Дыхание. 
Микробиология

Дыхание — окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ: роль доноров водорода (электронов) в нем играют органические или неорганические соединения, акцепторами водорода (электронов) в большинстве случаев служат неорганические соединения. Как уже отмечалось, если конечный акцепор электронов — молекулярный кислород, дыхательный процесс называют аэробным дыханием. У некоторых микроорганизмов конечным акцептором электронов служит нс молекулярный кислород, а иные соединения, такие, как нитраты, сульфаты и карбонаты. В таком случае говорят об анаэробном дыхании.

Аэробное дыхание Оно присуще многим микроорганизмам. Однако есть как строгие аэробы, так и факультативные анаэробы, способные расти и в присутствии и при отсутствии кислорода. У факультативных анаэробов возможен синтез АТФ при брожении, а в присутствии молекулярного кислорода способ получения АТФ у них меняется — начинает осуществляться дыхание. К факультативным анаэробам относятся также микроорганизмы, у которых анаэробное дыхание происходит при использовании нитратов как акцепторов электронов. Микроорганизмы, осуществляющие анаэробное дыхание, при котором акцепторами электронов служат сульфаты и карбонаты, — строгие анаэробы. Считают, что микроорганизмы могут использовать в дыхательном процессе любые природные органические соединения, однако степень окисления этих веществ должна быть меньше, чем степень окисления С0₂.

В процессе аэробного дыхания выделяют две фазы. Первая включает серию реакций, благодаря которым органический субстрат окисляется до С0₂, а освобождающиеся атомы водорода перемешаются к акцепторам. Данная фаза состоит из цикла реакций гликолиза, приводящих к образованию пирувата, и цикла реакций, известного под названием цикла Кребса, или цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Вторая фаза представляет окисление освобождающихся атомов водорода кислородом с образованием АТФ. Обе фазы совместно ведут к окислению субстрата до С0₂ и Н₂0 и образованию биологически полезной энергии в виде АТФ и др.

Цикл Кребса. В цепи реакций, входящих в цикл Кребса (рис. 31), первичный распад углевода (гликолиз) идет как при брожении, но образовавшийся пируват подвергается иным превращениям. При участии мультиферментного комплекса пируватдегид;

Рис. 31. Цикл Кребса (по: В. Л. Крстович):

(1), (6) — система окислительного лскарбоксилирования; (2) — ии трате и и та за; кофермент А; (3). (4) — аконитатгидратаза; (5) — изоцитратдегидрогеназа; (7) — сукиинатде гидрогена за; (8) — фумаратгилратаза; (9) — мадатдегидрогеназа; (10) — спонтанное превращение; (II) — пируваткарбоксилаза рогеназы происходит декарбоксидирование образовавшегося при гликолизе пирувата до ацетальдегида или ацетата.

Последний соединяется с коферментом одного из окислительных ферментов — коферментом A (KoA-SH), образуя ацетил-КоА. Под действием фермента цитратсинтазы двууглеродный ацетил-КоА (СН₃—СО—КоА) реагируете молекулой оксалоацстата, содержащей четыре атома углерода, в результате образуется соединение с шестью атомами углерода — цитрат:

Цитрат под влиянием фермента аконитатгидратазы теряет молекулу воды и превращается в *<//с-аконитат, который под действием того же фермента присоединяет Н₂0 и превращается в изоцитрат.

При воздействии изоцитратдегидрогеназы, активной группой которой служит НАДО, от изоцитрата отщепляются два атома водорода. в результате чего он превращается в оксалосукцинат. От последнего, в свою очередь, под действием фермента декарбоксилазы отщепляется молекула диоксида углерода. В образовавшемся 2-оксоглутарате число атомов углерода равно пяти.

Под влиянием ферментного комплекса а-кетоглутаратдегидрогеназы с активной группой НАД 2-оксоглутарат превращается в сукцинат, теряя С0₂ и два атома водорода. Затем следуют реакции окисления сукцината в фумарат при участии фермента сукцинатдегидрогеназы с активной группой ФАД, превращения фумарата в L-малат при участии фумаратгидратазы (фумаразы), окисления L-малата в оксалоацетат, катализируемого малатдегидрогеназой с активной группой НАД.

