Окислительно-восстановительные процессы в клетках микроорганизмов

1
Лекция 7. Окислительно-восстановительные процессы в
клетках микроорганизмов
План
1. Классификация микроорганизмов по механизму функционирования
электронотранспортной цепи (ЭТЦ).
2. Аэробный тип метаболизма. Биологическая роль дыхательной цепи.
3. Особенности фотосинтетического метаболизма микроорганизмов.
4. Анаэробный окислительно-восстановительные процессы. Эффект
Пастера.
5. Особенности метаболизма метаногенных микроорганизмов.
В. 1. Классификация микроорганизмов по механизму
функционирования электронотранспортной цепи (ЭТЦ).
Одной из главных особенностей окислительно-восстановительных процесссов в клетках микроорганизмов является непостоянство количественного
и качественного состава компонентов электроннотранспортной цепи. Состав
и концентрация доноров и акцепторов электронов зависят от физиологических (температура, рН, осмотическое давление и активность воды, концентрация О2 и СО2) и физиологических (фаза роста, возраст культуры)
факторов.
Таким образом, регуляция скорости и энергетической эффективности
переноса электронов от донора к конечному акцептору у микроорганизмов
осуществляется за счет изменения состава промежуточных акцепторов и
переключения с одного акцептора на другой.
Общая схема окисления субстратов может быть изображена следующим
образом:
p
i
редуктазы
неорг.соединения
k О2
j
Cубстрат
субстрат
f
а 2[H] в
H2O2 или О2
g
FP
KoQ с
L
m
NO3 фумаровая
к-та
цитохромфотооксидаза
цитохромпероксидаза
ОН
Н2О2
неорг.соединения
(SO2-;NO3-; NO2-)
цитохромы d цитохромоксидазы е О2
n
(a + a3)
фумаратредуктаза о
фумаровая
к-та
2
В зависимости от путей транспорта электронов выделяют следующие
типы метаболизма:
1). Аэробный – транспорт электронов по пути а-в-с-d-е, а-в-с-к.
2). Факультативно-аэробный:
2.1. Цитохромнезависимый: аэробный транспорт а-в-g (флавиновое
дыхание); анаэробный транспорт а-f (брожение), а-в-m (фумаратредукция);
а-в-l (нитратредукция).
2.2. Цитохромзависимый аэробный транспорт а-в-с-d-e; анаэробный
транспорт а-f, а-в-с-j (нитратредукция); а-в-с-n-o (фумаратредукция).
3). Анаэробный:
3.1. Цитохромзависимый а-в-с-j (анаэробное дыхание);
3.2. Цитохромнезависимый а-f.
Таким образом, у микроорганизмов в различных условиях культивирования
реализуется
тот
или
иной
окислительно-восстановительный
механизм. Длина цепи переноса электронов обеспечивает накопление
определенного количества энергии в форме молекул АТФ, идущей на
поддержание биосинтетических процессов в клетке.
В. 2. Аэробный тип метаболизма. Биологическая роль дыхательной
цепи.
Микроорганизмы, которым присущ аэробный тип метаболизма, могут
использовать
разнообразные
доноры
электронов,
фиксируемых
переносчиками дыхательной цепи: восстановленные формы пиридиновых и
флавиновых нуклеотидов, сукцинат, лактат, метанол, неорганические доноры
(Н2, восстановленные соединения азота и серы, Fe2+, СО).
Схемы включения доноров в дыхательную цепь:
Сукцинат, лактат
- органических
(органотрофы)
НАДН
НАДН-Р
ФАДН
ФМНН
FP
KoQ
метанол
цитохромы
1/2 О2
3
- неорганических
(литотрофы)
Н2
FP
KoQ
цитохромы
Cu
Fe
1/2 О2
NO3
3+
Fe2+
NO2
NO3
У некоторых алкалофильных литотрофов окисление субстрата в
дыхательной цепи сопровождается высвобождением не протов, а ионов Na+,
перенос Na+ через мембрану сопровождается накоплением в клетке молекул
АТФ.
Биологическая роль транспорта электронов:
- накопление свободной энергии, обеспечивающее высокий выход АТФ
в результате окисления субстратов:
Ео
НАД+/НАДН
= -320 мВ; Ео
1/2О2/Н2О
= +820 мВ; т.е. pedox-потенциал
системы +1140 мВ.
- важное биологическое значение имеет ступенчатое изменение
потенциала по стадиям дыхательной цепи, обеспечивающее синтез 3-х
молекул АТФ:
Компонент ЭТЦ
НАДН
FP
цитохром в
KoQ
цитохром с
цитохром а
1/2 О2
∆Ео, мВ
-320
0
4
10
26
29
81
- органотрофы с кислородным дыханием способны к быстрому накоплению биомассы, промышленные продуценты лимонной кислоты, аминокислот, антибиотиков в большинстве своем относятся именно к этой группе;
4
- литотрофы «эксплуатируют» короткие участки дыхательной цепи,
затрачивая на окисление субстратов в 10-100 раз больше О2 в единицу
времени, чем органотрофы.
В. 3. Особенности фотосинтетического метаболизма
микроорганизмов.
