При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов в элек-
тронтранспортной цепи являются неорганические или органические со-
единения. Например, если конечным акцептором электронов является
, то процесс называют сульфатным дыханием, а бактерии – суль-
фатвосстанавливающими или сульфатредуцирующими. В том случае,
если конечным акцептором электронов служит или , то про-
цесс называется нитратным дыханием или денитрификацией, а бак-
терии, осуществляющие этот процесс, – денитрифицирующими. В ка-
честве конечного акцептора электронов может выступать СО
- 24
SO
-3
NO -
2 NO
2, процесс
соответственно называют карбонатным дыханием, а бактерии – мета-
ногенными (метанобразующими). Одним из немногих примеров, когда
конечным акцептором служит органическое вещество, является фума-
ратное дыхание.
Бактерии, способные к анаэробному дыханию, имеют укороченные
электронтранспортные, или дыхательные, цепи, т. е. они не содержат
всех переносчиков, характерных для дыхательных цепей, функциони-
рующих в аэробных условиях. Кроме того, в дыхательных цепях анаэро-
бов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. У
строгих анаэробов не функционирует цикл Кребса или же он разорван и
выполняет только биосинтетические, но не энергетические функции. Ос-
новное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезирует-
ся в процессе мембранного фосфорилирования.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии, осуществляю-
щие анаэробное дыхание, являются факультативными или облигатными
анаэробами. К облигатным анаэробам относятся сульфатвосстанавли-
вающие и метаногенные бактерии. К факультативным анаэробам – де-
нитрифицирующие бактерии и бактерии, осуществляющие фумаратное
дыхание. Факультативные анаэробы могут переключать свой энергети-
ческий метаболизм с аэробного дыхания в присутствии в среде молеку-
лярного кислорода на анаэробное дыхание в отсутствии молекулярного
кислорода.
Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но
больше, чем при брожении.
137
Рассмотрим примеры некоторых основных типов анаэробного дыха-
ния.
Нитратное дыхание, или денитрификация
Как уже упоминалось, конечными акцепторами электронов при нит-
ратном дыхании являются нитраты ( ) или нитриты ( ). Результа-
том нитратного дыхания является восстановление или до га-
зообразных продуктов (NО, N
-3
NO -
2 NO
-3
NO -
2 NO
2О или N2). Следует отметить, что к денит-
рификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цик-
ла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят.
Суммарную реакцию нитратного дыхания, где окисляемым субстра-
том является глюкоза, а конечным акцептором электронов – нитраты,
можно записать следующим образом:
C6H12O6 + 4 6CO -
3 NO 2 + 6H2O + 2N2 + х (кДж)
Полный процесс денитрификации состоит из четырех реакций вос-
становления, каждая из которых катализируется специфическими мем-
браносвязанными редуктазами.
Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют мо-
либденсодержащие ферменты нитратредуктазы:
-3
NO + 2е– + 2H+ - + H
2 NO 2O
Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализиру-
ют нитритредуктазы:
-
2 NO + е– + H+ NO + OН–
Нитрат- и нитритредуктазы очень чувствительны к молекулярному
кислороду, который ингибирует их активность, а также репрессирует
синтез. Соответственно данные реакции (восстановление нитрата до
нитрита и восстановление нитрита оксида азота) могут протекать только
в том случае, когда кислород полностью отсутствует или когда его кон-
центрация незначительна.
Третий этап: восстановление оксида азота до закиси азота, катали-
зируют редуктазы оксида азота:
2NO + 2е– + 2H+ N2O + H2O
Четвертый этап: восстановление закиси азота в молекулярный азот,
катализируют редуктазы закиси азота:
N2O + 2е– + 2H+ N2+ H2O
У денитрифицирующих бактерий, которые являются факультативны-
ми анаэробами, функционирует полная электронтранспортная цепь в
случае аэробного дыхания, при наличии О2 в среде, и укороченная – при
анаэробном дыхании, при отсутствии О2 в среде. Электронтранспортные
цепи бактерий-денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все
основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины,
хиноны, цитохромы b и с. Цитохромоксидазы в этих условиях не синте-
зируются, а их функции выполняют редуктазы (нитратредуктазы, нит-
ритредуктазы, редуктазы оксида и закиси азота). Установлено, что нит-
ратредуктазы денитрифицирующих бактерий связаны с дыхательной це-
пью на уровне цитохрома b, а нитритредуктазы и редуктазы оксида и за-
киси азота на уровне цитохрома роцесс полной денитрификации, ко-
гда происходит восстановление.
Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе.
Они принадлежат ко всем основным физиологическим группам: фото-
трофным, хемолитотрофным, грамположительным и грамотрицательным
факультативным анаэробам. Однако в большей степени способность к
денитрификации распространена у бактерий родов Bacillus и Pseudomonas.