Перечисленные превращения сопровождаются отщеплением двух пар атомов водорода. Оксалоацетат взаимодействует с коферментом А, и цикл повторяется снова. Каждая из десяти реакций цикла трикарбоновых кислот, за исключением одной, легко обратима. Углеродные атомы ацетил-КоА освобождаются в виде двух молекул С0₂. В реакциях ферментного дегидрирования атомы водорода удаляются четырьмя разными дегидрогеназами.

В грех из четырех указанных реакций окисления атомы водорода присоединяются к НАД* (или НАДФ⁺), и лишь в случае сукцинатдегидрогеназы они непосредственно переносятся на флавинадсниндинуклсотид (ФАД). Образуется также одна молекула АТФ. В ходе описанных реакций в трансформируемые соединения может включаться вода. Ферменты ЦТК располагаются в цитоплазматической мембране микроорганизмов. Суммарную реакцию цикла трикарбоновых кислот можно представить в виде уравнения:

В цикле трикарбоновых кислот образуется ряд промежуточных продуктов, играющих роль предшественников для реакций биосинтеза макромолекул микробной клетки. Поэтому большинство ферментов цикла Кребса есть и у облигатных анаэробов (некоторые из них не имеют только фермента, катализирующего трансформацию.

2-оксоглутарата в сукцинат). В цикл Кребса вовлекаются и продукты катаболизма жирных кислот и некоторых аминокислот.

Следовательно, цикл трикарбоновых кислот имеет большое значение не только для дыхания, но и для биосинтеза. В соответствии с ним идут превращения, в которых все источники углерода используются для синтеза необходимых микроорганизмам соединений. В этом состоит биологический смысл цикла Кребса, продукты превращения которого легко трансформируются в аминокислоты, белки, жиры, углеводы и т. д. и становятся частью структуры клетки.

У отдельных микроорганизмов, усваивающих простые источники углерода, например ацетат, встречается модифицированная форма ЦТК, известная под названием глиоксилатного цикла (открыт Корнбергом и Кребсом в 1957 г.).

Дыхательная цепь переноса электронов. При всех реакциях дегидрирования в цикле Кребса атомы водорода, отщепляющиеся при участии специфических дегидрогеназ, акцептируются коферментами НАД и НАДФ, затем переносятся по цепи переносчиков. Однако фактически осуществляется перенос как атомов водорода, так и электронов. Ядра атомов водорода свободно перемещаются по растворителю в виде протонов. Такую систему транспорта электронов и протонов называют дыхательной, или электронтранспортной, цепью. Цепь переноса водорода и электронов содержит переносчики — молекулы различных групп, представляющие собой окислительновосстановительные ферменты — флавопротеиды, хиноны и цитохром ы.

Простатическими группами флавопротеидов служат флавинаден инд и нуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН). Флавопротеиды передают атомы водорода от восстановленных пиримидиновых нуклеотидов к последующим переносчикам дыхательной цепи. Хиноны (более распространен убихинон или кофермент О) представляют собой небелковые переносчики небольшой молекулярной массы; они способны переносить водород или электроны и представляют собой промежуточные компоненты между флавопротеидами и цитохромами.

Цитохромы — белки относительно небольшой молекулярной массы. Простстичсская группа цитохромов — гем. Данные ферменты переносят не водородные атомы, а электроны. Известны цитохромы а, я₃, Ь, с, d и ряд других. В цитохромах роль переносящего электроны компонента играет железо гема. Обычно железо гема находится в окисленной форме (Fe³⁺), но после присоединения электрона оно переходит в восстановленную форму.

Каждый атом водорода, поступающий ог кофермента О. распадается на ион водорода и электрон: Н -? Н⁺ + е~. Электрон, в свою очередь, присоединяется к иону железа: Fe³⁺ + е Fe²⁺.

