Введение

Дыхание с использованием электронных акцепторов, отличных от кислорода, – это анаэробное дыхание, использующее электронные акцепторы, отличные от молекулярного кислорода (O2). Хотя кислород и не является конечным акцептором электронов, в этом процессе по-прежнему используется дыхательная цепь переноса электронов. В аэробных организмах, осуществляющих дыхание, электроны передаются в цепь переноса электронов, а конечным акцептором является кислород. Молекулярный кислород – превосходный акцептор электронов. Анаэробы вместо этого используют менее сильные окислители, такие как нитрат (NO3-), фумарат, сульфат (SO42-) или элементарная сера (S). Эти конечные акцепторы электронов имеют меньший потенциал восстановления, чем O2. При окислении одной молекулы выделяется меньше энергии. Следовательно, анаэробное дыхание менее эффективно, чем аэробное.

По сравнению с ферментацией

Анаэробное клеточное дыхание и ферментация генерируют АТФ совершенно разными способами, и эти термины не следует считать синонимами. Клеточное дыхание (как аэробное, так и анаэробное) использует сильно восстановленные химические соединения, такие как NADH и FADH2 (например, образующиеся в ходе гликолиза и цикла Кребса), для создания электрохимического градиента (часто протонового градиента) через мембрану. Это приводит к разности электрических потенциалов или концентрации ионов по обе стороны мембраны. Восстановленные химические соединения окисляются серией интегральных мембранных дыхательных белков с последовательно возрастающими потенциалами восстановления, при этом конечным акцептором электронов является кислород (при аэробном дыхании) или другое химическое вещество (при анаэробном дыхании). Протонный движущий градиент заставляет протоны двигаться вниз по градиенту (через мембрану) через протоновый канал АТФ-синтазы. Образующийся ток приводит к синтезу АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Ферментация, в отличие от этого, не использует электрохимический градиент, а вместо этого полагается исключительно на фосфорилирование на уровне субстрата для производства АТФ. Акцептор электронов NAD+ регенерируется из NADH, образовавшегося на окислительных стадиях ферментативного пути, путем восстановления окисленных соединений. Эти окисленные соединения часто образуются в самом ферментативном пути, но могут поступать и извне. Например, у гомоферментативных молочнокислых бактерий NADH, образовавшийся при окислении глицеральдегида-3-фосфата, окисляется обратно в NAD+ путем восстановления пирувата до молочной кислоты на более поздней стадии пути. У дрожжей ацетальдегид восстанавливается до этанола для регенерации NAD+. Существуют два важных анаэробных микробных пути образования метана: через восстановление углекислого газа/бикарбоната (HCO3-) (дыхание) или ацетатную ферментацию.

Экологическое значение

Анаэробное дыхание является важнейшим компонентом глобальных циклов азота, железа, серы и углерода посредством восстановления оксианионов азота, серы и углерода до более восстановленных соединений. Биогеохимический круговорот этих соединений, зависящий от анаэробного дыхания, оказывает значительное влияние на углеродный цикл и глобальное потепление. Анаэробное дыхание происходит во многих средах, включая пресноводные и морские осадки, почву, подземные водоносные горизонты, глубокие подземные среды и биопленки. Даже в средах, содержащих кислород, таких как почва, существуют микросреды, лишенные кислорода из-за медленной диффузии кислорода. Примером экологической значимости анаэробного дыхания является использование нитрата в качестве конечного акцептора электронов, или диссимиляторная денитрификация, которая является основным путем возврата фиксированного азота в атмосферу в виде молекулярного азота. Процесс денитрификации также играет важную роль во взаимодействиях между микроорганизмами и их хозяевами. Подобно митохондриям в микроорганизмах, использующих кислородное дыхание, некоторые одноклеточные анаэробные инфузории используют денитрифицирующие эндосимбионты для получения энергии. Другим примером является метаногенез – форма дыхания углекислым газом, используемая для производства метана посредством анаэробного разложения. Биогенный метан используется как устойчивая альтернатива ископаемому топливу, однако неконтролируемый метаногенез на полигонах приводит к выбросу больших объемов метана в атмосферу, где он выступает в качестве мощного парникового газа. Сульфатное дыхание производит сероводород, который является причиной характерного запаха «тухлых яиц» в прибрежных водно-болотных угодьях и способен осаждать ионы тяжелых металлов из раствора, приводя к образованию сульфидных руд.