Денитрифицирующие бактерии – это обитатели пресных и морских
водоемов, почв разного типа, хотя процесс денитрификации у них про-
исходит только в анаэробных условиях, т. е. когда содержание кислорода
падает ниже 0,2 %. Этот процесс считается вредным для сельского хо-
зяйства, так как доступные для растений нитраты превращаются в недо-
ступный для них молекулярный азот, что приводит к обеднению почвы
азотом. Тем не менее денитрифицирующие бактерии являются важным
звеном в круговороте азота в природе, обогащающим атмосферу молеку-
лярным азотом. Кроме того, эти бактерии играют положительную роль в
очистке подземных вод и почв от накопившихся в результате деятельно-
сти человека (внесение высоких доз удобрений, промышленные стоки)
нитратов и нитритов, которые в больших концентрациях токсичны
Сульфатвосстанавливающие бактерии – строгие анаэробы. Они раз-
нообразны по морфологическим, физиологическим и биохимическим
признакам. В настоящее время в состав группы сульфатвосстанавли-
вающих бактерий входит более 40 видов. Все сульфатвосстанавливаю-
щие бактерии, за исключением представителей двух родов (Desulfotomaculum
и Desulfosarcina), имеют клеточную стенку грамотрицательного
типа. Среди них есть и одноклеточные, и нитчатые формы. К однокле-
точным бактериям относятся представители родов Desulfovibrio (слегка
изогнутые, не образующие эндоспор палочки с полярно расположенным
жгутиком) и Desulfotomaculum (спорообразующие палочки с перитрихи-
ально располо
терен скользящий тип движения, представлены бактериями рода
Desulfonema.
В качестве источника углерода и энергии сульфатвосстанавливающие
бактерии используют, главным образом, органические кислоты, в пер-
вую очередь пируват и лактат. Некоторые виды могут потреблять также
сукцинат, фумарат, малат. Обнаружена способность использовать жир-
ные кислоты, содержащие от 1 до 12–18 атомов углерода, такие как фор-
миат, ацетат, пропионат, бутират. Отдельные сульфатв
е бактерии могут использовать спирты (этанол, пропанол, бутанол),
некоторые сахара, циклические и С1-соединения, холин.
У видов Desulfonema limicola и Desulfosarcina variabilis обнаружена
способность к автотрофии. Причем эти бактерии используют ач
очника углерода – СО2, в качестве источника энергии – молекуляр-
ный водород, а в качестве конечного акцептора электронов – - 24
SO .
Сульфатвосстанавливающие бактерии могут получать энергию для
роста разными способами. Некоторые виды растут на средах с органиче-
скими субстратами без сульфатов. В этом случае единственным источ-
ником энергии служит процесс брожения, при котором АТФ синтезиру-
ется в реакциях субстратного фосфорилирования. Основными субстра-
тами являются пируват, лактат, этанол, при сбраживании которых выде-
ляется молекулярный водород. Однако специфическим способом полу-
чения энергии, послужившим основанием для вы
• механизмы обоих процессов различны.
тдельную физиологическую группу – группу сульфатвосстанавли-
вающих бактерий, является сульфатное дых
Получение энергии в результате сульфатного дыхани
типе дыхания, состоит из трех этапов
• отрыва электронов от энергетического субстрата;
• переноса их по дыхательно
• присоединения их к веществам, функционирующим в качестве ко-
нечных акцепторов электронов.
Этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют
различные субстратные ферменты (лактат-, пируват-, этанолдегидроге-
назы) и гидрогеназы. С их помощью электроны передаются сразу в ды-
хательную цепь. Сульфатвосстанавливающие ба
реакций цикла Кребса, но этот цикл «разорван» и функционирует
только в условиях конструктивного метаболизма.
В качестве компонентов дыхательной цепи у сульфатвосстанаваю-
щих бактерий идентифицированы флавопротеины, FeS-белки (ферредок-
син, рубредоксин), хиноны (типа менахинона), цитохромы b и с. Особен-
ностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих бактерий
является высокое содержание цитохрома с3. Точная локализация компо-
нентов, их последовательность в дыхательной цепи пока достоверно не
овлены. Однако установлено, что окисление, в частности Н2, про-
исходит на наружной стороне мембраны, а реакции восстановления
- 24
SO – на внутренней. Перенос электронов по ды
дается возникновением электрохимического градиента с последую-
щим генерированием энергии в молекулах АТФ.
Последний этап, заключающийс
нов с помощью нескольких редуктаз, называется собственно дисси-
миляционной сульфатредукцией.