Ионы водорода поступают в раствор, они используются позднее в конце дыхательной цепи. Электрон от цитохрома b переходит к цитохрому с и затем к цитохрому аа_}, называемому цитохромоксидазой. Цитохром о кс и да за содержит помимо железа еще и медь и представляет собой конечную оксидазу, которая реагирует с кислородом и передает ему электроны:

В итоге такого необратимого конечного окисления вся цепь переносчиков электронов переходит в окисленное состояние, а молекулярный кислород восстанавливается до Н₂0. При переносе атомов водорода и электронов на отдельных участках дыхательной цепи выделяется значительное количество свободной энергии. Чтобы закрепить освобождающуюся энергию, в микробной клетке существует механизм, обьединяюший в единый процесс выделение энергии и образование богатых энергией фосфатных связей АТФ. Процесс называют окислительным фосфоршшрованием. Наличие окислительного фосфорилирования, т. с. фосфорилирования, сопряженного с функционированием цепи переноса электронов, является важнейшим отличием процессов дыхания от брожения, при котором фосфорилирование осуществляется только на уровне субстрата.

Известны три участка в дыхательной цепи, где осуществляется сопряжение окисления и фосфорилирования — от НАД до ФАД; от цитохрома b до цитохрома с,; от цитохрома а до цитохрома аа₃ (рис. 32). Дыхательная цепь у прокариотов локализована в цитоплазматической мембране. Считают, что при транспорте электронов происходит вывод ионов Н¹ через мембрану в наружную среду. В результате между наружной и внутренней сторонами мембраны создается градиент концентрации ионов H^f — трансмембранный электрохимический градиент, или прогонный потенциал, энергия которого идет на синтез АТФ. Данный синтез катализируется ферментом АТФ-синтазой, обусловливающим сопряжение процесса переноса водорода и электронов в дыхательной цепи с фосфорилированием.

Все аэробные и факультативно анаэробные бактерии имеют дыхательную цепь. Причем ферменты, катализирующие процессы переноса электронов в этой цепи и окислительного фосфорилирования, локализованы в цитоплазматической мембране.

Многие из анаэробных микроорганизмов не имеют цепи переноса электронов. Поэтому в присутствии кислорода воздуха в среде происходит непосредственный транспорт водорода флавиновыми дегидрогеназами (ФАД) на кислород, что приводит к образованию перекиси водорода Н₂0₂. Перекись водорода чрезвычайно токсична. Удалить се могут два фермента — каталаза и пероксидаза, однако у анаэробных бактерий они, как правило, отсутствуют. Таким обра;

Рис. 32. Дыхательная цепь переноса электронов в митохондриях.

зом, одна из причин токсичного действия кислорода на анаэробные микроорганизмы — образование и аккумуляция перекиси водорода в их клетках в летальных дозах.

В результате окислительного фосфорилирования большая часть энергии пирувата становится доступной для микроорганизмов. Суммарно полное окисление глюкозы можно выразить следующим уравнением:

Рассмотрим выход энергии при дыхании. Поднос окисление одного моля (180 г) глюкозы дает 38 молей АТФ. Каждая связь АТФ равна приблизительно 3,4 • I0⁴ Дж, а 38 молекул АТФ дают 12,9 • 10⁵ Дж. При сжигании одного моля глюкозы в калориметре выделяется в виде тепла около 28,8* I0⁵ Дж. Превращение глюкозы в клетках микроорганизмов в форму, пригодную для использования (АТФ), сопровождается выделением 12,9* 10⁵ Дж, или 44,1% всей энергии. Следовательно, более 50% энергии, заключенной в глюкозе, рассеивается в виде тепла.

