Вопрос 1. Анаболические процессы у бактерий.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКТИВНОГО МЕТАБОЛИЗМА ПРОКАРИОТ.

Образ жизни прокариот состоит в постоянном воспроизвод­стве своей биомассы. CoBOKynHocTb протекающих в клетке про­цессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или метаболизмом. Клеточный метаболизм скла­дывается из двух потоков реакций, имеющих разную направлен­ность: энергетического и конструктивного метаболизма. Энер­гетический метаболизм — это поток реакций, сопровож-дающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую (Др1_н+) или химическую (АТФ) форму, ко­торая затем может использоваться во всех энергозависимых про­цессах. Конструктивный метаболизм (биосинтезы) — поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с по­треблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.

В микробиологической литературе для обозначения энергети­ческих и конструктивных процессов пользуются также терминами «катаболизм» и «анаболизм», имеющими отношение к распаду или синтезу органических молекул, происходящему соответственно с выделением или потреблением свободной энергии. Следует иметь в виду, что термин «катаболизм» применим для обозначения не всех типов энергетического обмена прокариот. Существуют груп­пы прокариотных организмов, энергетический метаболизм кото­рых не связан с превращениями органических соединений (про­кариоты с фотолито- и хемолитотрофным типом энергетического обмена). По отношению к такого рода энергетическим процессам термин «катаболизм» неприменим. У этих организмов функцио­нирует только один поток превращений органических соедине­ний углерода — анаболический.

Метаболические пути конструктивной и энергетической направ­ленности состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на три этапа. На начальном — воздействию подвергаются молекулы, служащие исходными суб­стратами. Иногда эту часть метаболического пути называют пери­ферическим метаболизмом, а ферменты, катализирующие первые этапы превращения субстрата, — периферическими. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к образованию промежуточных продуктов, или метаболитов, а сама цепь превращений объединяется под названием промежуточного метаболизма. Образующиеся на последних этапах конечные про­дукты конструктивных путей используются для построения веще­ства клеток, а энергетических — выделяются в окружающую среду.

Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. У большинства прокариот они тесно связаны меж­ду собой. Однако у некоторых прокариотных организмов можно выделить последовательности реакций, служащих только для по­лучения энергии или только для биосинтеза. Связь между конст­руктивными и энергетическими процессами прокариот осуществ­ляется по нескольким каналам. Основной из них — энергетиче­ский. Определенные реакции поставляют энергию, необходимую для биосинтезов и других клеточных энергозависимых функций. Биосинтетические реакции кроме энергии нуждаются часто в по­ступлении извне восстановителя в виде водорода (электронов), источником которого служат также реакции энергетического ме­таболизма. И наконец, тесная связь между энергетическими и кон­структивными процессами проявляется в том, что определенные промежуточные этапы или метаболиты обоих путей могут быть одинаковыми (хотя направленность потоков реакций, относящихся к каждому из путей, различна). Это создает возможности для ис­пользования общих промежуточных продуктов в каждом из мета­болических путей. Промежуточные соединения такой природы предложено называть амфиболитами, а промежуточные ре­акции, одинаковые для обоих потоков, — амфиболическими.

Метаболизм прокариот, как энергетический, так и конструк­тивный, отличается чрезвычайным разнообразием, которое есть результат способности этих форм жизни использовать в качестве источников энергии и исходных субстратов для построения ве-ществ тела самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных периферических ферментов, воздействующих на ис­ходные субстраты и видоизменяющих их молекулы в направле­нии, позволяющем им далее метаболизироваться по каналам про­межуточного метаболизма. В отличие от периферического проме­жуточный метаболизм прокариот не отличается существенным разнообразием, хотя сравнительно с таковым эукариотных орга­низмов он состоит из большего числа вариантов.

Химический состав прокариотной клетки

Химический состав клеток в принципе одинаков у всех организ­мов. Клетки прокариот содержат от 70 до 90 % воды. Основную массу сухих веществ, на долю которых приходятся остальные 10—30%, составляют белки, нуклеиновые кислоты, липиды и полисахари­ды. Несколько процентов сухого вещества клеток приходится на низкомолекулярные органические вещества и соли (табл. 9).

* Анализировали клетки Е. coli, выращенные в условиях аэрирования на синтетической среде с глюкозой при 37 °С; время генерации — 40 мин.

рода необходим один или больше факторов роста, называют ауксотрофами вотличиеот прототрофов, синтезирующих все необходимые органические соединения из основного источника углерода.

Синтез прокариотами основных клеточных компонентов

Как уже отмечалось выше, основная масса органических ве­ществ клетки состоит из полисахаридов, липидов, белков и нук­леиновых кислот, являющихся (за исключением липидов) поли­мерами. Образованию полимеров предшествует синтез составляю­щих их мономеров. В случае полисахаридов — это различные моносахара, нуклеиновых кислот — рибо- и дезоксирибонуклео-тиды, белков — аминокислоты.

