Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Каталаза и пероксидаза. Перекись водорода разрушается двумя классами родственных ферментов, катализирующих ее двухэлектрон-ное восстановление до H2O и использующих в качестве донора электронов H2O2 в случае каталазы (реакция 10) или различные органические соединения — в случае пероксидазы (реакция 11).
Каталазная и пероксидазная активности обнаружены у всех аэробных и факультативно анаэробных прокариот. Среди облигатных анаэробов эти ферменты распространены значительно в меньшей степени,, чем супероксиддисмутаза. Обнаружены многие строгие и аэротоле
301
рантные анаэробы, содержащие супероксиддисмутазу, но не содержащие каталазы: Clostridium pasteurianum, С. acetobutylicum, С. oroti-сит, Eubacterium limosum, Zymobacterium oroticum, Butyribaclerium rettgeri, молочнокислые бактерии, относящиеся к роду Streptococcus (S. mutans, S. mills, S. lactis, S. faecalis, S. bovis). К этой же группе можно отнести и те молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, у которых диомутация образующих ионов O2 обеспечивается Mn2+, находящимся в клетках в высоких концентрациях.
Отсутствие каталазы у молочнокислых бактерий связано с тем, что они не могут синтезировать гем — простетическую группу фермента, но способны к синтезу апофермента. При добавлении гемовых групп извне молочнокислые бактерии образуют гемсодержащую ката-лазу. У ряда молочнокислых бактерий, принадлежащих к родам Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc, Streptococcus, обнаружена ката-лаза, не содержащая гемовой группы, названная поэтому псевдоката-лазой. Выделенный из Lactobacillus plantarum фермент состоит из шести идентичных полипептидных цепей, соединенных между собой не-ковалеитными силами. Каждая субъединица содержит 1 атом марганца.
Перекись водорода, возникающая в результате взаимодействия клеток анаэробов с O2, устраняется и неферментативными путями. Известно, что ионы Fe2+ в водном растворе ускоряют восстановление H2O2 до H2O. В клетке всегда содержится некоторое количество ионов железа. Разрушение H2O2 может происходить и за счет выделяющихся в культуральную среду восстановленных веществ.
Для анаэробных прокариот, способных переносить контакт с O2 и его производными в относительно небольших масштабах, необходимо присутствие в клетках супероксиддисмутазы, «убирающей» O2. Наличие каталазы при этом не обязательно, поскольку возникающая в реакции дисмутации и других реакциях перекись водорода разлагается спонтанно или с участием неферментативных катализаторов, и организмы в целом справляются с ней в этих условиях. Таким образом, при осуществлении энергетического метаболизма анаэробного типа для устранения токсических эффектов O2 достаточно одной ферментативной преграды в виде супероксиддисмутазы.
Резкое возрастание масштабов взаимодействия прокариот с O2 при функционировании метаболизма аэробного типа делает неэффективными неферментативные пути устранения H2O2. Для разложения перекиси водорода, образующейся в возросших количествах, необходимы специальные ферменты, повышающие скорость разложения H2O2 на несколько порядков. Это обеспечивается каталазой и пероксидазой. Таким образом, в условиях активного взаимодействия клеток с молекулярным кислородом, делающего возможным аэробную жизнь, система ферментной защиты от его токсических эффектов сформирована с участием супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в качестве необходимых компонентов (рис. 96).
Механизмы защиты с помощью клеточных метаболитов. Защита против одного из самых токсичных производных молекулярного кислорода — синглетного кислорода — осуществляется с помощью каро-тиноидных пигментов. Каротиноиды широко распространены в мире прокариот. Они обнаружены в клетках многих аэробных хемотрофов, являются обязательным компонентом пигментного аппарата всех фото-трофов. В клетках фотосинтезирующих организмов, как отмечалось выше, активными фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы. Од-
302
8' > ь
Рис. 96. Схематическое изображение систем клеточной защиты от токсических производных молекулярного кислорода: / — супероксиддисмутаза, ионы Mn2+; 2 — каталаза, пероксидаза; 3 — тушение каротиноида ми
нако возможность фотоокислительных эффектов в условиях функционирования фотосинтетического аппарата довольно низка, во-первых, из-за чрезвычайно короткого (1.0"11 с) времени пребывания хлорофилла в возбужденном состоянии и, во-вторых, из-за защиты клеток от фотоокисления каротиноидами.
Впервые роль каротиноидов в предотвращении летального эффекта, вызываемого фотоокислением, была показана при изучении беска-ротиноидного сине-зеленого мутанта пурпурной бактерии Rhodopseudomonas sphaeroides. Исходная культура хорошо росла фототрофно в анаэробных условиях, но могла также расти на свету и в темноте в аэробных условиях. Полученный из нее мутант, лишенный каротиноидов, обладал низкой скоростью роста на свету в анаэробных условиях и в темноте в аэробных условиях, но быстро погибал при перенесении на свет+ воздух. Тот же самый эффект был получен при ингибирова-нии синтеза каротиноидов у другой фотосинтезирующей пурпурной 'бактерии Rhodospirilliim rubrum.
