Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Для функционирования нитрогеназы необходим источник энергии в виде АТФ, ионы магния и восстановитель с низким окислительно-восстановительным потенциалом. У С. pasteurianum непосредственным донором электронов для восстановления N2 служит восстановленный ферредоксин, электроны с которого поступают сначала на Fe-белок нитрогеназы (рис. 67). Восстановленный Fe-белок образует комплекс
с молекулами . Mg и АТФ, чта приводит к сдвигу окислительно-
? N=N
Mg-АДф+Ф,,
Фдвосст-Х X" Fe- ^ ^Mote у -белок \( -белок
-белок
MoFeP-
-MoFe--белок
2NH,
Mg' АТф
Рис. 67. Схематическое изображение функционирования нитрогеназы. в — восстановленная форма белка. Объяснение см. в тексте
восстановительного потенциала FeS-центра белка от —290 до —400 мВ. Это делает возможным последующий перенос электронов на MoFe-белок, в активном центре которого происходит восстановление N2. Перенос 1 электрона на MoFe-белок сопровождается гидролизом как минимум 2 молекул АТФ. Так как за один раа FeS-центрами ферредоксина, Fe- и MoFe-белков может быть перенесено не более 2 электронов, а для восстановления N2 до аммиака необходимо 6 электронов, следовательно, процесс должен состоять не меньше чем из трех последовательных стадий восстановления:
N = N HN= NH H2N-NH2 2NH3. диимин гидразин
Однако до сих пор не удалось обнаружить какие-либо частично восстановленные промежуточные продукты. Единственный до сих пор идентифицированный продукт восстановления — аммиак. Вероятно, промежуточные соединения остаются прочно связанными с нитрогена-зой. По проведенным измерениям, для восстановления 1 молекулы N2 требуется не менее 12 молекул АТФ. Таким образом, процесс азот-фиксации связан с затратой большого количества клеточной энергии. Для ассимиляции 1 мг N2 С. pasteurianum в процессе брожения перерабатывает около 500 мг сахара.
Помимо N2 нитрогеназа может восстанавливать целый ряд других субстратов, каких как N2O, C2H2 и его аналоги, N3~, CN". В отсутствие N2 нитрогеназа катализирует выделение молекулярного водорода в реакции, протекающей с затратой АТФ. Это дает основание предполагать, что нитрогеназа является результатом дальнейшего усложнения молекулы гидрогеназы, приобретшей способность катализировать не только восстановление протонов, ведущее к выделению H2, но и ряд других субстратов, в том числе и N2.
Роль в природе и практическое значение
С жизнедеятельностью клостридиев связаны различные процессы,, протекающие в природе: разложение (гниение) азотсодержащих со
214
единений (белков, нуклеиновых кислот) в анаэробных условиях; анаэробное разложение растительных материалов, „таких как клетчатка, хитин. Некоторые сахаролитические клостридии могут использовать в качестве субстрата брожения пектиновые вещества, составляющие покровы растительных клеток. Пектин — полимер метил-Ь-галактуроно-вой кислоты. Последняя имеет сложное строение и при воздействии на нее пектиновыми ферментами гидролизуется на ряд Сахаров, кислот и метиловый спирт. Клостридии, принадлежащие к виду С. felsi-пеит, содержат активную пектиназу и могут поэтому получать энергию, осуществляя маслянокислое брожение пектиновых веществ. Этот вид играет важную роль в процессе мацерации волокон при мочке льна.
Еще в конце прошлого века было обнаружено, что некоторые клостридии патогенны, т. е. вызывают заболевания человека и животных. В основе патогенности клостридиев лежит их способность синтезировать и выделять из клетки высокоэффективные токсины.
В настоящее время бактерии группы Clostridium находят практическое применение. Их используют в производстве масляной кислоты, необходимой для парфюмерной промышленности. Ацетоно-бутило-вое брожение, осуществляемое некоторыми видами клостридиев, используют для получения в промышленном масштабе ацетона и бута-нола. В свое время в нашей стране возникла острая потребность в этих веществах. Получать их химическим путем в то время было гораздо сложнее, чем микробиологическим. В 30-х гг. академик В. Н. Шапошников организовал одно из первых в СССР промышленных микробиологических производств, на котором было освоено получение я-бута-нола и ацетона с помощью клостридиев.
Альтернативные пути сбраживания углеводов
В течение длительного времени считалось, что единственным путем сбраживания углеводов является гликолитический путь с различными вариантами метаболизирования пирувата. Однако постепенно накапливались данные, которые определенно указывали на существование иного, чем гликолиз, пути расщепления углеводов. Гликолитиче-ская схема не могла объяснить использования прокариотами пентоз в качестве энергетического субстрата, а также того, каким путем они синтезируют необходимую для нуклеиновых кислот рибозу. В 40-е гг. работами нескольких лабораторий был расшифрован путь расщепления углеводов, отличный от гликолитического, получивший название окислительного пентозофосфатного пути (другие названия: гексозомо-нофосфатный путь, фосфоглюконатный путь, путь Варбурга — Диккенса — Хорекера).
Окислительный пентозофосфатный путь
Схема начальных этапов окислительного пентозофосфатного пути представлена на рис. 68. Первая реакция заключается в фосфорили-ровании глюкозы с помощью АТФ и превращении ее в метаболически активную форму глюкозо-6-фосфата, аналогично тому, что имеет место на первом этапе гликолиза. Следующий этап заключается в дегидрировании глюкозо-6-фосфата, катализируемом глюкозо-6-фосфат-де-гидрогеназой. Особенность реакции в том, что в ней участвуют НАДФ+, в качестве акцептора водорода/Образовавшееся соединение