У некоторых микроорганизмов, использующих в качестве источника
серы сульфаты, происходит ассимиляционная сульфатредукция. При
этом происходит восстановление сульфата до сульфида, который затем
идет на синтез серосодержащих амино
). Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции от асси-
миляционной сводятся к следующему:
• диссимиляционное восстановление сульфата присуще только уз-
кому кругу высокоспециализированных прокариотических организмов;
• активность процессов дис
ыше, чем ассимиляционных, следствием чего
де больших количеств H2S;
Карбонатное дыхание
Карбонатное дыхание – процесс окисления молекулярного водорода,
при котором конечным акцептором электронов является СО2. Бактерии,
осуществляющие этот процесс, называются метаногенными.
Метаногенные бактерии объединены в одну группу на основании
двух общих для всех ее представителей свойств: строгий анаэробиоз и
способность образовывать метан.
В настоящее время к метаногенным бактериям относятся бактерии
более 40 видов. Они объединены в 13 родов, сгруппированы в 6 семейств
и 3 порядка.
Среди метаногенных бактерий встречаются прямые или изогнутые
палочки разной длины; клетки неправильной или извитой формы. У не-
которых видов обнаружена тенденция формировать нити или пакеты
клеток. Клетки могут быть неподвижными или передвигающимися с по-
мощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. Обна-
ружены виды, образующие споры.
Метаногенные бактерии имеют необычный химический состав кле-
точных стенок. Они не содержат ни ацетилмурамовой кислоты, ни D-
аминокислот. У этой группы прокариот описаны клеточные стенки трех
типов:
• остоящие из пептидогликана особого химического строения, полу-
чившего название псевдомуреин;
• построенные из белковых глобул;
• клеточные стенки гетерополисахаридной природы.
Цитоплазматическая мембрана этих бактерий содержит липиды,
представленные простыми эфирами глицерина и терпеноидных спиртов.
Сложных эфиров, состоящих из глицерина и жирных кислот, у них не
обнаружено.
Другой особенностью метаногенных бактерий является то, что меха-
низм трансляции у них нечувствителен к антибиотикам, подавляющим
синтез белка у других прокариот.
На основании этих, а также других отличительных признаков и в со-
ответствии с современной классификацией метаногенные бактерии отно-
сят к классу архебактерий.
Большинство метаногенных бактерий имеет температурный оптимум
для роста в области 35–40 °С, но есть виды, у которых он сдвинут в сто-
рону более низких (20–25 °С) или высоких (65–70 °С) температур.
В качестве источника азота метаногенные бактерии используют ам-
монийный азот или некоторые аминокислоты. Источником серы могут
служить сульфаты, сульфиды или серосодержащие аминокислоты.
В качестве источников углерода для биосинтетических целей метано-
генные бактерии используют узкий круг соединений. Около половины
изученных видов не нуждаются для роста в каких-либо органических со-
единениях. Они способны расти на синтетических средах, содержащих
молекулярный водород и СО2. При этом СО2 служит не только для ак-
цептирования электронов при окислении Н2, но и единственным источ-
ником углерода. У таких автотрофных штаммов ассимиляция СО2 про-
исходит без участия фермента рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы –
ключевого фермента цикла Кальвина. Представители этой группы бакте-
рий ассимилируют молекулы СО2 с помощью реакций карбоксилирова-
ния. Первыми или ранними продуктами этих реакций являются ацетил-
КоА и пируват, которые идут на синтез клеточных веществ.
Рассмотрим процесс карбонатного дыхания, т. е. как метаногенные
бактерии получают энергию.
Механизм энергетических процессов у метаногенных бактерий пол-
ностью еще не изучен, но общие принципиальные его положения уста-
новлены. Показано, что получение энергии связано с функционировани-
ем электронтранспортной цепи, в которой обнаружены дегидрогеназы
(или гидрогеназы), переносчики электронов и редуктазы.
Природа всех переносчиков электронов в дыхательной цепи у мета-
ногенных бактерий пока не установлена, хотя показано, что все изучен-
ные метаногенные бактерии имеют необычные по структуре переносчи-
ки электронов, содержащие в качестве коферментов и простетических
групп соединения, найденные только у представителей этой группы:
фактор F420 (производное 5-деазафлавина, назван по максимуму флуо-
ресценции в окисленной форме при 420 мкм), кофермент М (2-меркап-
тоэтанолсульфат), тетрагидрометаноптерин, метанофуран, фактор F430,
фактор Fв, 5-гироксибензимидазол-гидроксикобамид.
При участии фактора F420, а также гидрогеназы осуществляется одно-
временный перенос двух электронов от Н2 в реакции, катализируемые
редуктазами. Редуктазы связаны с переносчиками дыхательной цепи.
При этом образуется ряд промежуточных продуктов.