Фототрофный
тип
метаболизма
микроорганизмов
основан
на
улавливании солнечной энергии специальными пигментами и построении
органических веществ из СО2 и Н2О:
СО2 + Н2О
СН2О + О2
Микроорганизмам присущи 2 типа фотометаболизма: оксигенный и
аноксигенный.
Особенности
аноксигенного
фотосинтеза.
В
аноксигенном
фотосинтезе Н2О не вовлекается и не выделяется О2.
Фотосинтетический аппарат может быть рахделен на 3 компонента:
1
–
антенна
–
состоит
из
светособирающих
пигментов:
бактериохлорофилла (бхл – налог хлорофиллов а и в) и каротиноидов в
соотношении 1:1.
2 – реакционный центр – акцептирует поток энергии кванта света с
антенны. Активно поглощает свет с λ=870-890 нм. Реакционный центр
содержит три полипептида, ассоциированных с 4 моль бхл, 2 моль бактериофеофимина, 1 моль убихинона, и не гемовое железо. Также присутствует
незначительное количество каротиноидов.
3 – ЭТЦ – химическая природа донора и акцепторов у отдельных вилдов
бактерий имеет существенные отличия. У большинства изученных культур
имеются цитохромы и убихинон.
У бактерий имеет место циклический путь переноса электронов,
сопряженный с генерацией АТФ:
5
Н+
hv
бхл
е
цитохром
KoQhv
е
Н+
АДФ
АТФ
+Н3РО4
Например, зеленые серые бактерии используют энергию света для
переноса е от Н2S к НАДФ+.
Особенности оксигенного фотосинтеза. Наиболее распространенной
группой микроорганизмов, которым присущ данный тип метаболизма,
являются циаонобактерии. У них, как и у растений, имеются две
фотосинтетические системы ФС1 и ФС2, строение ЭТЦ аналогично
строению ЭТЦ растений. В то же время, пигменты существенно отличаются
от растительных. Они содержат только один хлорофилл, по сравнению
аналогичный растительному хлорофиллу а, и вспомогательные пигменты
фикобилины (фикоэритин и фико цианин), локализованные в клетке в
фикобилисомах. Последние структурно связаны с ФС2. Система ФС1 не
усваивает энергию света, в ее «антенне» присутствует хлорофилл а. С ФС1
ассоциирован β-каротин. При освещении ФС1 окисляет цитохром и
восстанавливает НАДН+. С ФС2 структурно связаны ксантофиллы. Ее
функционирование
приводит
к
образованию
О2
и
восстановлению
цитохромов.
Некоторые фотосинтетические микроорганизмы, например, пурпурные
серные бактерии, способны фиксировать СО2 и использовать глиоксилатный
цикл для синтеза С4-соединений. Бактерии рода Clorolium содержат большую
часть ферментов ЦТК и у них функционирует так называемый цикл
карбоновых кислот (цикл Арнона).
СООН 2Н+ СО2 2е
СН2
СН2
СО~SKoA
Сукцинил-КоА
СООН 2СО2 НАДН
СН2
СН2
C=O
СООН
кетоглутаровая к-та
НАД+
СООН
СНОН
СН-СООН
CH2 – COOH
изоцитрат
6
цитрат
ЩУК
сукцинил-КоА.
малат
фумарат
сукцинат
В. 4. Анаэробный окислительно-восстановительные процессы.
Эффект Пастера.
Анаэробные окислительно-восстановительные процессы подразделяют
на анаэробное дыхание и брожение. Первые сопряжены с вовлечением в
перенос электронов с донора на конечный субстрат компонентов ЭТЦ.
Процессы брожения связаны с переносом электронов с ПВК на органический
субстрат без непосредственного вовлечения компонентов ЭТЦ.
Анаэробное дыхание. Акцепторами протонов являются оксиды N и S,
СО2; органические субстраты (фумаровая кислота). Выход АТФ при анаэробном дыхании выше, чем при брожении, но меньше, чем при аэробных
процессах. Сравнительная энергетическая эффективность приведена в
таблице:
Реакция
О2 + 2Н2
Выход энергии, кДж
2Н2О
-237,2
2NO2- + 2H+ + 5H2O
NO3- + H2
N2 + 6H2O
NO2-+ H2O
Фумарат + Н2
сукцинат
SO42- + H+ + 4H2
HS- + 4H2O
HCO3- + H+ + 4H2
CH4 + 3H2O
-224,1
-103,2
-86,2
-38,0
-33,0
Денитрификацию, т.е. анаэробное дыхание за счет NO3, NO2, NO,
осуществляют многие факультативные анаэробы в отсутствии кислорода.
При этом прекращается синтез цитохрома с, а + а3, но образуются FP, KoQ,
цитохром в. Данные тип метаболизма, как правило, репрессируется
кислородом. Присутствие в среде нитратов в анаэробных условиях
индуцирует синтез специфических нитратредуктаз гемовой природы.
Биологическая
роль,
помимо
энергетического
эффекта,
обусловлена
7
способностью микроорганизмов-денитрификаторов утилизировать широкий
спектр азотсодержащих неорганических и органических соединений.
