Связанные с мембраной пути переноса электронов в анаэробных условиях
В клетках первичных анаэробов обнаружены короткие пути переноса электронов, осуществляемого с помощью мембрансвязанных переносчиков. В некоторых случаях такой перенос сопровождается перемещением протонов через мембрану и приводит к образованию дельта мю Н+ и синтезу АТФ . Одним из наиболее изученных путей такого типа является фумаратредуктазная система, приводящая к восстановлению фумарата до сукцината .
Восстановление фумарата до сукцината может быть использовано для анаболических целей (необходимость сукцината для синтеза тетрапирролов) или же в катаболических процессах. В последнем случае все компоненты реакции могут быть растворимыми, и тогда процесс служит только для акцептирования электронов ( рис. 91 , А), или же находиться в связанном с мембраной состоянии ( рис. 91 , Б-Г). По имеющимся данным, это не всегда приводит к синтезу АТФ. Образование протонного градиента на мембране при переносе электронов на фумарат зависит от состава и расположения электронных переносчиков.
Донорами электронов для восстановления фумарата могут служить НАД*Н2 , лактат , формиат или молекулярный водород, от которых электроны с помощью субстратспецифических дегидрогеназ переносятся на связанные с мембраной переносчики ( рис. 91 , Б). Среди переносчиков идентифицированы FeS-белки , менахинон и цитохромы типа b , однако перенос такого типа не связан с получением клеткой энергии.
Для образования протонного градиента в некоторых случаях достаточно, чтобы донор электронов и их конечный акцептор были расположены на разных сторонах мембраны. Поступление электронов на переносчик, локализованный на внешней стороне мембраны, приводит к выделению протонов в среду, а восстановление фумарата на другой стороне мембраны сопровождается их поглощением из цитоплазмы, при этом переноса протонов через мембрану не происходит. Разрядка образующегося протонного градиента с помощью АТФ-синтазы будет приводить к синтезу АТФ ( рис. 91 , В). Если донор и акцептор электронов локализованы на одной стороне мембраны, тогда создание протонного градиента обеспечивается сочетанием переноса электронов и водорода по цепи, содержащей несколько переносчиков ( рис. 91 , Г). Перенос водорода через мембрану осуществляется с помощью хинонов . Дальнейшее усовершенствование электронного транспорта связано с включением в мембрану цитохромов .
Возможность синтеза АТФ при переносе электронов от НАД*Н2, формиата, лактата, Н2 на фумарат подтверждается соответствующими значениями окислительно-восстановительных потенциалов доноров и конечного акцептора электронов ( табл. 11 ).
Функционирующее в системе клеточного катаболизма восстановление фумарата до сукцината обнаружено у ряда эубактерий, получающих энергию в процессе брожения . Одним из этапов на пути образования пропионовой кислоты при пропионовокислом брожении является восстановление фумарата до сукцината , катализируемое фумаратредуктазой ( рис. 54 ). Фумаратредуктаза найдена также у некоторых клостридиев и молочнокислых стрептококков .
Хорошо известен связанный с мембраной фермент сукцинатдегидрогеназа , катализирующий в ЦТК окисление сукцината до фумарата. Водород, акцептируемый в этой реакции флавинадениндинуклеотидом (ФАД) , непосредственно поступает в дыхательную цепь ( рис. 92 ). Поскольку фумаратредуктаза и сукцинатдегидрогеназа катализируют одну и ту же реакцию, но в разных направлениях, первоначально считали, что это один фермент. Сейчас показано, что реакции осуществляются разными ферментными белками. Информация о них содержится в разных генах. Синтез сукцинатдегидрогеназы индуцируется в аэробных, а фумаратредуктазы - в анаэробных условиях.
Ацетогенные клостридии оказались способными синтезировать ацетат из СО2 и Н2:
2СО2 + 4Н2 переходит в СН3-СООН + 2Н2О
Они могут расти хемолитоавтотрофно на среде, содержащей Н2 в качестве единственного источника энергии. Следовательно, у этих организмов восстановление СО2 до ацетата, сопряженное в анаэробных условиях с окислением Н2, должно быть связано с получением полезной энергии. Обнаружено, что в переносе электронов от Н2 на СО2, ведущем к синтезу ацетата, участвуют флаводоксин , менахиноны и цитохромы типа b , т.е. переносчики того же типа, что и при функционировании фумаратредуктазной системы.
Таким образом, у ряда первичных анаэробов, получающих энергию в процессах брожения, сформировались короткие, связанные с мембраной электронтранспортные цепи, функционирование которых ведет к образованию протонного градиента, используемого для синтеза АТФ . Из-за отсутствия подходящего конечного акцептора электронов в анаэробных условиях выход энергии в такого типа процессах низкий. Однако принципиальные основы для создания энергетики нового типа сформированы.
Для перехода к использованию энергии света необходимо было создание фоторецепторных молекул и "подключение" части из них к имеющимся электронтранспортным цепям. Такие фоторецепторы - Mg-порфирины - были сформированы. Фотосинтез начался, видимо, с создания системы фотоиндуцированного циклического электронного транспорта и служил сначала в качестве источника энергии, дополнительного к основному, которым являлись процессы брожения. Восстановитель первичные фотосинтезирующие организмы могли получать теми же путями, что и бродильщики, или же тратя для этого часть синтезированного АТФ в процессе обратного переноса электронов. Позднее для этой цели была сформирована способность прямого фотовосстановления НАД+ , приведшая к созданию светозависимого нециклического электронного транспорта. Дальнейшее усовершенствование фотосинтетического аппарата привело к использованию воды в качестве донора электронов, побочным продуктом чего явилось образование молекулярного кислорода.
В результате фотосинтетического выделения О2 появилось химическое соединение, служащее активным окислителем. В ответ на появление О2 большинством прокариот были выработаны различные механизмы защиты. У некоторых линий приспособление к О2 на этом закончилось, в результате возникли анаэробные формы с разной степенью аэротолерантности.
Следующий важный шаг в формировании механизма использования молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора электронов - использование этого процесса, таящего в себе большие энергетические возможности, для получения клеткой энергии. Действительно, количество энергии, освобождающейся при переносе пары электронов, зависит как от природы донора, так и от природы акцептора электронов. Например, окислительно-восстановительный потенциал НАД*Н2 равен -320 мВ, а молекулярного кислорода - +810 мВ. Для образования 1 молекулы АТФ необходим перенос пары электронов по электрохимическому градиенту, соответствующему разнице потенциалов приблизительно 200 мВ.
Для использования О2 в качестве конечного акцептора электронов в процессах, связанных с получением метаболической энергии, представлялось наименее сложным превратить фотосинтетический электронный транспорт в дыхательный. С этой целью надо было добавить дегидрогеназы на низкопотенциальный конец цепи и цитохромоксидазы - на другой, взаимодействующий непосредственно с О2. Все необходимые типы переносчиков и обратимые протонные АТФазы уже были к этому времени сформированы.
Основная задача сводилась к созданию ферментной системы для четырехэлектронного восстановления О2 ( цитохромоксидазы ), при котором не освобождалось бы его токсических промежуточных продуктов.
Фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов от субстратов в темновых окислительных реакциях, получило название окислительного фосфорилирования . Развитие механизма окислительного фосфорилирования позволило добиться наиболее полного извлечения свободной энергии из окисляемых субстратов.
Таким образом, появление молекулярного кислорода положило начало эволюции новых типов жизни в мире прокариот, в основе которых лежит получение энергии за счет процессов окислительного фосфорилирования.
