Сульфатное дыхание

Специфическим способом получения энергии, послужившим основанием для выделения ряда эубактерии в отдельную физиологическую группу, является сульфатное дыхание. Помимо SO4-- конечными акцепторами электронов могут служить и другие соединения серы ( тиосульфат , сульфит , молекулярная сера). В последние годы обнаружена способность ряда сульфатвосстанавливающих эубактерии к восстановлению в энергетическом процессе нитратов и нитритов доаммония , селената до селенита (SeO4-- переходит в SeO3--), фумарата до сукцината , а также СО2 . В последнем случае это приводит к синтезу ацетата .

Таким образом, основные способы существования сульфатредуцирующих эубактерии включают хемоорганотрофию(источники энергии - брожение или окисление органических субстратов в процессе сульфатного дыхания) илихемолитотрофию (источник энергии - анаэробное окисление Н2 с акцептированием электронов на SO4-- в сочетании сконструктивным метаболизмом гетеротрофного или автотрофного типа.

Процесс получения энергии в результате сульфатного дыхания состоит из трех этапов: отрыв электронов от энергетического субстрата; перенос их по дыхательной цепи ; присоединение к веществам, функционирующим в качестве конечных акцепторов электронов.

У сульфатвосстанавливающих эубактерий этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют различные субстратные дегидрогеназы (лактат-, пируват-, этанолдегидрогеназы) и гидрогеназы. Активные гидрогеназы, локализованные в цитоплазме и/или связанные с мембранами, обнаружены у многих представителей этой группы.

С помощью этих ферментов электроны передаются в дыхательную цепь. В качестве компонентов электронтранспортной цепи идентифицированы FeS-белки ( ферредоксины , рубредоксин ), флаводоксин , менахинон , цитохромы типа b, с. Особенностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих эубактерий является высокое содержание низкопотенциального цитрохрома с3 (Е0'порядка -300 мВ), которому приписывают участие в акцептировании электронов с гидрогеназы. Все перечисленные выше соединения, вероятно, принимают участие в переносе электронов на SО4--, но точная их последовательность и локализация на мембране не установлены. Получены данные, указывающие на то, что окисление Н2 происходит на наружной стороне мембраны, а реакция восстановления SO4-- - на внутренней. Из этого следует, что окисление Н2, сопряженное с восстановлением SO4--, связано с трансмембранным окислительно-восстановительным процессом. Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается генерированием дельта мю Н+. На это указывает чувствительность процесса к веществам, повышающим проницаемость мембраны для протонов и делающим, таким образом, невозможным образование протонного градиента, а также к ингибиторам мембрансвязанной протонной АТФ-синтазы.

Последний этап, заключающийся в акцептировании сульфатом электронов с помощью серии редуктаз, представляет собой собственно диссимиляционную сульфатредукцию.

Известно восстановление сульфата до сульфида , входящего в состав серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин, метионин), в конструктивном метаболизме большинства эубактерий. Оно имеет место всегда при выращивании бактерий на среде, где источником серы служат сульфаты. Активность процесса ограничена потребностями клетки в серосодержащих компонентах, а они невелики. Ассимиляция сульфата начинается с его активирования с помощью АТФ в реакции, катализируемой АТФ-зависимой сульфурилазой:

SO4-- + 2Н+ + АТФ приводит к АФС + ФФ,

где АФС - аденозинфосфосульфат , а ФФ - пирофосфат.

У многих бактерий аденозинфосфосульфат подвергается еще одному фосфорилированию с участием АТФ, в результате которого образуется фосфоаденозинфосфосульфат. Затем аденозинфосфосульфат (или его фосфорилированное производное) восстанавливается с образованием сульфита в реакции, катализируемой соответствующей редуктазой:

АФС + 2е- приводит к АМФ + SO3--

Последующее восстановление сульфита до сульфида осуществляется с помощью ассимиляционной сульфитредуктазы, катализирующей перенос 6 электронов на сульфит без образования каких-либо свободных промежуточных соединений:

SO3-- + 6е + 6Н+ приводит к S-- + ЗН2О

Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции от ассимиляционной сводятся к следующему: диссимиляционное восстановление сульфата присуще только узкому кругу высокоспециализированных эубактерий; активность процесса диссимиляционной сульфатредукции намного выше, чем ассимиляционной, следствием чего является накопление в среде больших количеств H2S; наконец, различны механизмы обоих процессов.

До стадии образования аденозинфосфосульфата и его последующего восстановления до сульфита оба процесса идут одинаково. Механизм восстановления SO3-- до H2S при диссимиляционной сульфатредукции до конца не выяснен. Обсуждаются два пути. Согласно первому из них восстановление сульфита до сульфида (как и при ассимиляционном восстановлении сульфата) катализируется одним ферментом. Более вероятен второй путь, по которому этот процесс протекает трехступенчато с участием сульфит-, тритионат- и тиосульфатредуктазы и сопровождается образованиемтритионата (S3O6--) и тиосульфата (S2O3--) в качестве свободных промежуточных продуктов:

3SO3-- + 2е приводит к S3O6-- (1)

S3O6-- + 2е приводит к S2O3-- + SO3--; (2)

S2O3-- + 2е приводит к S-- + SO3-- (3)

При этом в реакциях 2 и 3 регенерируется сульфит, служащий субстратом реакции 1.

Не исключено, что у разных представителей группы восстановление сульфита до сульфида происходит по одно- или трехступенчатому пути.

У сульфатвосстанавливающих эубактерий обнаружены 3 типа сульфитредуктаз, участвующих в диссимиляционных процессах. Все они содержат сходные простетические группы, имеющие гемоподобную структуру и названные сирогемом. Простетические группы в белковом комплексе находятся в разном окружении, что и приводит к различиям в спектральных свойствах сульфитредуктаз. Подобные простетические группы не найдены в ферментах какого-либо иного типа.

Как можно видеть из рассмотренного выше процесса, окисление Н2, сопряженное с восстановлением SO4-- до H2S, происходит с образованием и потреблением полезной энергии. (Последнее имеет место при активировании сульфата). Поэтому для общего положительного энергетического баланса необходимо, чтобы перенос электронов сопровождался функционированием не менее 2 генераторов дельта мю Н+ . При использовании в качестве энергетических субстратов органических соединений в присутствии сульфата часть АТФ может синтезироваться в реакциях субстратного фосфорилирования , внося определенный вклад в общий энергетический метаболизм этих бактерий.