Г.А. Заварзин - Лекции по природоведческой микробиологии (1125587), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Обыватель думает, что источник проблемы — толь- ко в промышленности и сжигании топлив. На самом деле, антропо- генная деятельность лишь усиливает дисбаланс в атмосфере на 5-10%, и этого оказывается достаточно, чтобы климатическая сис- тема вышла из равновесия. Основным источником парниковььт га- зов на Земле является деятельность микроорганизмов. 43, ПАРАДОКС КИСЛОРОДА Основным биогенным газом атмосферы стал кислород. Он изменил состояние поверхностных оболочек Земли, как гидросферы, так и литосферы. Парадокс кислорода — диоксигена, 02, — заключается в том, что термодинамически он должен был бы исключить существование неокисленных соединений, но этого не происходит по кинетическим причинам. Пожалуй, это наиболее наглядный пример ограниченности термодинамического подхода к природоведению.
Свободный диоксиген малореакционноспособен, и это обусловливает возможность его продукции оксигенными фототрофами и существования жизни в кислородной атмосфере. Если бы реакции Ог определялись термодинамикой, а не кинетикой, то в оксигеннрованной атмосфере органические вещества быстро бы окислились в 112 Таблица 4.1 Стандартные окнсцитепьно-восстановительные потенциалы дяя одно- н явуэпектроинык реакций диокснгенв в воде [по: Асбте охуяеп 1п Ыосьетгигу, 1995] Продукт Е, В (рн 7,25) Реакция Супероксид Пероксид -0,33 г0,89 +0,38 +2,31 +0,281 +1,349 О+ =О Ог +е +2Н =Нг02 Н202+е +Н =Н20+ОН ОН+в +Н =НгО 02+ 2е +2Н =Нг02 Н202+2е +2Н =2Н20 Гидроксил Вода Пероксид Вода СОг и Н20. Поэтому реакции 02 служат лучшим примером зависимости биосферы от каталитических функций организмов.
Оксигенирующие ферменты не только обусловливают скорость реакций, но и определяют их специфичность, связывая субстраты окисления в контролируемом положении и снижая до минимума спонтанное окисление промежуточными продуктами. Восстановление диоксигена требует одновременного переноса четырех электронов, что ограничивает возможность такой реакции: Ог+ 4Н" + 4е- = 4Н20, Е" =+0,815 В. 113 Ступенчатое восстановление 02 ведет к появлению его реакционноспособных форм (табл. 4.1).
Относительно низкий потенциал одноэлектронного восстановления диокисгена служит одним из факторов, ограничивающих его реакционноспособность, но вместе с тем диоксиген не может реагировать, пока не произошло его восстановление. Поэтому химическое восстановление диоксигена происходит лишь с сильными восстановителями, такими, как металлы, сероводород,или же при высокой энергии активации, например при повышении температуры, вызывающей цепную реакцию сгорания.
Промежуточные продукты восстановления кислорода в высокой степени реакционноспособны и поэтому токсичны. Ферменты, обеспечивающие использование окислительной способности диоксигена, либо стабилизируют метаболиты, содержащие супероксид, либо осуществляют двухэлектронный перенос. Для одноэлектронного восстановления требуется сильный восстанавливающий агент, такой, как восстановленные флавины и гидрохиноны. Активация О, флавиновыми монооксигеназами происходит без участия металла и включает промежуточное образование супероксида, быстро реагирующего с окисленным флавином с образованием гидропероксида как промежуточного продукта.
Нетоксичные реакции оксигенирования включают образование комплексов с металлами, обычно ге(11) и Сц(1). Соединения, образующиеся при восстановлении Оз, т.е. супероксид (0~), пероксид (О' ) или оксид (02-), могут быть стабилизированы координацией с металлом. Такие реакции позволяют преодолеть кинетические и термодинамические барьеры. Диоксиген появился на Земле в результате оксигенного фотосинтезаз, Абиогенная продукция Оз в результате фотолиза паров воды количественно невелика и происходит в области, где возможно быстрое расходование окислителя в фотохимических реакциях, например для образования окислов азота из крайне инертного динитрогена Хг При биогенном образовании Оз возникают те же трудности с возможностью появления токсичных промежуточных продуктов. Оксигенный фотосинтез должен провести реакцию выделения 02 так, чтобы не возникали промежуточные продукты, а из сферы реакции уходил бы сразу относительно инертный диоксиген Оэ Эта задача решается в фотосистеме 11 (ФСД) таким образом, что молекула воды оказывается в окружении четырех атомов Мп, взаимодействующих с фотохимическим окисл ителем хлорофиллом а с Е =+600-800 мВ, а восстановитель сбрасывается на резервуар пластохинона.
Фотосистема 11 представляет универсальный механизм для всех цианобактерий, водорослей и растений. Поэтому продукция Оз в глобальном масштабе определяется плотностью хлорофилла на единицу освещенной поверхности вне зависимости от того, в каких оксигенных организмах находится хлорофилл. Биологические механизмы оксигенного фотосинтетика должны обеспечить быстрое удаление Оз внутри клел1ки, что обеспечивается фотодыханием, и иэ клетки, иначе неизбежен окислительный стресс. Проще всего задача решается для одноклеточного планктонного организма в аноксической среде, куда Оз просто диффундирует.
Если в этой среде есть такие восстановители, как Реы или Н2Б, то угроза накопления О2 снимается. Однако при повышении плотности клеток возникают ограничения, достигающие своего предела в биопленках, где отток Оз замедлен, и он может образовывать пузырьки, создавая вокруг них условия насыщения 100% Оз.