Сульфатное дыхание связано с переносом электронов на конечный
акцептор сульфат-ион, восстанавливаемый до сульфида. Сульфат должен
быть первоначально активирован в реакции с АТФ с образованием
аденилсульфата (APS). APS восстанавливается до сульфита, акцептируя 2
электрона, сульфит – до сульфида:
2е
SO42-
SO32АТФ
АДФ
S3O62-
АДФ
АТФ
S2O32АДФ
H2S
АТФ
Основным донором электронов для десульфатирующих бактерий
является Н2.
Бродильный тип метаболизма.
Брожениями называют процессы переноса электронов к органическим
акцепторам электронов, в которые не вовлекаются дыхательные цепи с
кислородом. Для брожений характерно участие не связанных с мембранами
ферментов;
неполное
окисление
исходных
субстратов;
образование
недоокисленных продуктов, имеющих важное практическое значение;
использование большего количества субстрата для образования того же
количества АТФ, что и в других процессах.
Процессы брожения протекают в строго анаэробных условиях, при
наличии в среде кислорода активность ферментов брожения полностью
подавляется (эффект Пастера).
В зависимости от схемы переноса электронов от донора к конечному
акцептору различают следующие типы брожений:
1 –Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое брожение, в
которых
отсутствуют
внешние
акцепторы
электронов.
Реакции
дегидрирования и гидрогенирования сопряжены с НАД/НАДН – циклом:
НАД
АДФ
субстрат
АТФ
2е (2Н )
+
ПВК
НАДН
НАДН
НАД
продукт
8
2
–
Особый
тип
реакций
представляет
маслянокислое брожение,
осуществляемое некоторыми видами клостридий. У них окисление ПВК до
ацетил-КоА и СО2 сопряжено с восстановлением ферредоксина, который
затем восстанавливает протоны до Н2:
2НАД+ 2НАДН
глюкоза
4Fdок.
4Fdвосст.
2ПВК
2НАДН
2СН3-СО~SKoA + 2СО2;
2НАД+
2НS~KoA
2СН3-СО~SKoA
СН3-(СН2)2-СООН
4Fd восст. + 4Н+
4Fd окисл. + 2Н2.
3 – Реакции Стикланда, в которых используется внешний акцептор
электронов. Например, аланин окисляется через ПВК до ацетата, NH3, CO2, а
гшицин восстанавливается до ацетата, давая NH3.
Субстрат 1
(донор)
продукт 1
АДФ
е(+Н+)
АТФ
Субстрат 2
(акцептор)
продукт 2
4 – Брожения, в которых имеют место комбинации приведенных выше
типов реакций, т.е. электроны частично переносятся к внутриклеточному
метаболизму, а другая часть – внешнему акцептору электронов. Например,
некоторые клостридии сбраживают этанол и ацетат с образованием
масляной, капроновой кислот и Н2:
субстрат 1
субстрат 2
АДФ
Е (+Н+)
АТФ
Интермедиат
Продукт А
Продукт В
продукт С
9
5 – У некоторых десульфатирующих бактерий имеет место перенос
электронов на протоны. Если микроорганизм выделяет Н2, то для него
выгоден симбиоз с микроорганизмом, активно потребляющим Н2.
Субстрат
АДФ
Fd восст
Н+
Fd окис.
Н2
е
АТФ
Продукт
6 – Клостридии, не способные выделять Н2, окисляют гексозы в ацетат и СО2,
а электроны используют для восстановления СО2 до ацетата:
С6Н12О6 + 2Н2О
2СН3СОО- + 2НСО3 + 4Н2;
2НСО3 + 4Н2 + Н+
СН3СОО- + 4Н2О
В. 5. Особенности метаболизма метаногенных микроорганизмов
Метаногенные бактерии используют в качестве углеродного субстрата
СО2 и фиксируют Н2, образуя в качестве главного продукта метаболизма
метан.
Для
превращения
органических
молекул
в
метан
используется
кофермент М (СоМ), обнаруженный только у метаногенных бактерий. На
первом этапе СО2 взаимодействует с фактором Х, образуя карбоксипроизводное:
Н2
СО2 + Х
Х-СООН
Далее следует 4 последовательных восстановления, сопряженных с
фиксацией Н2:
H2
YH2
Х-СООН
Y
H2
HS-CoM YH2
ХСНО
Y
H2
YH2
Y
НОСН2-S-СоМ
H2O
CH3-S-CoM
H2
АДФ АТФ
CH4
HS-CoM
10
Функции переносчиков Н2 выполняют гемовые метанопротеины.
У некоторых метаногенов реакция восстановления метана сопряжена с
функционированием фумарат-сукцинатного цикла:
СО2
Н-СНО
ХСН2О
Х-СН3
СН4
АДФ АТФ
Н2
Фумарат
Сукцинат
Электроны от донора переносятся на фумаровую кислоту, при этом
восстанавливается янтарная кислота, а выделяющаяся энергия идет на
образование молекулы АТФ; янтарная кислота выполняет функцию
переносчика Н2 при восстановлении метана с одновременной регенерацией
фумаровой кислоты.