Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Сполуки сірки можуть виконувати у метаболізмі пурпурових бакте­ рій дві функції: 1 - виступати як донори електронів (в окислювальних реакціях) при асиміляції СОг (хемолітоавтотрофія); 2 - бути використа­ ними у біосинтетичних процесах шляхом відновлення;

1. Хемолітоавтотрофія - використання сполук сірки при асиміля­ ції С О * Пурпурові сіркобактерії родини СЬготаІЇасеае окиснюють НзЗ до сірки і> , яка накопичується в мікробних клітинах, а потім окиснюють б0 до сульфату 3 0 42'. У представників родин /?/ххіоврігіїіасеае і ЕсМНюіЬобозрігасеае не відкладається в клітині, а виділяється на­ зовні і потім окислюється ними до $ 0 Д Енергія окислення використову­ ється для асиміляції С02. Акцепторами електронів виступають цитохроми с. Процес окислення Н25 описується рівняннями:

СОг + 2 Нг5-> (СНгО) + Н20 + 2 ^ ;

З СОг+ 2 & + 5 Н20 — 3(СН20)+ 2Н2304.

Подібним шляхом відбувається окислення тіосульфатів 320 / згід­ но з рівнянням:

С02 + 2 ^гЗ г0 3 +Н20 -» (СН20) + 2Sf,+2Na2 вО *

зс о 2+2в?+5 н2о - * 3(0430)+ г н ^ о *

Рівняння враховують кінцеві продукти окиснення, проте можливе утворення проміжних сполук - попісульфатів, тетратіонатів. Шляхи оки­ снення сполук сірки пурпуровими бактеріями можуть бути різними не тільки у окремих видів, а й залежно від умов культивування.

Окиснення сульфіту 5 0 3г' супроводжується субстратним фосфорилюванням, при якому утворюється аденозин-5-фосфосульфат (АФС), який далі взаємодіє з фосфатом (Фн), за реакціями:

503*" + АМФ -> АФС + 2е;

АФС + Фн -+АДФ + З О /'.

Можлива також взаємодія АФС із пірофосфатом (ФФН) за участю АТФ-сульфурилази з утворенням АТФ І сульфату. Реакція описується рівнянням:

А ТФ-сульфурипаза

АФС + ФФ/ХАТФ + в о /'.

2 . Використання супьфатредукціїу біосинтетичних процесах по­ чинається з активації ЄО* 2' при взаємодії з АТФ, внаслідок чого утворю­ ється аденозин-5-фосфосульфат (АФС) і пірофосфат (ФФН), який швидко розкладається. Наступними стадіями процесу є фосфорилювання АФС,

139

внаслідок чого утворюється фосфоаденілсульфат (ФАФС). Через ряд реакцій з ФАФС утворюється зв'язаний сульфід (Х-в-ЗН), взаємодія яко­ го з О-ацетилсерином веде до утворення амінокислоти цистеїну. Шлях сульфатредукції можна відобразити такою схемою:

ФФн

Фотолітоавтотрофія - асиміляція С02 шляхом використання джерела енергій - сонячного світла, донора електронів - водню Н2, джерела вуглецевого живлення - С 02.

Асиміляція диоксиду вуглецю описується рівнянням:

СОг + 2Нг -*(СН20) + НгО.

Основним шляхом асиміляції С02 в автотрофних умовах є рибулозодифосфатний цикл, який називають циклом Кальвіна. В клітинах пур­ пурових бактерій присутні карбоксисоми, що містять фермент рибулозодифосфаткарбоксилазу (РДФК), за участі якої відбувається фіксація С 02. Спочатку утворюється нестійка Се-сполука, яка розпадається на 2 молекули трифосфогліцеринової кислоти. Поряд із РДФК пурпурові бак­ терії синтезують інші карбоксилази, які можуть брати участь у циклі Кальвіна.

