Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Свойство восстанавливать нитрат представляется менее необычным, если вспомнить, что бактерии, использующие в качестве источника азота нитраты (а таких много), должны иметь ферментную систему для его восстановления, так как в конструктивном метаболизме азот участвует только в восстановленной форме. Таким образом, восстановление нитрата в системе реакций конструктивного метаболизма, получившее название ассимиляционной нитратредукции (NO3--^NH3), очевидно. Оно имеет место всегда при выращивании на среде с нитратами в качестве единственного источника азота.
Способность к ассимиляционной нитратредукции не обязательно облигатно связана со способностью к денитрификации. Например, Pseudomonas aeruginosa обладает обеими метаболическими активностями; у Rhodopseudomonas sphaeroides обнаружена способность к денитрификации, но не к ассимиляции нитрата; наконец, многие прокариоты могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять деиит-рификацию. Оба процесса восстановления нитрата различаются по целому ряду признаков (табл. 44). Информация об ассимиляционной нитратредукции и денитрификации закодирована в разных генах.
Большинство денитрификаторов — хемоорганотрофы. Использование в качестве конечного акцептора электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты полностью (до CO2 и H2O) по обычным катаболическим путям. Переходящий на переносчики водород поступает в дыхательную цепь.
Изменение свободной энергии при окислении 1 молекулы глюкозы молекулярным кислородом (AG07=—2870 кДж/моль) того же порядка, что и окисление этого же субстрата в анаэробных условиях нитратом, восстанавливающимся до нитрита (AGo'=—1770 кДж/моль) или молекулярного азота (AGr/=—2700 кДж/моль). Таким образом, энер
362
Таблица 44-
Различия между ассимиляционной нитратредукцией и денитрификацией
Признак Ассимиляционная нитратредукция Денитрификация Локализация в клетке в цитоплазме в мембранах Отношение к энергетическому метаболизму не связана с получением клеточной энергии связана с синтезом АТФ Отношение к O2 нечувствительна к O3 O2 ингибирует активность и репрессирует синтез NO3" и NO2"-редуктаз Отношение к NO3" и NO2" индуцирует синтез соответствующих редуктаз Отношение к NH3 репрессирует синтез ферментов Судьба конечного продукта входит в состав азотсодержащих клеточных компонентов выделяется из клетки гетические возможности процесса окисления глюкозы с участием нитрата сопоставимы с энергетическими возможностями процесса дыхания. Запасание клеткой полезной энергии при денитрификации зависит от организации электронного транспорта, свойств и локализации соответствующих редуктаз. Электроитранспортные цепи денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеиды, хиноны (убихинон, менахинон, или нафтохинон), цитохромы типа Ъ, с. Цитохромоксидазы в этих условиях не синтезируются.
Полный процесс денитрификации состоит из 4 восстановительных этапов, каждый из которых катализируется специфической мембран-связанной редуктазой. Нитратредуктазы всех денитрификаторов структурно сходны между собой (содержащие молибден FeS-бел.ки) и катализируют восстановление нитрата до нитрита в соответствии с уравнением:
NO3- + 2ё+2HWNO2-+ H2O. С дыхательной цепью нитратредуктазы сопряжены на уровне цитохрома Ь (см. рис. 108, В).
Нитритредуктазы (1) и, вероятно, редуктазы окиси (2) и закиси (3) азота акцептируют электроны на уровне цитохрома с, осуществляя следующие реакции:
NO2-+ё+ HWNO+ОН-; (1)
2NO + 2ё+2H-WN2O + H2O; (2)
N2O + 2ё+2HWN2+H2O. (3)
Денитрифицирующие бактерии содержат один из двух типов нит-ритредуктаз: медьсодержащий фермент или цитохром с гемами типа c+rf. Химическая природа остальных редуктаз пока не установлена.
В дыхательной цепи денитрификаторов при переносе электронов на нитрат функционируют 2 генератора А|дн+ (вместо 3 при переносе электронов на O2). Процесс восстановления нитрата до нитрита локализован на цитоплазматической стороне мембраны. По другим данным,
36S
ферментный комплекс имеет трансмембранную ориентацию, в результате чего поглощенные из цитоплазмы протоны переносятся на противоположную сторону, где участвуют в нитратредуктазной реакции. В любом из вариантов это приводит к созданию трансмембранного протонного градиента нужного направления (см. рис. 25). Восстановление нитрита и окислов азота происходит на наружной стороне ЦПМ и, вероятно, некоторые из выделенных протонов должны для этих целей поглощаться из периплазматического пространства. Однако не исключено, что участие цитохрома с в переносе электронов на редукта-зы нитрита и окислов азота приводит к функционированию еще одного генератора ^1?+.Тогда в любом случае при денитрификации перенос 2 электронов будет сопряжен с трансмембранным переносом, приблизительно, 4 протонов, т. е. энергетический выход составит около 70% сравнительно с дыханием.
Все денитрифицирующие бактерии — факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O2, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям — вторичного происхождения. Способность к денитрификации развилась после сформирования механизмов использования O2 как конечного акцептора электронов. Первым шагом на пути вторичного приспособления к анаэробным условиям явилось развитие нитратного дыхания. Следующий шаг — совершенствование способности использовать нитраты для акцептирования электронов дыхательной цепи — привел к возникновению денитрификации.
