Типы биологического окисления

В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют три типа образования энергии у бактерий: аэробное дыхание, анаэробное дыхание и ферментацию (брожение) (рис. 57, 58).

Рис. 57. Типы биологического окисления

 

1. Аэробный (от греч. аer — воздух и bios — жизнь) тип — окислительное фосфорилирование — совокупность экзотермических процессов ферментативного распада органических веществ (реже — неорганических), происходящих с участием свободного кислорода.

Процесс дыхания у аэробов протекает по типу окислительной реакции путем отщепления от субстратов водорода (или электронов). Чаще наблюдается гликолиз — процесс ферментативного расщепления углеводов. Пировиноградная кислота, образовавшаяся в резуль­тате гликолиза, окисляется в цикле трикарбоновых кислот, который снабжает аэробов предшественниками для реакций биосинтеза.

Водородные атомы пере­даются вдоль цепи молекул-переносчиков, которые образуют цепь переноса электронов, или «дыхатель­ную» цепь. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридиновых дегидрогеназ,связанных с мембранами. Далее поток электронов направляется от системы с более низким (более отрицательным) потенциалом к системе с более высоким (более положительным) потенциалом: флавопротеидные ферменты — цитохромные ферменты — цитохромоксидаза. На последней ступени этой реакции, ката­лизируемой цитохромоксидазой, ионы водорода связы­ваются с молекулярным кислородом — конечным ак­цептором электронов. При этом образуется перекисный радикал — очень сильный окислитель. Фермент супероксиддисмуатаза переводит перекисный радикал в перекись водорода, которая ферментами каталазой или пероксидазой преобразуется в безвердные продукты — воду и кислород. Таким образом, специфические ферменты защищают микробную клетку от токсических продуктов окисления.

Аэробное дыхание энергетически более эффективно. Перенос электронов вдоль дыхательной цепи сопряжен с образованием бо­гатых энергией фосфатных связей в молекулах АТФ. Образуется также много промежуточных и конечных продуктов метаболизма, которые используются для синтеза белков, углеводов, витаминов. Филогенетически аэробное дыхание возникло позже.

Облигатным (строгим) аэробам для дыхания необходим молекулярный (атмосферный) кислород. Они не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кис­лорода, используют только аэробный путь окисления (некоторые виды псевдомо­над, холерный вибрион, туберкулезная палочка).

Для аэробов, растущих на агаре или в тонких слоях жидкости в присутствии воздуха, кислорода вполне достаточно. В жидких средах при большом объеме жидкости аэ­робные бактерии могут расти только на поверхности, так как в более глубоких слоях по мере удаления от поверхности условия приближают­ся к анаэробным. Для нормального роста аэробных микроорганизмов в глубоких слоях жидкой культуры требуется аэрация.

Микроаэрофилы (факультативные аэробы) нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода (от 0,01 до 0,03 бар). При полном доступе кислорода (в воздухе парциальное давление О₂ составляет 0,2 бар) рост микроорганизмов прекращается или резко замедляется. Микроэрофилами является большинство аэробных бактерий.

Капнофилы нуждаются в наличии в среде двуокиси углерода (до 10 %), так как приспособ­лены к более высокому, чем в воздухе, содержанию СО₂. Для этого кпитательным средам добавляют бикарбонат натрия и инкубируют культуры в закрытых сосудах в атмосфере, содержащей СО₃^-2; можно также продувать обыч­ный или обогащенный СО₂ воздух. Капнофилами являются многие патогенные бактерии.

Рис. 58. Транспорт электронов при различных типах биологического окисления

ПН — пиридиннуклеотидных ферменты; ФП — флавопротеидные ферменты;

Цит. —цитохромные ферменты; Цит. окс. — цитохромоксидаза

2. Анаэробный (от греч. an — отрицание, аer — воз­дух и жизнь) тип —совокупность экзотермических процессов ферментативного распада органических веществ, происходящих без участия кислорода. Анаэробы получают энергию в форме АТФ путем ускоренного, но не полного окисления (субстратного фосфорилирования) углеводов, белков, липидов.

