Экстремальные галофилы: энергетические процессы
Экстремальные галофилы имеют сложные пищевые потребности. Для роста большинства видов в состав сред должны входить дрожжевой экстракт, пептон, гидролизат казеина, набор витаминов. Высокой требовательностью к среде отличаются представители родов Halobacterium и Halococcus . Основным источником энергии и углерода служат аминокислоты и углеводы. Метаболизм глюкозы осуществляется по модифицированному пути Энтнера-Дудорова , отличающемуся тем, что глюкоза без фосфорилирования окисляется в глюконовую кислоту . Последняя превращается в 2-кето-З-дезоксиглюконовую кислоту , которая расщепляется на два С3-фрагмента: пировиноградную кислоту и глицериновый альдегид . Из глицеринового альдегида в результате нескольких ферментативных преобразований также образуется пировиноградная кислота ( рис. 105 ). Дальнейшее ее окисление происходит в замкнутом ЦТК .
Основной способ получения энергии экстремальными галофилами - аэробное дыхание . В ЦПМ обнаружены цитохромы b, с, а также цитохромоксидаза о-типа. Электроны в дыхательную цепь поступают с НАД- зависимых дегидрогеназ. В анаэробных условиях в темноте источником энергии может служить анаэробное дыхание с использованием NO3- в качестве конечного акцептора электронов, а также процесс сбраживания аргинина и цитрулина. Свет служит дополнительным источником энергии, аппарат для использования которого подключается при недостатке О2.
В клетках Halobacterium salinarium и некоторых других галобактерий обнаружены 3 фотоактивных пигмента, все они ретинальсодержащие белки. Один из них, названный сенсорным родопсином (S-родопсин), обеспечивает фототактическую реакцию бактерий. Красный и желто-синий свет действуют на них как аттрактанты, синий и УФ - как репелленты. S-родопсин существует в двух спектрально различных формах, каждая из которых претерпевает фотохимические превращения. Поглощение фотона красного света приводит к генерированию сигнала, по которому бактерии начинают перемещаться в направлении к источнику света. При поглощении фотона синего света наблюдается противоположная реакция. Максимальный эффект в обоих случаях достигается при длине волны 565 и 370 нм соответственно.
Фотосенсорная реакция обеспечивает оптимальную для клеток галобактерий пространственную ориентацию. Клетки покидают области, в которые проникает губительное коротковолновое излучение и с помощью жгутиков или газовых вакуолей концентрируются в зонах с благоприятным для них световым режимом. Этим достигаются и оптимальные условия для фотофосфорилирования , так как область спектра, вызывающая положительную тактическую реакцию, и спектр поглощения фотосинтетического пигмента совпадают.
Использование световой энергии для создания трансмембранного градиента протонов происходит с участием бактериородопсина и не связано с переносом электронов по цепи переносчиков. Этот хромопротеин с молекулярной массой 26 кДа содержит полипептидную цепь, построенную из 248 аминокислотных остатков и на 75% состоящую из альфа-спиральных участков. Последние образуют 7 тяжей, ориентированных перпендикулярно плоскости мембраны ( рис. 104 , Б). Ретиналь расположен параллельно плоскости мембраны и, следовательно, перпендикулярно белковым тяжам. Связь между ретиналем и полипептидной цепью осуществляется через Шиффово основание, образованное в результате взаимодействия альдегидной группы ретиналя с эпсилон-аминогруппой 216-го лизинового остатка ( рис. 130 ).
Шиффово основание в темноте находится в протонированной форме. Поглощение кванта света бактериородопсином вызывает изменение конформации ретиналя и приводит к отщеплению Н+ от Шиффова основания ( рис. 131 ).
Бактериородопсин , в молекуле которого Шиффово основание находится в протонированной форме, поглощает свет с длиной волны 570 нм, а в депротонированной - при 412 нм. Протон, отделившийся на свету от Шиффова основания, переходит во внеклеточное пространство, а Н+, протонирующий основание, поглощается из цитоплазмы. Таким образом, под действием света бактериородопсин "перебрасывает" протоны с одной стороны мембраны на другую. В результате работы циклического механизма, получившего название бактериородопсиновой протонной помпы, при освещении по разные стороны мембраны возникает градиент концентрации Н+, достигающий 200 мВ, в создании которого участвуют электрический и химический компоненты. Разрядка дельта мю Н+ с помощью Н+АТФ-синтазы приводит к синтезу АТФ ( рис. 106 ). Бактериородопсин - простейший из известных генераторов дельта мю Н+.
Несмотря на кажущуюся простоту, очевидно, что бактериородопсиновая протонная помпа представляет собой сложную систему. Прежде всего путь, который должен пройти Н+, чтобы пересечь мембрану, составляет не менее 5 нм, т. е. значительно превышает расстояние, на которое он может быть перенесен при любом конформационном изменении ретиналя . Это означает, что поглощение кванта света должно приводить к возникновению напряженной конформации всего бактериородопсинового комплекса, служащей в дальнейшем источником энергии для переноса Н+ против электрохимического градиента. В организации такого переноса принимают участие ориентированные поперек мембраны альфа-спиральные тяжи и мембранные липиды, формирующие протонные каналы, природа и механизм действия которых пока не известны.
Экстремально галофильные архебактерии содержат еще один ретинальбелковый комплекс - галородопсин, закачивающий на свету в клетки ионы хлора. Создающийся трансмембранный градиент Cl- используется для синтеза АТФ. Одновременно этим обеспечивается также поддержание в цитоплазме высокой концентрации анионов, необходимой для уравновешивания высокой ионной силы внешней среды.
Могут ли экстремальные галофилы расти за счет энергии света или он служит только дополнительным источником энергии? В лаборатории был показан рост этих бактерий в анаэробных условиях, исключающих возможность осуществления брожения или анаэробного дыхания, при освещении клеток, если они содержат значительные количества бактериородопсина или если в среду внесен ретиналь, для синтеза которого необходим молекулярный кислород. Таким образом, в условиях эксперимента для экстремальных галофилов установлена способность получать всю необходимую для роста энергию за счет процесса фотосинтеза . Место галофильных архебактерий в экосистеме прокариот связано с их участием в циклах углерода и азота в нишах с высоким содержанием соли и нейтральной (представители родов Halobacterium , Halococcus и др.) или щелочной (роды Natronobacterium , Natronococcus ) реакцией среды.
Вопрос о происхождении бесхлорофилльного фотосинтеза, обнаруженного у экстремально галофильных архебактерий, не ясен. Большинство исследователей считают, что этот тип фотосинтеза - сформированное в "кислородную эпоху" приспособление к существованию в условиях недостатка О2. В то же время нельзя полностью исключить возможность сохранения древней формы фотосинтеза, основанного на светозависимых превращениях каротиноидных пигментов.
