Метаболическая основа хемоавтотрофии

Убедительно показано, что у всех физиологических групп хе­моавтотрофов ассимиляция СО₂ происходит через реакции цикла Кальвина. Выращенные в хемоавтотрофных условиях клетки характеризуются высоким содержанием двух специфичных для данного метаболического пути ферментов - рибулозодифосфаткарбоксилазы и фосфорибулокиназы. Од­нако у факультативно автотрофных тиобацилл и у водород­ных бактерий синтез этих двух ферментов часто в той или иной степени подавляется, если клетки выращиваются на органических субстратах. Многие облигатно автотрофные тиобациллы и нитрифицирующие бактерии имеют особые ха­рактерные для прокариот образования, карбоксисомы, со­держащие рибулозодифосфаткарбоксилазу.

Для осуществления ассимиляции СО₂ хемоавтотрофы должны получать и АТФ, и восстановитель (восстановленный пиридиннуклеотид) путем окислительной диссимиляции не­органического субстрата. По урожаю биомассы (таблица 7) можно оценить относительную эффективность их получения разными организмами.

ТАБЛИЦА 7.- Урожай биомассы некоторых хемоавтотрофных бактерий ¹

¹ Урожай выражен в граммах сухой биомассы клеток, синтезированной на грамм-молекулу или грамм-атом окисленного субстрата.

ОКИСЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА

В принципе генерация как АТФ, так и восстановленного пиридиннуклеотида не представляет особых сложностей, ес­ли окисление неорганического субстрата сопряжено, подобно окислению органических субстратов, с восстановлением НАД⁺. Часть образованного таким образом НАД^.Н может окисляться в дыхательной цепи переноса электронов, что сопровождается синтезом АТФ при окислительном фосфорилировании, а часть использоваться для осуществления вос­становительных реакций ассимиляции углерода. По-видимо­му, именно такая ситуация и имеет место у водородных бактерий, поскольку показано, что некоторые из них обладают растворимой гидрогеназой, которая катализирует реакцию

Этот фермент, выделенный из клеток Nocardia opaca, обладает двумя интересными свойствами. Во-первых, он чувствителен к кислороду и инактивируется на воздухе в нейтральной среде, а во-вторых, для его работы необходимы ионы Ni²⁺, которые могут быть заменены на Mg²⁺ (правда, с частичной потерей активности фермента).

Эти особенности гидрогеназы проливают свет на некото­рые казавшиеся ранее странными особенности питания во­дородных бактерий. Так, было известно, что хотя окисляю­щие водород псевдомонады при выращивании на органиче­ских субстратах ведут себя как обычные аэробные организмы, некоторые из них при хемоавтотрофном росте становятся микроаэрофильными и развиваются за счет Н₂ только тогда, когда парциальное давление кислорода оказывается значи­тельно ниже, чем при обычных условиях в атмосфере.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПИРИДИННУКЛЕОТИДОВ У ДРУГИХ ХЕМОАВТОТРОФОВ

Механизмы, посредством которых хемоавтотрофы, отличные от водородных бактерий, удовлетворяют свои синтетические потребности при окислении субстрата, представляются гораз­до более сложными. В качестве примера можно рассмотреть бактерии, которые окисляют нитрит. У бактерий этой группы при окислении субстрата высвобождается только одна пара электронов:

Однако потенциал пары NO₂^- /NO₃^- (Е'₀ =+0,42 В) гораз­до выше потенциала, необходимого для осуществления сопря­женной реакции

для которой Е'₀ составляет —0,32 В.

Полученные из бесклеточных экстрактов Nitrobacter фрак­ции частиц обладают системой переноса электронов и могут катализировать окисление нитрита кислородом. Исследова­ние такой системы показало, что в ходе этой реакции про­исходит перенос электронов от нитрита на О₂ через цитохромы а₁ и а₃, который сопровождается синтезом 1 моля АТФ на 1 моль окисляемого субстрата (рисунок 8). Таким образом, механизм генерации АТФ при таком типе хемоавтотрофии становится вполне понятным, но способ образования восста­новленного пиридиннуклеотида по-прежнему неясен. Прове­денные недавно исследования показали, что НАД⁺ в бескле­точной системе восстанавливается нитритом при добавлении в систему АТФ, который затрачивается на обратный перенос электронов от восстановленного цитохрома а₁ (первого ак­цептора электронов в цепи переноса). Как схематически по­казано на рисунке 9, для осуществления реакций, приводящих к восстановлению НАД⁺, требуется несколько молейАТФ. Таким образом, часть энергии, полученной при окисле­нии нитрита молекулярным кислородом (через посредство конечных компонентов цепи переноса), должна быть затра­чена на то, чтобы перенести электроны от нитрита против термодинамического градиента и восстановить пиридиннуклеотид.

Полученные недавно данные показывают, что аналогичные процессы обратного переноса электронов требуются и для восстановления пиридиннуклеотидов за счет других неорга­нических субстратов, которые могут окислять хемоавтотрофы (Fe²⁺, NH₃ и восстановленные соединения серы). Однако ни одна из этих систем не изучена пока так детально, как система окисления нитрита. Более того, во многом невыяс­ненными остаются этапы реакций и биохимические механиз­мы, которые функционируют при окислении аммиака до нит­рита и при окислении соединений восстановленной серы до сульфата. При окислении аммиака (валентность N равна—3) до нитрита (валентность N равна +3) атом азота теряет шесть электронов.

Рисунок 8.- Сопряжение синтеза АТФ с окисле­нием нитрита у Nitrobacter.

.

Рисунок 9. Возможный путь энергозависимого обратного переноса элек­тронов от нитрита к НАД⁺ у Nltrobacter

Следовательно, этот процесс протекает с участием по крайней мере двух промежуточных продуктов, в которых атом азота имеет промежуточные валентности. Есть веские данные в пользу того, что первый этап этого про­цесса катализируется оксигеназой, которая присоединяет к аммиаку полученный от О₂ атом кислорода, в результате чего образуется гидроксиламин (NH₂OH) (валентность N равна-1). Каковы последующие этапы процесса, пока не известно. Возможно, имеет место следующая цепь реакций:

При окислении H₂S до сульфата теряется восемь электро­нов. Поскольку у многих окисляющих H₂S хемолитотрофов наблюдается быстрое внутриклеточное накопление элемен­тарной серы, есть все основания считать, что это вещество является первым стабильным промежуточным продуктом, хо­тя ферментативный механизм его образования неизвестен. Предпоследним промежуточным продуктом является сульфит. Природа реакций, приводящих к его образованию, оста­ется неясной, хотя предложено несколько возможных вариан­тов. Механизм окисления

сульфита до сульфата и ферменты, участвующие в этом процессе, твердо установлены. Это един­ственная связанная с окислением неорганического соедине­ния реакция, которая позволяет запасать энергию на уровне субстратного фосфорилирования, поскольку протекает с об­разованием аденилированного промежуточного соединения лденилилсульфата (АФС):

Так как с помощью реакции, катализируемой аденилаткиназой, из АДФ может быть образован АТФ:

в результате фосфорилирования АМФ на уровне субстрата образуется АТФ.