Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
299
фектов производных O2 является не единственной функцией этих метаболитов. Наконец, к защитным механизмам особого типа может быть отнесен ряд приспособлений, выработанных прокариотами на разных уровнях: популяционном, физиологическом, структурном. Более вероятно, что они были созданы для других целей, но оказались полезными и для детоксификации молекулярного кислорода.
Ферментные системы защиты. Передовой линией защиты от токсического действия O2 являются ферменты: супероксиддисмутаза, захватывающая молекулы O2 (реакция 4), каталаза и пероксидаза, улавливающие IT2O2:
2H2O2 i^?H?^ 2H2O + O2; (10)
H2A + H2O2 П?роксидаза-> А + 2H2O. (11}
Они сводят до минимума концентрацию в клетке 0<Г и H2O2 и не дают им возможности взаимодействовать с образованием ОН" (реакция 5).
Супероксиддисмутаза. Супероксиддисмутаза была обнаружена в 1968 г. и с тех пор служит предметом активного изучения. Она оказалась очень распространенным ферментом и обнаружена у всех прокариот, использующих O2, — аэробных и факультативно анаэробных форм. Супероксиддисмутаза найдена у всех изученных представителей из групп фотосинтезирующих прокариот. Среди анаэробов фермент обнаружен у подавляющего большинства аэротолерантных форм. Исключение'составляют некоторые молочнокислые бактерии, относящиеся к родам Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus. Однако в клетках большинства видов содержатся высокие концентрации (порядка 9— 23 мМ) ионов двухвалентного марганца. Оказалось, что Mn2+, для которого показана способность окисляться под действием O2", в таких концентрациях способен так же эффективно убирать образующиеся супероксидные ионы, как это делает супероксиддисмутаза, содержание которой в клетке обычно поддерживается на микромолярном уровне. Таким образом, у этих молочнокислых бактерий функцию нейтрализации OjT выполняют ионы Mn2+. Из всех изученных молочнокислых бактерий только у двух видов (Lactobacillus bulgaricus, L. acidophilus) не найдено ни супероксиддисмутазы, ни высоких концентраций Mn2+. Это коррелирует с их очень высокой чувствительностью к O2.
Среди облигатных анаэробов супероксиддисмутаза обнаружена у многих представителей рода Clostridium. Изучение их устойчивости к O2 обнаружило четкую связь с содержанием в клетках этого фермента. Виды, имеющие супероксиддисмутазу, характеризовались умеренной или даже высокой устойчивостью к O2 по сравнению с видами, у которых этот фермент отсутствовал. Супероксиддисмутаза найдена у разных видов строго анаэробных бактерий рода Desulfovibrio, метан-образующих бактерий, облигатно анаэробных представителей родов Actinomyces, Bacteroides.
Число организмов с не выявленной до сих пор супероксиддисму-тазой очень мало: некоторые бактерии из родов Clostridium и Desulfovibrio, а также Butyrivibrio fibrisolvens, Veilonella alcalescens, Neisseria gonorrhoeae, молочнокислые бактерии с высокой потребностью в ионах Mn2+, некоторые микоплазмы.
Обнаружение супероксиддисмутазы у строгих анаэробов (горазда более распространенное, чем предполагали раньше) ставит вопрос о-' ее физиологической роли у этих организмов. Способность последних
300
расти только в бескислородной среде делает неясным функции фермента в этих условиях. Возможно, что только при попадании строгого анаэроба в неблагоприятные для него аэробные условия синтез этого фермента индуцируется молекулярным кислородом, что и обеспечивает организму защиту от O2 в этих условиях.
Супероксиддисмутаза — фермент, содержащий в активном центре в качестве простетической группы ионы металла. У прокариот — это атомы марганца и/или железа. Большинство изученных суперок-сиддисмутаз построено из двух идентичных субъединиц, каждая из которых содержит по одному атому металла. Fe- и Mn-ферменты сходны, по аминокислотной последовательности.
Попытки выявить связь между физиологическими и иными особенностями организмов и металлоформой содержащегося в них фермента не привели к определенному заключению. И та и другая формы супероксиддисмутазы обнаружены у представителей грамположительных и грамотрицательных прокариот, среди фото- и хемотрофов, облигатных анаэробов, аэробов и факультативно анаэробных форм. Более того, обе металлоформы супероксиддисмутазы могут присутствовать у одного организма и даже входить в состав молекулы одного-фермента. Для некоторых видов показано, что синтез того или иного типа фермента зависит от наличия ионов металла в среде культивирования.
Супероксиддисмутаза изученных хемотрофных прокариот — несвязанный с мембранами фермент, локализованный в цитоплазме. Наиболее подробно он изучен у Е. coli, где обнаружены Fe-, Mn- и Fe/Mn-формы фермента, локализованные в разных частях клетки: Fe-супероксиддисмутаза обнаружена в периплазматическом пространстве, а Mn-содержащий фермент — в цитоплазме. В связи с этим было высказано предположение, что_ металлоформы фермента играют разную роль в защите клетки от O2: Fe-содержащий фермент защищает клетку от экзогенных супероксидных анионов, -а Мп-содержа-щий — от эндогенных.
Особо остро стоит проблема защиты от молекулярного кислорода и его производных в клетках фотосинтезирующих прокариот, выделяющих O2, — цианобактерий. Вероятно, именно они впервые в наибольшей степени ощутили последствия токсических эффектов кислорода. Супероксиддисмутаза найдена в клетках всех изученных к настоящему времени цианобактерий. Более детальное изучение, проведенное у А. nidulans (Synechococcus), обнаружило в клетках две формы фермента, содержащие, атомы Fe и Mn. Fe-супероксиддисмутаза, составляющая до 90% от общего количества фермента, локализована в ци-тозоле клетки, а Mn-содержащая форма в тилакоидах. Функция последней формы фермента сводится, вероятно, к перехвату ионов O2 , возникающих в результате автоокисления первичного акцептора электронов I фотосистемы.