Хемоорганотрофне живлення здійснюється тими пурпуровими ба­ ктеріями, які не є облігатними фототрофами і можуть рости в темряві в анаеробних умовах, при цьому вони використовують ендогенні запасні речовини або органічні сполуки середовища. Ріст у темряві відбуваєть­ ся за рахунок бродіння вуглеводів чи пірувату, а також використання ацетату або сукцинату, проте швидкість росту за таких умов нижча, ніж при світлі.

Деякі пурпурові бактерії ростуть у темряві в аеробних умовах, при цьому вони використовують органічні сполуки і як джерело енергії, і як джерело вуглецевого живлення. Метаболізм органічних сполук в аероб­ них умовах пов’язаний з циклом трикарбонових кислот. За таких умов вони ростуть як хемоорганотрофні бактерії з аеробним диханням. Деякі сіркобактерії в аеробних умовах у темряві окиснюють і Л/а2820 3для забезпечення себе енергією і зберігають здатність фіксувати С 02 через цикл Кальвіна.

Дихальні елекгронтранспортні системи при рості у темряві в аероб­ них умовах локалізовані в цитоплазматичній мембрані, до їх складу входять НАД, флавін, хінони, цитахроми, негемовІ Ре-в-білки.

140

Широкі можливості зміни типів метаболізму відмічені у Rhodobacter capsulatus, який може рости і в темряві, і при світлі, в анаеробних і аеро­ бних умовах, здійснює фотосинтез, анаеробне і аеробне дихання, веде себе як автотроф і гетеротроф. Ця бактерія викликала зацікавленість генетиків. Створена колекція клонів Е.соІі, які несуть у своїх клітинах різні фрагменти ДНК Rhodobacter capsulatus. Це дозволило скласти рестрикційну карту ділянки хромосоми цієї бактерії, яка містить гени, що відповідають за фотосинтез. Виявилося, що практично всі гени, які ко­ дують початкові стадії фотосинтезу, утворюють єдиний кластер.

Представники пурпурових бактерій мають різну морфологію - сфе­ ричну, паличкоподібну, спірили, вібріони. Молярна доля ГЦ в ДНК коли­ вається від 48-50% у Chromatium окепіі до 70,5-72,4% у Rubrivivax gelatinosus. Характерною особливістю цих бактерій є утворення мем­ бранних структур, у яких локалізовані пігменти та інші компоненти, не­ обхідні для початкових стадій фотосинтезу. У деяких пурпурових бакте­ рій ці структури на ультратонких зрізах мають вигляд ламелл. трубочок, бульбочок {везікул), відомих під назвою хроматофорів. У деяких видів мембранні структури відсутні і пігменти локалізовані у цитоплазматичній мембрані.

Пурпурові бактерії мають зелені пігменти бактеріохлорофіл а і бак­

теріохлорофіл в, які відрізняються від хлорофілу а окремими замісними

групами і можуть бути етерифіковані геранілгераніолом, фарнезолом чи стеариновим спиртом. Усі пурпурові бактерії утворюють каротиноїди, яких ідентифіковано близько 50 видів. Найбільш поширеним у пурпуро­ вих бактерій є слірилоксантин, родопін, родопінал, сфероіден. Від скла­ ду каротиноїдів залежить колір колоній, який може бути рожевим, чер­ воним, пурпуровим, помаранчовим, жовтим, жовто-зеленим, коричне­ вим. Каротиноїди безпосередньо не беруть участі у фотохімічних реак­ ціях, але вони поглинають енергію світла, яка у вигляді електронного збудження може дійти до реакційних центрів, в яких відбуваються фото­ хімічні процеси. Переносником електронів у пурпурових бактерій є НАД і флавінові ферменти, а також фередоксини, що відносяться до негемових Fe-S-йлків.

Серед представників пурпурових бактерій є види - облігатні фототрофи, які ростуть тільки за наявності світла. Так, для Ectothiortiodospira mobilis, E. shaposhnikovii, Thiocapsa roseopersicina, Rhodobacter capsula­ tus оптимальне освітлення складає 500-2000 лк, а для Chromatium weissei, Thiaspirillum jenense потрібно слабке освітлення до 50-300 лк. Деякі веди пурпурових бактерій можуть рости і в темряві. Відношення до кисню у пурпурових бактерій різне - є облігатні і факультативні анаероби.

