Оксана Жданова - Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие

Электрон-транспортная цепь представляет собой систему веществ-переносчиков, которые располагаются в цитоплазматической мембране и, которые, как в эстафете, от одного другому, передают электроны и переносят ионы водорода с внутренней поверхности цитоплазматической мембраны на внешнюю. В результате неравномерного распределения ионов водорода и электрического заряда по обе стороны мембраны, возникает энергия в форме «трансмембранного электрохимического потенциала», которая может преобразовываться мембранной «турбиной» (ферментом) в универсальный носитель энергии – АТФ.

Получение энергии – это сложный последовательный многоступенчатый процесс окисления, т.е переноса электронов от питательного субстрата (первичного донора) к какому-то веществу (конечному акцептору), через промежуточные вещества. У одних бактерий конечным акцептором является свободный кислород (О 2), в таком случае говорят об аэробном дыхании; у других конечным акцептором электронов может быть кислород в связанной форме (нитрат NO 3 ‒, карбонат CO 3 ‒, сульфат SO 4 2‒) – это анаэробное (бескислородное) дыхание. Дыхание аэробное или анаэробное протекает в цитоплазматической мембране при участии электрон-транспортной цепи. конечным акцептором могут быть органические вещества – этот процесс называют брожением и протекает он только в цитоплазме.

Если свободный кислород принимает электрон, то он становится токсичным – невероятно способным окислять разные вещества, а это опасно для всех живых клеток. Поэтому те бактерии, которые используют свободный кислород в качестве акцептора, научились защищаться от его токсичных форм с помощью специальных веществ – антиоксидантных ферментов. Те же бактерии, которые не имеют таких веществ, вынуждены жить в бескислородной среде. Таким образом, получение энергии может происходить как при участии свободного кислорода, так и без него.

Все бактерии по отношению к кислороду делятся на три группы:

– анаэробы – бактерии, у которых акцептором электронов являются неорганические вещества (нитрат, карбонат или сульфат), кислород для них опасен, живут в бескислородной среде;

– аэробы – получают энергию только при доступе свободного кислорода, поскольку он является конечным акцептором электронов;

– факультативные анаэробы – эти бактерии получают энергию так же, как и анаэробы, но в отличие от них способны защититься от токсичных форм кислорода.

Анаэробы получают энергию не самым эффективным способом – путем неполного окисления в цитоплазме. Неполного, потому что из веществ, которые образуются после расщепления питательных субстратов, можно получить еще больше АТФ, но для этого система переносчиков электронов и водорода должна быть полноценной, содержащей все необходимые компоненты. Этим ресурсом, увы, анаэробы не обладают, в их системах переносчиков отсутствуют некоторые компоненты. Поэтому недоокисленные вещества, например, молочная кислота, становятся бесполезными для бактерий и выбрасываются ими, в окружающую среду. Вот вы любите йогурт или другие кисломолочные продукты? Теперь догадываетесь, как они получаются? Правильно, кисломолочные бактерии расщепляют молочный сахар – лактозу до молочной кислоты и выбрасывают ее в молоко, отчего этот продукт приобретает новые свойства и превращается в йогурт. Тот же процесс происходит при заквашивании овощей. Молочная кислота препятствует размножению гнилостных микробов и является хорошим консервантом. Давным-давно люди научились использовать различные виды брожения (кисло-молочное, спиртовое, пропионовое, масляно-кислое) в своей хозяйственной деятельности, но даже не подозревали, что эти процессы невозможны без бактерий.

Факультативные анаэробы имеют более полноценную систему переносчиков, а кроме того, у них имеются особые вещества, защищающие их от активных форм кислорода.

Большинство бактерий относится к анаэробам и факультативным анаэробам. Чтобы обеспечить себя энергией, бактерии вынуждены съедать огромное количество пищи. А, кроме того, главным источником энергии для подавляющего числа бактерий являются углеводы (сахара). Вот уж кто настоящие сладкоежки!

Рис. 1.4. Бактерии любят хорошо покушать!

Да еще и обжоры, правда, по прихоти эволюции. Только представьте себе: за сутки каждая бактерия потребляет пищи в 30—40 раз больше массы своего тела. Это как если бы человек, массой 70 кг в сутки съедал от 2 до 3 тонн пищи!

Для того, чтобы все это переработать, да еще выполнить другие функции требуется очень высокая скорость протекания химических процессов, ее обеспечивают особые белки-катализаторы, называемые ферментами. Внутри бактериальной клетки их синтезируется около 3000, они обеспечивают протекание триллиона (10 12) химических реакций в минуту.

Бактерии способны утилизировать самые разнообразные вещества. Не подумайте, что они совсем уж неразборчивы в своем аппетите. Оказывается, они еще те привереды. Если в питательной среде находится несколько сахаров, то бактерии определят легкоусвояемый сахар и сначала съедят его и только потом примутся за другой. В геноме бактериальной клетки закодированы все ферменты, которые необходимы ей в разных условиях существования. Но в каждый конкретный момент времени бактерия не нуждается во всех ферментах сразу, поэтому они синтезируются тогда, когда они действительно необходимы. Это рационально, потому что для одновременного и постоянного синтеза всех ферментов, закодированных в ее геноме, потребуется огромное количество питательных и энергетических ресурсов, и фабрик по производству белков (рибосом). Конечно, есть группа ферментов, которые необходимы для обслуживания жизненно важных процессов, без которых прокариотическая клетка погибнет, такие ферменты синтезируются постоянно. А есть ферменты, потребность в которых появляется время от времени и необходимо иметь механизмы включения и выключения их производства. Поэтому в ходе эволюции появились сложные и эффективные способы регуляции синтеза таких ферментов. Они позволяют бактериям быстро приспосабливаться к меняющимся условиям среды обитания, а значит выживать.

Процесс питания бактерий, тоже специфический. Во-первых, они могут поглощать вещества только в растворенном состоянии; во-вторых, они не могут поглощать крупные молекулы органических соединений. Поэтому бактерии сначала выделяют в окружающую среду экзоферменты (от греч. ехо – вне, снаружи), с помощью которых сложные вещества расщепляются до более простых и переносятся через наружную и/или цитоплазматическую мембрану внутрь клетки. Там они подвергаются дальнейшему расщеплению до еще более простых элементов с выделением энергии. Простые элементы пойдут на синтез необходимых веществ и клеточных структур, а энергия потратится на жизнеобеспечивающие процессы. Кстати, болезнетворные бактерии, именно с помощью экзоферментов повреждают ткани человека, животных или растений.