Схема восстановления СО2 до СН4 метаногенными бактериями:
Х1 – СООН – карбоксипроизводная; Х1 – СНО – формилпроизводная;
Х2 = СН2 – метиленпроизводная; Х2 – СН3 – метилпроизводная; Ф1 –
метилредуктазная система; КоM – S – CH3 – метилкофермент М
что восстановление СО2 до СН4 требует переноса 8 электронов (или 8
атомов водорода), что осуществляется с помощью нескольких редуктаз,
т. е. процесс проходит ступенчато. Образующиеся при этом промежу-
точные продукты остаются связанными с переносчиками в дыхательной
цепи неизвестной природы. К настоящему времени идентифицирован
только один переносчик – кофермент М (КоМ), участвующий на заклю-
чительной стадии образования метана. Этот переносчик присоединяет к
себе метильную группу, образующуюся в результате ступенчатого вос-
становления СО2. Затем с помощью соответствующей редуктазы проис-
ходит освобождение молекулы метана.
При восстановлении СО2 до метана запасается энергия в форме элек-
трохимического ионного потенциала. Фосфорилирование на субстрат-
ном уровне у метаногенных организмов отсутствует. Количество обра-
зуемой энергии непосредственно зависит от изменяющихся в природных
условиях концентраций молекулярного водорода. При оптимальных ус-
ловиях (концентрация Н2 равна 105 Па) количество свободной энергии,
высвобождающейся в этом процессе, является достаточным для синтеза
1 моль АТФ/моль СН4. Однако в природных местообитаниях метаноге-
нов концентрация Н2 несравнимо ниже (1–10 Па) и поэтому энергии об-
разуется меньше. Такая выраженная зависимость выхода энергии от кон-
центрации Н2 связана с тем, что процесс метаногенеза характеризуется
высоким потреблением водорода – 4 моль Н2/моль СН4.
Физиологические свойства метаногенных бактерий (строгий анаэро-
биоз, зависимость от наличия молекулярного водорода) определяют их
распространение в природе. Обычными местами обитания этих бактерий
является анаэробная зона водоемов, богатых органическими соедине-
ниями, иловые отложения озер и рек, болота, заболоченные почвы, оса-
дочные слои морей и океанов. Метаногенные бактерии – типичные оби-
татели пищеварительного тракта животных и человека и важный компо-
нент микрофлоры рубца жвачных животных.
Метаногенные бактерии представляют значительный практический
интерес как продуценты газообразного топлива – метана (биогаза). Они
участвуют в разложении органических веществ в отстойниках сточных
вод при биологической очистке, в переработке экскрементов животных
вместе с отбросами, содержащими целлюлозу, в навозных ямах.
Фумаратное дыхание
Фумаратное дыхание отличается от всех описанных ранее способов
анаэробного дыхания следующими особенностями: во-первых, это един-
ственный пример анаэробного дыхания, когда роль конечного акцептора
электронов в дыхательной цепи играет органическое вещество (фумаро-
вая кислота); во-вторых, этот тип получения энергии не является единст-
венно возможным для какой-либо определенной таксономической груп-
пы бактерий. Во всех известных в настоящее время случаях бактерии,
способные осуществлять фумаратное дыхание – хемоорганотрофы, кото-
рые обладают также способностью к брожению. Таким образом, исполь-
зование фумарата в качестве акцептора электронов при дыхании являет-
ся лишь дополнительным механизмом, позволяющим бактериям полу-
чать большее количество энергии в анаэробных условиях.
Восстановление фумарата в бактериальных клетках часто сопровож-
дается образованием сукцината, который может выделяться в среду в до-
вольно больших количествах, а бактерии, осуществляющие этот процесс,
называют сукциногенными. К ним относят, в первую очередь, некоторые
виды родов Bacteroides, Fibrobacter, Wolinella. Все они являются микро-
аэрофилами, способными к аэробному дыханию при низких концентра-
циях кислорода, но в отсутствии О2 могут использовать альтернативный
акцептор электронов – фумарат.
Кроме сукциногенных бактерий, к фумаратному дыханию способны
многие другие хемоорганотрофы, но их метаболизм не сопровождается
выделением заметных количеств янтарной кислоты. К числу таких мик-
роорганизмов можно отнести энтеробактерии (роды Escherichia, Proteus,
Salmonella, Klebsiella и др.), представителей рода Propionibacterium. Все
перечисленные роды добывают энергию в анаэробных условиях в ре-
зультате брожения, при этом пропионовокислые бактерии в ходе броже-
ния осуществляют этап фумаратного дыхания. Для перечисленных бак-
терий добавление фумарата к питательной среде значительно улучшает
их рост, что связано с увеличением эффективности синтеза АТФ за счет
окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи при восстанов-
лении фумарата.
|