В результате физическая форма сообщества, определяющая транспортные процессы в нем, оказывается критической. Высокая плотность требует создания эффективных механизмов детоксикации в клетке. Вторая сторона кислородного парадокса заключается в образовании токсических форм при дыхании и восстановлении Ои Доступность Оз для аэробных организмов определяется его транспортом.
Поэтому простейшим механизмом для снижения токсичностя з Линевич А.В., Аверина СГ. Оксигеввая фототрофвя. СПбс Изд-во СПбУ, 2002. 236 с. 114 02 служит усиление диффузионного барьера для газа с помощью малопроницаемых оболочек, как у аэробных азотфиксирующих организмов, например гетероцист цианобактерий, н переход клетки в микроаэробные условия или же за счет очень быстрого использования Оэ при дыхании, как у азотобактера. Толстые слизистые капсулы ограничивают диффузию Оз к клеткам в биопленках, но это действие приобретает значение при толщине слизистого слоя более О,1 мм вследствие исключения всех форм переноса, кроме молекулярной диффузии. Еще более эффективным способом снижения концентрации 02 служит использование его для дыхания в плотных колониях клеток: внутри таких образований создается аноксическая зона, так как скорость поглощения Оз превышает скорость его диффузии извне.
Особое место занимают аэротолерантные анаэробы, обладающие механизмами детоксикации, но не использующие 02 для дыхания. Дноксиген Оз может быть восстановлен в воду переносом четырех электронов под действием фермента цитохромоксидазы. Окисление может осуществляться также присоединением одного атома кислорода моноокснгеназами или двух атомов диоксигеназами.
Обычно осуществляются обратимые реакции диокситена с металлами, причем участвующие в них медь и железо окружены гидрофобным белком, защищающим комплекс металла с кислородом от дальнейших реакций, которые привели бы к необратимому окислению металла. Хотя начальные реакции сходны, последующие превращения крайне разнообразны — от переноса кислорода гемоглобином до реакции с окснгеназами или переноса четырех электронов с синтезом воды цитохромохсидазой.
Цитохромоксидаза катализирует перенос электронов от цито- хрома с на кислород с образованием воды. Она содержит два атома меди (Сп и Свв) и два гема (а и аз). Перенос электронов сопровождается образованием промежуточных продуктов восстановления кислорода. Промежуточные продукты связаны с ферментом и в свободном состоянии не обнаруживаются. В дыхательной цепи, однако, имеется ряд одноэлектронных переносчиков, которые неизбежно образуют токсические формы неполного восстановления кислорода. Поэтому аэробные организмы помимо способности использовать Оэ как конечный акцептор электрона должны обладать эффективной защитой от активных форм кислорода.
К таким ферментам относятся супероксиддисмугаза, каталаза, пероксидазы. Супероксиддисмутаза (СОД) переводит О в менее токсичный пероксид НэОь который в свою очередь разлагается каталазой на воду и Оь Супероксиддисмутаза присутствует практически во всех аэробных организмах и содержит либо Реэ', либо Мпз"-. Синтез ката- лазы происходит в ответ на окислительный стресс. Неэнзиматиче- 115 ским механизмом снижения токсичности служит обилие восстановленных соединений, например глутатиона, концентрация которого в клетке может достигать 10 мМ. Ряд субстратов, таких, как, например, углеводороды, не могут быть использованы без предварительного окснгенирования. Активирующие дноксигенирующие ферменты, как Р-450, метанмонооксигеназа, тнрозиназа, имеют сходные центры для связывания Оь но рядом с ними расположены центры связывания окисляемого субстрата.
Монооксигеназы включают один из атомов Оз в окисляемый субстрат, а второй атом окисляют в воду. За исключением флавиновых ферментов, образующих пероксидную активную форму для окисления, большинство оксигеназ содержит металл. Р-450 осуществляет окисление углеводородов за счет супероксидного промежуточного состояния. Другую возможность для оксигенирования представляет активация субстрата до такого состояния, в котором он может реагировать с О, как, например, для катехинов и липооксигеназы. Растворимость Оз в воде невелика и составляет в равновесии с современной атмосферой 250 мкмоль/л при 25'С.
Низкая растворимость кислорода обусловливает зависимость аэробных организмов не столько от его резервуара в среде, сколько от масс-переноса. Даже при небольшой концентрации окисляемых веществ Оз быстро используется аэробами, которые служат главными агентами создания анаэробных условий. Практически доступность Оз для аэробов определется по "биохимическому потреблению кислорода" (БПК), когда определяется убыль растворенного О в замкнутом сосуде, обычно за 5 суток (БПК ). Возможность развития аэробов определяется в первую очередь обменом с атмосферой.
Микроорганизмы Г различаются по способности использовать Оз. Некоторые организмы развиваются только при пониженном содержании Оз; они получили название микроаэрофилов или микроаэробов. Для многоклеточных организмов скорость диффузии Оз недостаточна, и потребовался механизм связывания и транспорта кисло- рода в тканях. Такими переносчиками служат гемоглобин и сходные с ним соединения. У растений для транспорта О в корни имеется проводящая система аэренхимьц развитая у водных растений. 4.3.1. Роль микроорганизмов в формировании кислородной атмосферы Формирование состава современной атмосферы Земли, в первую очередь характеризующейся высоким содержанием Оь обусловлено деятельностью одной-единственной группы микроорганизмов — оксигенных цианобактерий, обладающих уникальной системой расщепления воды для получения восстановителя с выделением Оз как отбрасываемого продукта реакции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
