Анаэробы. Не ругательство, но честь

Все чаще в научной литературе всплывают статьи о микроорганизмах и их применении в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Но все реже в абзацах с характеристикой и классификацией микробных культур встречаются слова «аэробный» и «анаэробный». Почему так происходит? Все дело в неоднозначности т.н. традиционных наименований.

Анаэробы (от греч. αν — отрицательная частица, греч. αέρ — «воздух» и греч. βιοζ — «жизнь») – общее собирательное наименование организмов, способных жить в условиях частичного или полного отсутствия кислорода. Многие из них получают энергию не окислительно-восстановительной реакцией с кислородом, а конкретным окислением какого-нибудь субстрата ( неорганических соединений, органических веществ, минералов). Так, существуют серобактерии, азотобактерии и железобактерии, использующие для дыхания окисление соединений серы, азота и железа соответственно.

История вопроса

Как термин «анаэробный» получил широкое применение?

Все дело в том, что впервые ввел его в научный оборот отец микробиологии Луи Пастер. В 1861 году он исследовал брожение, выделяя ответственные за него микроорганизмы, и обнаружил, что бактерии масляно-кислого брожения (т.н. «трупные» бактерии, например, Clostridium) в пробирке с жидкой средой концентрируются на дне оной, в то время как другие свободно плавают в виде взвеси, оседают на стенках или концентрируются у поверхности. Последующие опыты Пастера и его учеников привели к созданию классификации микроорганизмов по толерантности к кислороду.

Современная классификация выглядит так:

• Факультативные анаэробы: аэробный или анаэробный рост при наличии или отсутствии кислорода.

• Микроаэрофильные анаэробы.

• Облигатные анаэробы: не способны к аэробному метаболизму, но в различной степени толерантны к кислороду.

Облигатные анаэробы – организмы, которые гибнут в присутствии молекулярного кислорода (свободного О2). Строгих анаэробов немного – это некоторые бактерии, отдельные виды дрожжей, некоторые жгутиконосцы, несколько видов инфузорий и архей. Большая часть анаэробной биоты погибла много миллионов лет назад, когда на планете появился свободный кислород в больших количествах. Сейчас многие из них живут глубоко в почве, на дне водоемов и внутри других организмов (паразитические и инфекционные бактерии). Многие из них входят в состав нормальной флоры слизистых оболочек человека и животных, в том числе бактерий-симбионтов ЖКТ.

В свою очередь, облигатные анаэробы подразделяют на:

• Строгие анаэробы: выдерживают только ≤0,5% кислорода

• Умеренные анаэробы: выдерживают от 2 до 8% кислорода

• Аэротолерантные анаэробы: переносят атмосферную концентрацию кислорода в течение ограниченного времени.

Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы – «класс» организмов, часто встречавшийся в научных работах по микробиологии до 1991 года. Считается, что капнеистические микроорганизмы и микроаэрофилы требуют пониженной концентрации кислорода и повышенной концетрации углекислого газа: им требуется низкая концентрация кислорода (обычно 2–10%) и, для многих, высокая концентрация углекислого газа (например, 10%), в анаэробных условиях растут, но очень плохо.

Сейчас этот термин в биологии практически не применяют, так как тогда к капнеистическим организмам пришлось бы причислить и человека – ткани животных, культивируемые отдельно от организма (in vitro), также требуют понижения содержания О2 и повышения СО2, иначе верхний слой клеток окисляется и погибает. Животных от подобной участи спасает кожа. Однако в медицине так все еще обозначают некоторые виды инфекционной флоры.

Аэротолерантные анаэробы – организмы, способные переживать некоторое количество кислорода в среде, но не использующие его для своих нужд. При этом организм в присутствии О2 не погибает, продолжая размножаться и расти. К этой группе относятся почти все молочнокислые микроорганизмы, многие маслянокислые бактерии и дрожжи.

Умеренно-строгие анаэробы – организмы, которые могут выживать при низких концентрациях молекулярного кислорода, но не размножаются и не используют его. Гибнут при концентрациях кислорода, превышающих 2 – 8%.

Факультативные анаэробы – организмы, способные в зависимости от условий среды и стадии своего развития жить как в кислородных, так и безкислородных условиях. При этом в условиях наличия кислорода они используют его в процессе обмена веществ, что отличает их от других групп. Кроме очень большой группы эубактерий, факультативными анаэробами могут быть водоросли, растения и даже некоторые животные. Так, например, многие паразитические черви на стадии личинки являются свободноживущими животными, использующими растворенный в воде О2 для дыхания. Однако, попадая в организм хозяина они утрачивают не только органы дыхания, но и «ненужные» циклы биохимических реакций, используя только ресурсы хозяина и субстратное окисление.

Минутка интересных фактов

В начале прошлого века была популярна теория об эволюционной стадийности анаэробов. Считалось, что анаэробные организмы более древние, что анаэробные прокариоты возникли они во времена до появления кислородной атмосферы Земли. Позднее, с меняющимися на планете условиями, некоторые из них эволюционировали в аэробных. Аэробные реакции быстрее, «дешевле» для организма при более высокой продуктивности энергии: при брожении общий выход АТФ составляет 4 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД*Н2, тогда как при дыхании общий выход составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, аэробы получили эволюционное преимущество.

