Глава 4. Метаболизм микроорганизмов

Биохимические процессы, протекающие в клетке прокариотов, объединены понятием - метаболизм (греч. Metabole - превращение) - обмен веществ и энергии. Различают две стороны метаболизма:

Анаболизм- совокупность биохимических реакций, осуществляющих обмен веществ в клетке, синтез элементов, который называют конструктивным.

Катаболизм- совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, необходимой для реакций конструктивного обмена.

4.1. Энергетический катаболизм

Микроорганизмы не могут использовать все виды природной энергии. Доступными внешними источниками энергии являются электромагнитная энергия (свет определенной длинны волны) и химическая (восстановленные химические соединения). Способностью использования солнечной энергии обладает большая группа фотосинтезирующих микробов, в том числе прокариотов, имеющих фоторецепторные молекулы. Для других организмов - источником энергии служат процессы окисления химических соединений.

Дыхание – это окислительно-восстановительный процесс, реализующийся с помощью АТФ, путем окислительного фосфорилирования. Молекулы АТФ синтезируются путем переноса электронов от первичного донора до конечного акцептора. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, различают анаэробное и аэробное дыхание. Если конечным акцептором является молекулярный кислород, то дыхание называют аэробным. Если конечным акцептором является водород, то дыхание называют анаэробным. Окисление - отдача электрона, восстановление - присоединение электрона. Соединения окисляющиеся, называют донорами электронов. Молекулы веществ, которые воспринимают электроны и восстанавливаются, называются акцепторами электронов. Реакции, при которых энергия, освобождается на окислительных этапах брожения и запасается в АТФ, получила название субстратного фосфорилирования.

Существует пять типов реакций катаболизма. Все паразитические микроорганизмы используют АТФ в большинстве по 3 типу (аэробное дыхание органических Н- доноров) или по 5 типу - ферментация энергообразующих реакций.

При окислении глюкозы через цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) наблюдается максимальная мобилизация энергии. На первом этапе потребления глюкозы, при гликолизе (отсутствие кислорода), из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ (по 10 ккал). Молочная кислота окисляется в присутствии кислорода в пировиноградную кислоту, Каждая молекула лактата отдает 6 пар электронов. Часть энергии при переносе пары электронов идет на образование 3 молекул АТФ. Полное окисление моля глюкозы приводит к синтезу 38 молекул АТФ с запасом энергии 380 ккал. (65 % запаса моля глюкозы). На 1 моль АТФ образуется урожай бактерий в 10 г сухого веса.

Энергетический обмен анаэробов происходит без участия свободного кислорода путем фосфорилирования субстрата. Из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы кислоты молочной, с выходом энергии в 20 ккал (две молекулы АТФ на моль глюкозы). Кислород оказывает на анаэробы токсичное действие за счет накопления перекиси водорода, т.к. у анаэробов отсутствует фермент каталаза. Аэробные условия высвобождают больше энергии, чем анаэробное брожение.

У строгих анаэробов отсутствует система регуляции окислительно-восстановительного потенциала (редокспотенциал - rH₂) и они не растут в присутствии кислорода. Окисляющие вешества повышают rH₂, а наличие у клеток веществ, обладающих восстановительными свойствами, снижает rH₂ до величин, позволяющих им размножаться.

Некоторые энергообразующие реакции являются общими для аэробов и анаэробов. К ним относят путь Эмбдена-Мейергофа (гликолиз), путь Этнера-Дудорова, гексофосфатный шунт (пентозофосфатный путь).

К первой группе относятся почти все ферментативные реакции, которые осуществляют патогенные бактерии. Они характеризуются окислением углерода до пирувата с помощью процесса Эмбдена-Мейергофа, при котором создаются на каждую молекулу глюкозы две чистые молекулы АТФ и две молекулы НАДН2 - восстановлением эфира пировиноградной кислоты либо непосредственно, либо косвенно (при других реакциях). Относящиеся к этой группе ферментативные реакции восстанавливают образовавшиеся из пирувата продукты.

Пентозофосфатный путь. С образования из глюкозы 6-фосфоглюконата начинаются 2 ферментативные реакции: одна из них - гетеромолочнокислое брожение до СО₂, другая – восстановление молекул НАДФ в НАДФ^.Н. Этот путь обеспечивает образование рибозо-6-фосфата, необходимого для синтеза нуклеиновых кислот.

Промежуточный продукт 2-кето-3дезокси-6-фосфоглюконовая кислота - характерен для пути превращения глюкозы по пути Энтнера-Дудорова. Она расщепляется на молекулу пировиноградной кислоты и молекулу 3-фосфоглицеринового альдегида, превращающегося в пировиноградную кислоту (это путь Эмбдена-Мейергофа).

По степени участия в энергетическом обмене кислорода и водорода, микроорганизмы делятся на следующие группы:

1. Строгие (облигатные) аэробы - конечным акцептором электронов служит кислород.

2. Микроаэрофилы – это микроорганизмы, нуждающиеся в небольшой концентрации кислорода и СО₂.

3. Факультативные анаэробы - микроорганизмы, потребляющие глюкозу в аэробных и анаэробных условиях.

4. Строгие (облигатные) анаэробы – это микроорганизмы, конечным акцептором для которых служит водород.

Многообразие энергетических процессов объясняет большую приспособляемость живых существ и полноту круговорота веществ в природе.

Бродильный метаболизм прокариотов характеризуется образованием АТФ, путем фосфорилирования: при этом часть молекулы окисляется, а часть восстанавливается. Все виды брожения проходят в 2 стадии: окисление (превращение глюкозы в пировиноградную кислоту) и восстановления (утилизация водорода для восстановления пировиноградной кислоты).

Некоторые микроорганизмы могут различаться по типам брожения.

Молочнокислое брожение. Из пирувата такие бактерии как Lactobacillus, Bifidobacterium способны образовывать молочную кислоту. Процесс является вторичным метаболическим.

Пропионовокислое брожение. Этот тип брожения характерен для пропионобактерий. Пропионовая кислота образуется из пирувата. Он превращается в оксалоацетат в результате присоединения СО₂, а затем он преобразуется в пропионовую кислоту.

Муравьинокислое брожение. Это брожение характерно для энтеробактерий. Конечным продуктом является муравьиная кислота, а также молочная, уксусная и др. продукты.

Маслянокислое брожение. Одним из конечных продуктов маслянокислого брожения у маслянокислых бактерий является масляная кислота. Образуется также уксусная кислота.

Спиртовое брожение. Происходит трансформация пирувата в этанол и др. продукты. Спиртовое брожение осуществляют дрожжевые грибы.

Процессу дыхания способствует система транспорта электронов, где они движутся по ряду обратимо действующих переносчиков с постоянно возрастающим окислительно-восстановительным потенциалом. Эти акцепторы электронов встроены в бактериальную мембрану. В дыхательную цепь входят НАДН, НАДФН, О₂.

Когда клетка запасает больше энергии, чем тратит, она сталкивается с проблемами консервирования энергии. В молекулах АТФ энергия долго не хранится (1/3 сек). Проблема консервирования энергии решена путем синтеза высокополимерных восстановительных молекул, главным образом, полисахаридов, реже - липидов или пептидов. Молекулы запасных веществ плотно упакованы в гранулах. Часть веществ окружена белковой оболочкой, что очень важно для клеток.

В нормальной для микробов среде происходит регуляция клеткой обменных процессов. В результате не остается избыточных промежуточных продуктов. Если источник углерода внезапно истощается, немедленно увеличивается количество ферментов, требующихся для катализа углерода. При увеличении количества аминокислот, сразу снижается количество ферментов, необходимых для их биосинтеза.