол, фенилацетат, 2-гидроксибензоат, фенилаланин, индол,

различные жирные кислоты, спирты, дикарбоновые кислоты.

Другой вид Desulfobacterium indolicum кроме выше перечисленных соединений утилизирует хинолин, формиат. Акцептором вместо сульфата является тиосульфат. Есть виды бактерий, которые окисляют молекулярный водород как источник энергии, например, такие, как Desulfovibrio vulgaris,

Desulfovibrio desulfuricans.

В некоторых условиях бактерии могут выделять молекулярный водород.

Десульфатирующие бактерии обитают в осадках морей, ответственны за 50%

минерализации органического вещества за счет утилизации следующих субстратов в осадках морей: водорода (10%), ацетата (50%), пропионата (10%),

бутирата (10%).

30