Однако с открытием анаэробных эукариот, включая анаэробных многоклеточных, эта теория частично потеряла свои позиции. Еще больше вопросов вызвал генетический анализ. Оказалось, что многие облигатные анаэробы никак друг с другом не связаны. Более того, не имеют общего предка. Еще один интересный момент – обнаружилось несколько вторично анаэробных организмов (не путать с вторичными анаэробами при брожении) – в процессе приспособления они частично или полностью утратили способность к кислородному окислению. Так, например, Zymomonas mobilis, а также клостридии произошли от цитохром-содержащих (т.е. скорее всего аэробных) организмов.

Основы процесса

Для справки:

Люди, да и вообще млекопитающие животные, а также рыбы, птицы, рептилии и амфибии, даже многие черви, грибы и растения относятся к аэробным организмам – для получения энергии нам нужен кислород.

Именно поэтому нам необходимо дышать – кислород, поступающий в легкие, связывается гемоглобином (у некоторых животных – гемоцианином) и разносится по всему организму к каждой клетке тела. Далее каждая клетка самостоятельно проводит цикл окислительно-восстановительных реакций, именуемых клеточным (митохондриальным) дыханием.

Сам процесс дыхания имеет три этапа (подготовительный, безкислородный и кислородный), множество ступеней, побочных продуктов, а также использует вещества, предварительно полученные в других реакциях (ацетил-КоА, убихинон, НАД и другие). Все это доставляется к мембране митохондрий и участвует в окислительном фосфорилировании – непосредственно клеточном дыхании. Оно также называется полным окислением – за бескислородным этапом неполного анаэробного окисления (гликолиза) следует дополнительный.

Общая упрощенная формула этого процесса выглядит так:

Схематично весь цикл изображен на рисунке.

Конечный результат процесса клеточного дыхания – АТФ (аденозин-трифосфат) и СО2. АТФ – это то, что организм использует почти во всех процессах как универсальный источник энергии. По сути своей, молекулы АТФ – это батарейки, а электроно-транспортная цепь на заключительном этапе клеточного дыхания – это «зарядка». Человек и близкие к нему животные используют кислород для получения АТФ. Однако это не единственный путь.

Альтернативы дыхания

Для справки:

В тканях человека может происходить синтез АТФ и безкислородным путем в особых условиях. Так, у бегунов на длинные дистанции при длительной нагрузке на мускулатуру в мышцах заканчивается кислород, а новый с кровью поступать не успевает, как не успевает и доставка АТФ из других источников.

В таком случае включается резервный механизм – анаэробный синтез АТФ.

Анаэробные пути пополнения энергии в организме человека включаются при чрезмерном утомлении, гипоксии (нехватке кислорода для дыхания), воспалениях и нарушениях обмена веществ (например, заболеваниях крови). Три характерных для мышц следующие:

• Креатинфосфатазный (фосфогеный или алактатный) механизм — перефосфорилирование между креатинфосфатом и АДФ

• Миокиназный — синтез (иначе ресинтез) АТФ при реакции трансфосфорилирования 2 молекул АДФ (аденилатциклаза)

• Гликолитический — анаэробное расщепление глюкозы крови или запаса гликогена, заканчивающийся образованием молочной кислоты (иначе именуется «лактатным»).

Они имеют различные триггеры (механизмы запуска), различную эффективность и различное эффективное время работы.

При этом необходимо помнить, что все бескислородные пути клеточного дыхания у человека являются резервным механизмом, защитой от смерти в критической ситуации. Они намного менее эффективны, чем кислородный путь (обеспечивают меньший выход АТФ). Кроме того, все они сильно изменяют рН ткани, что может привести к угнетению других функций и отмиранию клеток.

Итого

В современной литературе термины «аэробный» и «анаэробный» используются редко, в основном для характеристики условий культивирования микроорганизмов, а также в медицине при характеристике инфекционных бактерий.

Систематика не использует анаэробность как такономическую категорию, а генетики и биохимики находят все больше доказательств перехода анаэробных организмов в аэробные формы и обратно. Кроме того, все аэробные организмы так или иначе имеют резервные анаэробные пути получения энергии, оставшиеся в «наследство» и включаемые в критических ситуациях.

Однако фактор аэробности по-прежнему осается важен при исследованиях некоторых инфекционных заболеваний, а также при исследовании микробиоты человека. Более того, некоторые ученые остановили свое внимание на анаэробных организмах экстремальных сред обитания (вулканов, гейзеров, глубоководных впадин, шельфовых льдов и изолированных пещер) с космической целью — выяснить, какой может быть иная жизнь.

Но об этом поговорим в следующий раз.

Всего хорошего и не болейте!

Статья написана биотехнологом Людмилой Хигерович и опубликована в научном сообществе Фанерозой.