Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Обратимо функционирующие протонные АТФазы мы находим у первично анаэробных прокариот, также получающих энергию только в процессе брожения. Обнаружено, что выделение во внешнюю среду молочной и уксусной кислот молочнокислыми бактериями и клостри-диями приводит к созданию на ЦПМ протонного градиента. У стрептококков, осуществляющих гомоферментативное молочнокислое брожение, молочная кислота накапливается в клетке в виде аниона, для которого ЦПМ практически непроницаема. Выход лактата из клетки происходит в процессе электронейтрального симпорта с протонами
H+' в H+
Глюкоза
Рис. 100. Схема энергетических й транспортных процессов у молочнокислых бактерий. Темный кружок — переносчик;" В — молекула растворенного вещества; глюкоза поступает в клетку с помощью фосфотрансферазной системы (см. с. 44). Остальные объяснения см. в тексте
(рис. 100). Аналогичную картину наблюдали у Clostridium pasteurianum, у которого накапливающиеся в клетке ионы ацетата проходят" через ЦПМ в недиссоциированной форме. Поскольку внутри клетки концентрации молочной и уксусной кислот в начале брожения всегда выше, чем во внешней среде, выход их осуществляется с помощью соответствующих переносчиков по концентрационному градиенту, т. е. в процессе облегченной диффузии, не требующей энергетических за
312
трат. Транспорт H+" в симпорте с л акт атом или ацетатом приводит к генерированию на ЦПМ A\iH+. При накоплении во внешней среде кислот их концентрационный градиент постепенно падает, в результате чего способность образовывать протонный градиент, связанный с выделением кислот из клетки, уменьшается. При высоких концентрациях молочной и уксусной кислот в среде образование А[хн+ на мембране зависит только от гидролиза АТФ.
Электрохимическая энергия протонного градиента, возникающая при выделении из клетки кислот в процессе брожения, может использоваться для транспорта в клетку растворимых веществ, а также для синтеза АТФ, который осуществляется при функционировании протонной АТФазы в обратном направлении. Выход энергии за счет выделения из клетки продуктов брожения может быть довольно значительным. При гомоферментативном молочнокислом брожении, по проведенным подсчетам, он может достигать 30% от общего количества энергии, вырабатываемой клеткой. Таким образом, у некоторых прокариот, получающих энергию только в процессе брожения, АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования и дополнительно за счет использования Д|гн+ , образующегося при выходе конечных продуктов брожения в симпорте с протонами. Следовательно, прокариоты с облигатно бродильным типом энергетики у !же имеют протонные АТФазы, функционирующие в направлении гидролиза и синтеза АТФ, т. е. катализирующие обратимое взаимопревращение-двух видов метаболической энергии: АТф Ju A[I1.+ .
Наконец, у некоторые первично анаэробных прокариот-бродиль-щиков обнаружена АТФ-синтетазная активность, сопряженная с короткими фрагментами переноса электронов с помощью связанных с мембраной переносчиков (см. ниже).
Растворимые системы переноса электронов на O2 у первично анаэробных прокариот
Как известно, перенос электронов лежит в основе всех окислительно-восстановительных процессов. В разных видах брожений, рассмотренных в гл. 9, перенос электронов (водорода) от одних органических молекул к другим обычно осуществляют растворимые НАД-за-висимые дегидрогеназы:
субстрат + НАД+окисленный субстрат + НАД •H2;
НАД-H2+ НАД+ + A-H2,
где ДГ — соответствующие дегидрогеназы, содержащие НАД в качестве кофермента; А — молекула органического вещества, служащая акцептором электронов. Молекулы НАД • H2 используются в конструктивном метаболизме, поставляя восстановитель для биосинтетических процессов, а также в системе энергетического метаболизма, участвуя в решении «акцепторной проблемы». Электронный перенос ни в одном случае не приводит к получению клеткой энергии, она вырабатывается только в реакциях субстратного фосфорилирования.
У некоторых прокариот описан прямой перенос электронов с растворимых НАД-зависимых ферментов на O2, приводящий к его восстановлению:
11 М. В. Гусев, Л. А. Минеева
313
НАД - H2 + O2^HАД + +H2O2.
Окисление НАД-зависимых дегидрогеназ осуществляется также через посредство флавопротеидов, катализирующих перенос 1, 2 или 4 электронов на O2, что приводит к образованию супероксидного аниона, перекиси водорода или воды соответственно. O2 и H2O2 далее могут разлагаться ферментами, разобранными в этой главе в разделе «Защитные механизмы клетки».
У аэротолерантных анаэробов, таких как молочнокислые бактерии и некоторые клостридии, флавопротеиды выполняют роль основного связующего звена между субстратом и молекулярным кислородом. Подобные системы могут быть полезными, например, для создания анаэробных условий в результате поглощения O2 из среды, но« не имеют отношения к получению клеткой энергии. Восстановление O2, при котором в роли оксидаз, т. е. ферментов, непосредственно осуществляющих перенос электронов на молекулярный кислород, выступают флавопротеиды, получило название «флавинового дыхания».. В основном при флавиновом дыхании осуществляется двухэлектрон-ный перенос на O2. Так, у молочнокислых бактерий рода Streptococcus 90% поглощенного O2 восстанавливается до H2O2.
