Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
С02 + 4Н2 СН4 + 2Н20; СН3ОН + Н2 -* СН4 + Н20; 4СН3ОН — ЗСН4 + С02 + 2Н20; СНдСООН -» СН4 + С02.
(21а)
(216)
(21в)
(21г)
146 3. Первичные Д,иII-генераторы
Н«,2,-
Г"
2Н*
2 О \
со2 \
CDR-COOH
^ I
FAF—СНО
faf-ch2oh
I
FAF-СНз
2е~ / \
?Н3—S-CoM СН3-В12
N ;
СН4
Органические вещества клетки
2е~ Ле ' -2е’-
Рис. 53. Схема образования метана из Н2 и С02 метанобак-териями
F420 — деазафлавин, CDR — фактор, восстанавливающий С02; FAF — фактор, активирующий формальдегид; СоМ — кофермент М, В12 — витамин Ви. (по: Даниэльс и соавт. [422])
Рис. 54. Возможный механизм образования метана из метанола в клетках Methano-sarcina barkeri (по: Блаут и Готтшалк [267])
3.4. Дыхательная цепь
147
Противоположная точка зрения состоит в том, что перенос электронов при метаногенезе сопряжен с синтезом АТР по принципу субстратного фосфорилирования [411].
3.4.7.4. Окисление субстратов
с положительным редокс-потенциалом
Бактерия Thiobacillus ferrooxidans служит примером знергетики такого типа. В качестве единственного знергетического ресурса зта бактерия может использовать ион закисного железа (Fe2+), который она окисляет до окисного железа (Fe3+) кислородом воздуха. Редокс-потенциал пары Fe2+/Fe3+ равен 0,77 В. Редокс-потенциал пары Н20/02 при нейтральном pH оказывается около 0,82 В. Таким образом, разность потенциалов между окислителем и восстановителем составляет мизерную величину порядка 0,05 В, что далеко недостаточно для генерации AjIH порядка четверти вольта, необходимой, чтобы синтезировать АТР.
Решение вопроса было найдено, когда приняли во внимание зависимость редокс-потенциала пары Н20/02 от pH. Поскольку ионы водорода участвуют в образовании воды из 02(02 + 4е_ + + 4Н+ 2НаО), зтот редокс-потенциал становится более положительным по мере закисления среды, которое сдвигает вправо равновесие реакции восстановления кислорода.
Количественно зтот сдвиг равен 0,06 В на единицу pH. Таким образом, например, при рНЗ редокс-потенциал пары Н20/02 будет: 0,82 В + 0,06 В X 4 = 1,06 В. Он на 0,29 В положительнее, чем редокс-потенциал пары Fe2+/Fe3+, который от pH не зависит, поскольку в окислении закисного железа ионы Н+ не участвуют. Такая разность потенциалов достаточна для создания ДрН, необходимой для синтеза АТР. Вот почему железобактерии живут только при кислых pH (оптимум для Th. ferrooxidans лежит между pH 3 и 1).
Существуют указания на то, что система окисления Fe2+ включает два цитохрома Ь, несколько цитохромов типа с, два иона меди, а также двугемовый цитохром аг в качестве конечной окси-дазы. Редокс-потенциалы гемов в цитохроме аг равны 0,61 В и 0,725 В при pH 3,2, когда наблюдается максимальная скорость окисления ионов Fe2+ суббактериальными частицами. В редокс-цепи, окисляющей Fe2+, по-видимому, принимает участие только один из двух гемов а [756, 1198].
Синтез АТР — лишь одна из проблем, которые приходится решать Th. ferrooxidans. Другая проблема — как использовать донор электронов с положительным редокс-потенциалом для обеспечения биосинтезов восстановительными эквивалентами. Th. ferrooxidans может образовывать все компоненты своей клетки из СОа, Н20, NH3 и минеральных солей. Чтобы достичь этого, необходим какой-то механизм восстановления NAD(P)+ и флавинов
148
3. Первичные АцН-генераторы
посредством Fe2+. Такое восстановление требует затраты энергии, поскольку редокс-потенциалы NAD(P) и флавинов гораздо отрицательнее, чем у пары Fe2+/Fe3+.
Чтобы преодолеть это затруднение, бактерия использует обратный перенос электронов в средних и начальных сегментах дыхательной цепи. Названный процесс питается энергией AjIH, образуемой в конечном сегменте цепи.
Схема энергообеспечения железобактерий предполагает, что электроны, отнятые от Fe2+, поступают в цитохромоксидазную систему, переносящую электроны на кислород сопряженно с генерацией AjIH. Образуемый протонный потенциал затем используется не только для синтеза АТР, но и для обеспечения всех прочих видов работы, присущих бактериальной мембране. Кроме того, AjIH утилизируется, чтобы развернуть вспять CoQH2-o,hto-хром с-редуктазную и NADH—CoQ-редуктазную реакции, которые из AjIH-генераторов становятся потребителями Ajffl:
Опыты, проведенные с двумя видами железобактерий Алимом и соавт. [157, 158] и в нашей группе Г. В. Тихоновой [126, 139, 141], показали, что действительно Fe2+ может восстанавливать NAD+ посредством обратного переноса электронов, поддерживаемого энергией, продуцируемой в конечном сегменте дыхательной цепи. В соответствии с этой схемой было также найдено, что Th. ferrooxidans содержит огромные количества цитохромов с и ци-тохромоксидазы, в то время как компоненты среднего и начального сегментов цепи представлены в гораздо меньших количествах. Такая гипертрофия цитохромоксидазной системы объясняет исключительно высокую скорость потребления кислорода на 1 мг белка, которая оказалась в 7 раз выше, чем у митохондрий сердца быка [126]. Этот факт становится вполне понятным, если учесть что железобактерии располагают только одним AjIH-генератором, поставляющим необходимую энергию для всех функций клетки.