141

Пурпурові бактерії зустрічаються у невеликій кількості у ґрунті І починають активно розмножуватися при затопленні водою, наприклад у рисових полях, а також у каналах зрошення. Основним місцем їх пере­ бування є прісні і солоні водойми.

Зелені дютолюсхЬні бактерії. До зелених бактерій відносять пред­ ставників двох родин: СіїІогоЬІасеае і СіїіогоЯехасеае (таблиця 7.9).

Молярне відношення ГЦ у ДНК різних видів коливається від 49 до 55%.

При фотосинтезі зелені бактерії використовують сульфід (Нг$), тіо­ сульфат (Ліа^гОд), сульфіт (вО ^ як донори електронів. Акцепторами електронів виступають цитохроми с. Автотрофна асиміляція С02 супро­ воджується окисненням НгЄдо в0:

СОг + 2 Нг$-> (СН20 ) + НгО *2 в0.

Сірка виділяється у середовище і може окислюватись до сульфатів. Окиснення тіосульфатів зеленими бактеріями відбувається за реакцією:

2СОг+ №г8г03+ ЗНгО -» 2(СН20) + Л ^ О ,, +

Окиснення супьфіта 5 0 32* пов’язане з фосфорилюванням І відбува­ ється, як у пурпурових бактерій:

Б032' + АМФ - АФС + 2е

АФС + Фи-*АДФ + в О /'.

Окрім сполук сірки, як донори електронів зелені бактерії можуть ви­ користовувати водень.

Реакція фотоасиміляції С02 відбувається за участю лдрогеназ і описується рівнянням:

ГІдрогвназа

. с

СОг *2 Н2-+ (СНзР) + И20.

Зелені бактерії - обпігатні автотрофи і не використовують органічні сполуки як донори електронів. Цикл трикарбонових кислот у них відсут­

142

ній, проте є відкритий зворотній цикл, названий відновним циклом трикарбонових кислот (ВЦТК). У цьому циклі фіксуєтья 2 молекули СОг: перша на сукцинілі КоА за участю о-кетоглутаратдегідрогенази, друга молекула С 02на ізоцитраті за участю ізоцитратдегідрогенази:

За морфологією зелені бактерії родини СМогоЬіасеае - палички, ві­ бріони, сферичні з простеками мікроорганізми, грамкегативні. Пігменти містяться у хлоросомах або цитоплазматичній мембрані. Зелені бактерії цієї родини утворюють у невеликій кількості бактеріохлорофіл а. Основ­ ну частину порфіринових пігментів у них складають бактеріохлорофіли с, сі, є, часто пігменти етерифіковані фітолом, цитиловим або стеариловим спиртом. Бактеріохлорофіли с, с/, е локалізовані у хлоросомах І по­ глинають енергію світла, яку передають у реакційні центри для здійс­ нення фотохімічної реакції, в якій частково бере участь бактеріохлоро­ філ а. Зелені бактерії також синтезують каротиноїди хлоробактик, р-

ізоренієратин, |3-каротин, у-каротин. Культури, що синтезують хлоробак-

тин р-ізоренієратин, у-каротин. мають зелений колір колоній, а ізоренієратин - коричневий. Усі зелені бактерії мають цитохром с, деякі синте­ зують фередоксини і рубредоксини.

Всі зелені бактерії є облігатними анаеробами і фототрофами. Одні види добре ростуть за умов освітлення 500-2000 лк, деякі - 20-100 лк.

Представники родини СЬІогоЯехасеае окиснюють як донори елект­ ронів НгБ і Н2 для асиміляції С 02. Окиснення НгЗ відбувається до 6°, яка накопичується в середовищі і далі ними не окислюється.

У СМогоЯехив аигапіїасие виявлений фермент рибулозобісфосфаткарбоксилаза (РДФК), що свідчить про існування циклу Кальвіна для асиміляції С 02.

143