В отличие от дыхания брожение — процесс, при котором отщепляемые от органического вещества электроны передаются на органические же соединения. При брожении роль акцептора электронов играет обычно какое-нибудь органическое соединение, образующееся в ходе процесса. Одновременно высвобождается лишь очень незначительная часть той химической энергии, которая потенциально заключена в энергии связей молекулы глюкозы и освобождается при полном окислении ее до С0₂ и Н₂0. В этом легко убедиться, сравнив количество выделившейся свободной энергии при анаэробном расщеплении глюкозы до лактата и при окислении ее до СО, и Н₂0:

Продукты брожения глюкозы в анаэробных условиях нс могут быть использованы микробной клеткой, поэтому выводятся из нее. При этом они еще содержат значительную часть энергии, которая была заключена в молекуле глюкозы. Для получения того же количества энергии, которое выделяется при окислении глюкозы во время дыхания, в анаэробных условиях микроорганизмам приходится расходовать гораздо больше молекул глюкозы, чем в условиях аэробиоза.

Как было указано выше, хемолитоавтотрофные бактерии получают энергию в результате окисления неорганических соединений: Н₂, NHJ, NOj, Fe²⁺, H₂S, S°, SO^-, S₂Oj, СО. В большинстве случаев эти бактерии имеют цепь переноса электронов, во многих отношениях сходную с соответствующей системой других аэробных микроорганизмов. Перенос электронов по данной цепи приводит к образованию АТФ.

Неполное окисление органических соединений. Дыхание обычно связано с полным окислением органического субстрата. Другими словами, конечные продукты распада, например углеводов, — только С0₂ и Н₂0. Некоторые бактерии, в частности представители рода Pseudomonas и ряд грибов, не до конца окисляют углеводы. Образующиеся не полностью окисленные органические соединения, такие, как глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная, уксусная кислоты и другие, аккумулируются в среде. Дыхание указанных организмов иногда неправильно называют аэробным, или окислительным, брожением, в то время как неполное окисление имеет гораздо меньше общего с брожением, чем с обычным дыханием. Неполное окисление, например, протекает лишь в присутствии кислорода, а брожение кислорода не требует. С энергетической точки зрения неполное окисление — выгодный для микроорганизмов процесс.

Анаэробное дыхание. Как отмечалось в параграфе 7.1. некоторые микроорганизмы способны использовать для окисления органических или неорганических веществ не молекулярный кислород, а другие окисленные соединения, например соли азотной, серной и угольной кислот, превращающиеся при этом в более восстановленные соединения. Процессы идут в анаэробных условиях, и их называют анаэробным дыханием.

У микроорганизмов, осуществляющих такое дыхание, конечным акцептором электронов будет не кислород, а неорганические соединения — нитраты, сульфаты и карбонаты. Таким образом, различия между аэробным и анаэробным дыханием заключаются в природе конечного акцептора электронов.

Основные типы анаэробного дыхания приведены в таблице 2. Есть также данные об использовании бактериями в качестве акцепторов электронов Мп^4ч хроматов, хинонов и др.

Таблица 2.

Типы анаэробного дыхания у прокариот.

(по: М. В. Гусев, Л. А. Минеева, 1992, с изменениями).

Свойство микроорганизмов переносить электроны на нитраты, сульфаты и карбонаты обеспечивает в достаточной степени полное окисление органического или неорганического вещества без использования молекулярного кислорода и обусловливает возможность получения большего количества энергии, чем при брожении. При анаэробном дыхании выход энергии только на 10% ниже, чем при аэробном. Микроорганизмы, для которых характерно анаэробное дыхание, имеют набор ферментов элекгронтранспортной цепи, но цитохромоксидаза в них заменяется нитратредуктазой (при использовании в качестве акцептора электронов нитрата) или аденилсульфатредуктазой (при использовании сульфата) или другими ферментами.

Микроорганизмы, способные осуществлять анаэробное дыхание за счет нитратов, — факультативные анаэробы, они относятся главным образом к родам Pseudomonas и Bacillus. Микроорганизмы, использующие сульфаты в анаэробном дыхании, относятся к анаэробам и принадлежат к родам Desulfovibrio, Desulfomonas и Desulfotomaculum.