Экономическая значимость

Диссимиляторная денитрификация широко используется для удаления нитратов и нитритов из муниципальных сточных вод. Избыток нитратов может привести к эвтрофикации водных путей, в которые сбрасывается очищенная вода. Повышенные уровни нитритов в питьевой воде могут вызывать проблемы из-за их токсичности. Денитрификация преобразует оба этих соединения в безвредный азот. Определенные типы анаэробного дыхания также играют важную роль в биоремедиации, которая использует микроорганизмы для преобразования токсичных химических веществ в менее вредные молекулы с целью очистки загрязненных пляжей, водоносных горизонтов, озер и океанов. Например, токсичные арсенаты или селенаты могут быть восстановлены до менее токсичных соединений различными анаэробными бактериями посредством анаэробного дыхания. Восстановление хлорированных химических загрязнителей, таких как винилхлорид и тетрахлорметан, также происходит посредством анаэробного дыхания. Анаэробное дыхание полезно для выработки электроэнергии в микробных топливных элементах, которые используют бактерии, дышащие твердыми акцепторами электронов (например, оксидом железа), для переноса электронов из восстановленных соединений на электрод. Этот процесс позволяет одновременно разлагать органические углеродные отходы и генерировать электроэнергию.

Примеры электронных акцепторов в дыхании

Тип образа жизни Акцептор электронов Продукты Eo′ (В) Пример организмов Аэробное дыхание Облигатные аэробы и факультативные анаэробы O2 H2O, CO2 +0.82 Аэробные прокариоты Перхлоратное дыхание Факультативные анаэробы ClO4 , ClO3 H2O, O2, Cl− +0.797 Azospira suillum, Sedimenticola selenatireducens, Sedimenticola thiotaurini и другие грамотрицательные прокариоты Иодатное дыхание Факультативные анаэробы IO3 H2O, H2O2, I− +0.72 Denitromonas, Azoarcus, Pseudomonas и другие прокариоты Восстановление железа Факультативные анаэробы и облигатные анаэробы Fe(III) Fe(II) +0.75 Организмы в порядке Desulfuromonadales (такие как Geobacter, Geothermobacter, Geopsychrobacter, Pelobacter) и виды Shewanella Марганцевое дыхание Факультативные анаэробы и облигатные анаэробы Mn(IV) Mn(II) Desulfuromonadales и виды Shewanella Нитратное восстановление (денитрификация) Факультативные анаэробы Нитрат NO3 (В конечном итоге) N2 +0.40 Paracoccus denitrificans, Escherichia coli Фумаратное дыхание Факультативные анаэробы Фумарат Сукцинат +0.03 Escherichia coli Сульфатное дыхание Облигатные анаэробы Сульфат SO42 Сульфид HS− −0.22 Многие виды Deltaproteobacteria в порядках Desulfobacterales, Desulfovibrionales и Syntrophobacterales Метаногенез (восстановление углекислого газа) Метаногены Углекислый газ CO2 Метан CH4 −0.25 Methanosarcina barkeri Серное дыхание (восстановление серы) Факультативные анаэробы и облигатные анаэробы Сера S0 Сульфид HS− −0.27 Desulfuromonadales Ацетогенез (восстановление углекислого газа) Облигатные анаэробы Углекислый газ CO2 Ацетат −0.30 Acetobacterium woodii Дегалогенирующее дыхание Факультативные анаэробы и облигатные анаэробы Галогенированные органические соединения R–X Галогенид-ионы и дегалогенированное соединение X− + R–H +0.25 – +0.60 Виды Dehalococcoides и Dehalobacter