Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Разобранный выше путь, завершающийся синтезом масляной кислоты, не связан с получением клеткой энергии, поскольку ни на одном из этапов не происходит образования АТФ. Единственное назначение метаболических превращений ацетил-KoA по этому пути — акцептирование электронов, переносимых на НАД+ в процессе гликолитического метаболизирования глюкозы: две молекулы НАД•H2 образуются на этапе гликолиза, и на двух этапах превращений ацетил-КоА до масляной кислоты происходит потребление водорода с НАД•H2.
В связи с этим особо важное значение приобретает превращение ацетил-КоА, ведущее к синтезу ацетата, поскольку именно с этим путем связано дополнительное получение клостридиями энергии в процессе маслянокислого брожения. К синтезу АТФ и образованию уксусной кислоты у маслянокислых бактерий ведет процесс фосфороли-тического расщепления пирувата. Первоначально полагали, что это одна реакция. Позднее было установлено, что процесс включает несколько ферментативных реакций (см. рис. 62). Сначала
204
происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, катализируемое пируват: ферредоксин-оксидоредуктазой. Далее гидрогеназа катализирует выделение молекулярного водорода с восстановленного ферредоксина.
Гидрогеназы — одна из групп FeS-содержащих ферментов, катализирующих реакции поглощения и выделения молекулярного водорода. К настоящему времени гидрогеназы обнаружены у разных групп прокариот: облигатных анаэробов и аэробов, факультативных форм, у хемо- и фототрофных организмов. Гидрогеназы различаются по строению молекулы, природе доноров и акцепторов электронов, с которыми взаимодействуют, локализации в клетке, выполняемым функциям. Но все гидрогеназы катализируют следующую реакцию:
На*±=2Н++2в.
Гидрогеназа С. pasteигianum, один из наиболее детально изученных ферментов,— это белок с молекулярной массой около 60 ООО, представленный одной субъединицей. В молекуле содержатся три центра типа Fe4S4. Донором (акцептором) электронов клостридиальной гидрогеназы служит ферредоксин.
При разрушении клеток С. pasteurianum гидрогеназная активность проявляется только в растворимой фракции. Более детальное изучение локализации в клетке этого фермента обнаружило его в периплазматическом пространстве и цитоплазме. Гидрогеназа, локализованная в периплазматическом пространстве, по имеющимся данным, катализирует необратимую реакцию поглощения H2. Находящаяся в цитоплазме гидрогеназа способна катализировать реакции как поглощения, так и выделения H2. У клостридиев она входит в состав ферментного комплекса, осуществляющего окислительное декарбоксилирование пирувата (см. рис. 62).
Основная функция гидрогеназ клостридиев (и других облигатных анаэробов) заключается в избавлении от избытка образующихся в катаболических реакциях восстановительных эквивалентов (электронов), которые переносятся на H+ и удаляются из клетки в виде молекулярного водорода.
Гидрогеназы других прокариот могут иметь более сложное строение: состоять из нескольких неидеитичных субъединиц, содержать помимо FeS-центров флавины в качестве простетических групп. Помимо ферредоксинов гидрогеназы разных организмов могут взаимодействовать с довольно широким набором переносчиков электронов: цитохромами с, НАД(Ф), хинонами и др.
В то время как поглощение H2 происходит только с участием гидрогеназ, выделение молекулярного водорода у прокариот, способных к фиксации N2, наряду с гид-рогеназой может катализироваться и нитрогеназой. Согласно одной из точек зрения гидрогеназы возникли в результате усложнения структуры ферредоксинов.
Ацетил-КоА превращается в ацетилфосфат, а затем в ацетат, при этом синтезируется молекула АТФ. Две последние реакции аналогичны тем, которые происходят при образовании уксусной кислоты в пропионовокислом брожении (см. рис. 61).
Основным источником выделяемых при брожении газообразных продуктов (CO2 и H2) служит реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. У клостридиев описаны и другие пути образования молекулярного водорода. В частности, НАД • H2, возникающий на пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, может восстанавливать ферредоксин в реакции, катализируемой НАД •H2: ферредоксин-оксидоредуктазой, а с восстановленного ферредоксина H2 выделяется при участии гидрогеназы. Как видно, природа нашла различные пути для избавления от избытка восстановительных эквивалентов и для регенерирования и последующего возвращения в клеточный метаболизм промежуточных переносчиков водорода.
Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного — окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого — восстановительного, функция которого — акцептирование водорода, образовавшегося .в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими от
205
ветвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).
Расчеты показали, что в целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 моля АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т. е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования, из всех рассмотренных выше типов брожений.
