Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

О том, как электроны встречаются с кислородом, как при этом образуется ATR и о некоторых родственных явлениях
Использование энергии неорганических реакций
Анаэробное дыхание

а. Нитрат в роли акцептора электронов

Использование нитрата в качестве окислителя, заменяющего О₂, широко распространено среди бактерий. Например, Е. coli способна существовать в анаэробных условиях, используя нитрат, который восстанавливается в нитрит в результате следующего процесса:

Нитратредуктаза таких бактерий, как Е. coli, прочно связана с мембраной. Солюбилизированный фермент из Е. coli имеет мол. вес 720 000 и содержит четыре тяжелые и четыре легкие полипептидные цепи, а также четыре атома молибдена [125, 126]. Полагают, что именно этот металл непосредственно взаимодействует с нитратом. Электроны из цепи переноса проходят через цитохром b₅₅₅ и попадают на атом молибдена [126]. С нитратредуктазой, по-видимому, тесно связана формиатдегидрогеназа (гл. 9, разд. В,3), и донором электронов в процессе восстановления является преимущественно формиат.

¹⁾ Данные по свободной энергии взяты из справочника «CRC Handbook of Chemistry and Physics», 48th ed., 1967—1968. Оценка ∆G⁰_f для Fe(OH)₃сделана для продукта растворения Fe(OH)₃, что дало —687,7 кДж∙моль^-1.

Нитрат восстанавливается также грибами и высшими растениями перед включением в состав аминокислот и других клеточных компонентов. Первой стадией процесса является восстановление в нитрит. Наиболее изучена ассимилирующая нитратредуктаза из Neurospora crassa. Фермент представляет coбой крупный комплекс (мол. вес ~ 228 000), содержащий не только молибден, но и цитохром b₅₅₇- была предложена следующая схема переноса электронов [127]:

Существует несколько типов денитрифицирующих бактерий, которые восстанавливают ионы нитрата или нитрита в N₂. Бактерии Micrococcus denitrificans для восстановления нитрата используют Н₂:

Thiobacillus denitrificans, как и другие серные бактерии, могут окислять серу (равно как и H₂S или тиосульфат). Роль окислителя при этом выполняет нитрат:

Энзимология денитрифицирующих бактерий изучена еще недостаточно полно, однако можно думать, что восстановление нитрата происходит ступенчато [уравнение (10-36)] [12, 124]. Все эти бактерии могут восстанавливать нитрит и нитрат, а некоторые и N₂O. Другие же при определенных условиях образуют N₂O. Уравнение (10-36) может также служить иллюстрацией ассимилирующего восстановления нитрата или нитрита в NH₃, которое является почти универсальным процессом для бактерий, грибов и зеленых растений. Восстановление нитрата может протекать как двухэлектронный процесс [уравнение (10-36), стадии а—в] через гипотетический нитроксил (NOH) и гидроксиламин (NH₂OH) с превращением в аммиак. Образование N₂ может происходить путем димеризации NOH [уравнение (10-36), стадия г], после чего протекает еще один процесс двухэлектронного восстановления [уравнение (10-36), стадия д]. Дегидратация промежуточного димера могла бы привести к образованию N₂O [уравнение (10-36), стадия е].

При рассмотрении процессов переноса электронов, связанных с восстановлением нитрата в нитрит, исходя из высокого значения Е'⁰ = 4∙0,42 В [уравнение (10-32)], мы можем заключить, что фосфорилирования на участке III не происходит и выход АТР в расчете на одну молекулу меньше, чем в случае, когда окислителем служит О₂. Подобные же рассуждения применимы и к другим стадиям восстановления, представленным в уравнении (10-36). Нитрит-, гипонитрит- и гидроксиламинредуктазы могут «впрягаться» в цепь переноса электронов на уровне цитохромов b или с. Нитритредуктазы из Neurospora и из шпината содержат сирогем (рис. 14-16), ранее обнаруженный в сульфитредуктазах [127а]. В грибах при восстановлении нитрита электроны от NADH поступают через FAD и сирогем, тогда как зеленые растения используют в качестве восстановителя восстановленный ферредоксин.

б. Бактерии, восстанавливающие сульфат

Небольшое число облигатных анаэробов получает энергию, используя в качестве окислителя сульфат-ион. Например, Desulfovibrio desulfuricans катализирует быстрое восстановление сульфата с помощью Н₂:

Хотя этот биологический процесс может показаться в какой-то мере экзотическим, в количественном отношении он имеет немалое значение. Например, в бассейне Большого Соленого озера бактерии выделяют в год 10⁴ т (10⁷ кг) серы в виде H₂S [128].

Видимо, из-за очень низкого потенциала восстановления сульфата (Е⁰' pH 7 = —0,454 В) неизвестны организмы, которые могли бы восстанавливать его непосредственно в сульфит. Сначала в реакцию вступает молекула АТР, которая под действием АТР-сульфурилазы [уравнение (11-4)] превращается в аденилилсульфат (стр. 429, разд. Е,1,в). Затем аденилилсульфат восстанавливается цитохромом с₃, как это показано в уравнении (10-38). Цитохром с₃ является переносчиком с низким потенциалом (E⁰', pH 7 = 0,21 В), он имеет мол. вес ~13 000 и содержит четыре группы гема; в бактериях, восстанавливающих сульфат, этот белок присутствует в высоких концентрациях [12, 129]. Восстановление этим цитохромом аденилилсульфата [уравнение (10-38), стадия б] осуществляется с помощью аденилил-сульфатредуктазы — FAD-содержащего железо-серного белка. Высказывалось предположение [130]і, что эта реакция проходит через образование аддукта сульфита с FAD [уравнение (10-39)]. Начальной стадией этого гипотетического механизма является вытеснение серы под действием сильного нуклеофила, образованного в результате восстановления флавина.

Бисульфит, образовавшийся согласно уравнению (10-38), восстанавливается далее сульфитредуктазой, которая, как полагают, получает электроны от флаводоксина, цитохрома c₃ и гидрогеназы:

В действительности, вероятно, три редуктазы действуют на бисульфит, тритионат и тиосульфат в соответствии с циклической схемой [131], представленной в уравнении (10-41). Предполагают, что какую-то роль может здесь играть менахинон (витамин К₂ [132], присутствующий в Desulfovibrio в больших количествах.

В меньших количествах сульфат восстанавливается многими организмами, включая бактерии, грибы и зеленые растения — тем самым обеспечивается включение серы в органические компоненты клеток. Этот ассимилирующий процесс (гл. 14, разд. Ж) во многом аналогичен процессу, используемому в бактериях, восстанавливающих сульфат.

в. Метановые бактерии

Бактерии, продуцирующие метан (гл. 8, разд. М,7), также причисляются к хемоавтотрофным организмам. Они могут усваивать такие вещества, как метанол и уксусная кислота, и наряду с этим восстанавливают СО₂ в метан и воду, используя Н₂:

Перенос электронов происходит начиная от гидрогеназы через ферредоксин к формиатдегидрогеназе и дегидрогеназам, зависимым от тетрагидрофолиевой кислоты и осуществляющим ступенчатое восстановление формиата в метальные группы (рис. 8-21). Однако механизм выработки АТР, сопряженной с этим процессом, остается неясным [133].