Сульфатное дыхание

Сульфа́тное дыха́ние, или диссимиляцио́нное восстановле́ние сульфа́та, — анаэробное дыхание, при котором конечным акцептором электронов (окислителем) служит сульфат (SO₄²⁻). В качестве донора электронов в сульфатном дыхании обычно выступают молекулярный водород (H₂) и различные органические вещества (алифатические и ароматические углеводороды, спирты, углеводы и карбоновые кислоты), в редких случаях металлическое железо. Данный метаболический путь распространён среди бактерий и архей (как правило, анаэробных), которые в связи с этой чертой называют сульфатредукторами^[1].

Диссимиляционное восстановление сульфата направлено на формирование трансмембранного градиента протонов и получение клеткой энергии. Это отличает его от ассимиляционного восстановления сульфата^[англ.], осуществляемого не только прокариотами, но и эукариотами, в том числе растениями, с целью включения серы в состав органических тиосоединений (например, серосодержащих аминокислот).

Реакции

Упрощённая схема сульфатного дыхания.
Sat — сульфатаденилтрансфераза,
AprAB — аденилсульфатредуктаза,
DsrAB — дыхательная сульфитредуктаза
Q/QH₂ — мембранный пул менахинонов

Реакции сульфатного дыхания и набор осуществляющих их ферментов консервативны^[2][1]. У всех описанных микроорганизмов-сульфатредукторов данный метаболический путь осуществляется в 4 этапа с затратой 1 молекулы АТФ (гидролиз до АМФ) и переносом 8 электронов^[3][4][5].

Этап 1

АТФ + SO₄²⁻ → ФФ_н + АФС

Перенос (активация) сульфатаденилтрансферазой^[англ.] сульфата на аденозин-5′-фосфосульфат (АФС, аденилилсульфат). Необходимость этой реакции связана с низким редокс-потенциалом в паре SO₄²⁻/SO₃²⁻ (−0,516 В), для преодоления которого недостаточно потенциала обычных цитоплазматических восстановителей — NADH (−0,398 В) и ферредоксина (−0,314 В), тогда как в паре АФС/сульфит редокс-потенциал составляет лишь −0,06 В^[6].

Из-за наличия этого подготовительного этапа терминальным акцептором электронов в сульфатном дыхании формально оказывается не собственно неорганический сульфат, а аденозинфосфосульфат, в связи с чем некоторыми микробиологами предложен термин «сульфатзависимое дыхание»^[1].

Этап 2

АФС + 2H⁺/2e⁻ → SO₃²⁻ + H₂O + АМФ

Восстановление аденилилсульфатредуктазой^[англ.] АФС до сульфита (SO₃²⁻). В качестве донора электронов на этом этапе служит мембранный пул менахинонов, восстановленных за счёт окисления питательного субстрата^[6].

Этап 3

SO₃²⁻ + DsrC⋅(SH)₂ → DsrC⋅S₃ + 3H₂O

Восстановление и перенос серы дыхательной сульфитредуктазой (DsrAB) на дитиольную форму белка DsrC с образованием его трисульфидной (окисленной) формы^[5]. В составе DsrC находится сирогем^[1].

Этап 4

DsrC⋅S₃ → DsrC⋅(SН)₂ + HS⁻

Восстановление мембранным белковым комплексом DsrMKJOP трисульфидной формы DsrC до сульфида (S²⁻) и дитиольной формы DsrC^[5].