Различия между облигатными аэробами и анаэробами касаются ферментативного обеспечения конечных этапов окисления. У анаэробов дегидрогеназы не связаны с мембранами и находятся в ЦП только в растворимой форме. Для переноса водорода анаэробы используют флавиновые ферменты, самоокисляющиеся кислородом воздуха. Реакция флавиновых ферментов с кислородом направлена на детоксикацию молекулярного кислорода. Поэтому содержание флавиновых дегидрогеназ в клетках анаэробов значительно выше, чем у аэробов.

Из-за отсутствия ряда ферментов цепи переноса электронов (цитохромов) транспорт электронов осуществляется просто и примитивно. Органические субстраты окисляются только за счет отщепления водорода. Освобождающийся водород либо присоединяется к продуктам распада того же самого органического вещества, либо выделяется в газообразном состоянии. Если у анаэробов в качестве акцепторов водорода в оксилительно-восстановительных реакциях выступают неорганические вещества, происходит «анаэробное дыхание». Конечным акцептором водорода у анаэробов является связанный кислород в виде нитратов («нитратное дыхание») или сульфатов («сульфатное дыхание»).

Анаэробный путь филогенетически более ранний, чем аэробный, но он экономически невыгоден, так как выделяется небольшое количество энергии и образуется мало метаболитов. Так как энергии выделяется мало, микроорганизмам надо использовать большое количество субстратов (сахаров, аминокислот, пуринов и пиримидинов). Многие анаэробы являются строго протеолитическими организмами, неспособными сбраживать углеводы. Протеолитическая активность у некоторых анаэробов (C. histolyticum) настолько высока, при инфекциях, вызванных этими микроорганизмами, наблюдается расплавление мышц. Другие анаэробы обладают слабовыраженной сахаролитической активностью.

3. Если и донорами и акцепторами водорода выступают органические соединения, происходит брожение — процесс ферментативного расщепления органических соединений, преимущественно углеводов, с образованием спиртов (этилового, пропилового, глицерина) и органических кислот (молоч­ной, муравьиной, уксусной, масляной). Ти­пы брожения именуются по продуктам, кото­рые образуются: молочнокислое, уксуснокислое, спир­товое, муравьинокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое, пропионовокислое, сукцинатное, смешанное (рис. 59).

Рис. 59. Различные продукты ферментации пирувата

Образующиеся в процессе брожения про­дукты и энергия расходуются микроорганизмами для различ­ных биосинтетических целей. Многие виды брожения используются в пищевой и микробиологической про­мышленности для получения спиртов и органических кислот.

Анаэробы осу­ществляют обмен веществ и размножаются в условиях отсутствия кислорода в среде обитания. Различают облигатных, аэротолерантных и факультативных анаэробов.

Облигатные (строгие) анаэробы (палочка маслянокислого брожения, возбудители столбняка, ботулизма) используют только анаэробный путьбиологического окисления и размножаются только в анаэробных условиях. Они лишены ферментов супероксиддисмутазы и каталазы,защищающих микробную клетку от токсических продуктов окисления. Поэтому вегетативные формы облигатных анаэробов погибают от ядовитых концентраций перекиси водорода даже при кратковременном контакте с воздухом. Спорам облигатных анаэробов свойствен крайне выраженный анабиоз, поэтому они могут сохраняться в присутствии кислорода.

Аэротолерантные микроорганизмы (молочнокислые бактерии, C. histolyticum) обладают супероксиддисмутазной активностью, но лишены каталазы и пероксидазы;они могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не способны его использовать; энергию получают исключительно с помощью брожения.

Факультативные анаэробы (большинство патогенных бактерий, например, Enterobacteriaceae (кишечная палочка, сальмонеллы), мно­гие дрожжи) обладают супероксиддисмутазной и каталазной активностью. Факультативные анаэробы образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Они могут изменять свой путь биологического окисления в зависимости от наличия или отсутствия кислорода. В кислородных условиях в качестве конечного акцеп­тора водорода они используют атмосферный кислород. В бескислородных условиях в качестве конечного акцеп­тора водорода они используют нитраты или сульфаты.

Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха представлена в табл. 22 и на рис. 60.

Таблица 22