Биосинтез углеводов

Если прокариоты выращивать на средах, где источник углеро­да — одно-, двух- или трехуглеродные соединения, то необходи­мые сахара (в первую очередь С₆) они должны синтезировать из имеющихся в среде источников углерода. У подавляющего боль­шинства автотрофов на среде с С0₂ в качестве единственного источника углерода сахара синтезируются в реакциях восстанови­тельного пентозофосфатного цикла. У гетеротрофов на среде с С₂- и С₃-соединениями для синтеза необходимых Сахаров исполь­зуются в значительной степени реакции, функционирующие в ка-таболическом потоке, например в гликолитическом пути. Однако поскольку некоторые ферментативные реакции этого пути нео­братимы, в клетках гетеротрофных прокариот, способных исполь­зовать двух- и трехуглеродные соединения, сформировались спе­циальные ферментативные реакции, позволяющие обходить нео­братимые реакции катаболического пути.

Процесс, обеспечивающий синтез С₆-углеводов из неуглевод­ных предшественников, например аминокислот, глицерина, мо­лочной кислоты, получил название глюконеогенеза. Таким путем, сочетающим использование имеющегося в клетке катабо­лического аппарата и специальных реакций, служащих только для биосинтетических целей, решается прокариотами проблема био­синтеза необходимых моносахаров.

Биосинтез липидов

У прокариот липиды входят в состав клеточных мембран и клеточной стенки, служат запасными веществами, являются ком-понентами пигментных систем и цепей электронного транспорта. Ниже мы рассмотрим синтез жирных кислот и фосфолипидов, являющихся у большинства прокариот, относящихся к эубакте-риям, универсальным компонентом клеточных мембран.

С₁₄—С₁₈-жирные кислоты синтезируются путем последователь­ного присоединения двухуглеродных фрагментов к активирован­ной С₂-группе, выполняющей функцию затравки, и последую­щего восстановления окисленных углеродных атомов.

В клетках эубактерий компонентами липидов являются в ос­новном насыщенные жирные кислоты или содержащие одну двой­ную связь (мононенасыщенные). Полиненасыщенные жирные кис­лоты, содержащие две и более двойных связей, найдены до сих пор только у цианобактерий. Образование двойных связей в моле­куле кислоты может происходить двумя путями. Один из них, об­наруженный у аэробных эубактерий, требует участия молекуляр­ного кислорода. У облигатно анаэробных и некоторых аэробных эубактерий двойные связи вводятся в молекулу кислоты на ран­ней стадии ее синтеза в результате реакции дегидратации.

Пути, ведущие к синтезу фосфолипидов, состоят из несколь­ких этапов. Исходным субстратом служит фосфодиоксиацетон (про­межуточное соединение гликолитического пути), восстановление которого приводит к образованию 3-фосфоглицерина. К послед­нему затем присоединяются два остатка жирных кислот. Продук­том реакции является фосфатидная кислота. Активирование ее с помощью ЦТФ и последующее присоединение к фосфатной группе серина, инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу фосфатидилсерина, фосфатидилинозита и фосфатидил-глицерина соответственно .

Биосинтез аминокислот

Большинство прокариот способны синтезировать все амино­кислоты, входящие в состав клеточных белков. В качестве исход­ных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит не­большое число промежуточных соединений различных метаболи­ческих путей (табл. 10). Введение в молекулу некоторых из них (щавелевоуксусной, а-кетоглутаровой, пировиноградной кислот) аминного азота приводит к образованию аспарагиновой, глута-миновой кислот и аланина. Однако в большинстве случаев исход­ные соединения должны подвергнуться значительным перестрой­кам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.

Особенностью биосинтеза аминокислот является использова­ние общих биосинтетических путей. Так, 19 из 20 аминокислот, входящих в состав белков, можно по способу их происхожденияНекоторые особенности биосинтеза аминокислот

разделить на 5 групп. Только одна аминокислота (гистидин) обра­зуется по отдельному биосинтетическому пути. Азот вводится в молекулу аминокислоты посредством реакций аминирования, амидирования и переаминирования. Реакции аминирования при­водят к образованию из пировиноградной кислоты аланина, а из а-кетоглутаровой — глутаминовой кислоты, например:

Глутаматдегидро-

НООС—(СН₂)₂—СО—СООН + >Ш₃ + НАДФ ■ н₂--

^геназа> НООС— (СН₂)₂— CHNH₂—СООН + НАДФ⁺ + Н₂0. Глутаминовая кислота

Две реакции амидирования ведут к образованию глутамина и ас-парагина из глутаминовой и аспарагиновой кислот в реакциях следующего типа: Глутаминсинтетаза

НООС—(СН₂)₂—СН>Ш₂—СООН + АТФ + ЫН₃--

Глутаминовая кислота

-->Ш₂СО—(СН₂)₂—снын₂-СООН + АДФ + Ф„ + н₂о,

Глутамин

где Ф_н — неорганический фосфат. Глутаминовая кислота и глута­мин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержа­щих органических соединений. Аспарагин используется только для синтеза белковых молекул. Во все остальные аминокислоты азот вводится посредством реакций переаминирования, катализируе­мых соответствующими аминотрансферазами, при этом во всех реакциях одним из участников является глутаминовая кислота:

глутаминовая кислота + щавелевоуксусная кислота —»■ —»■ аспарагиновая кислота + а-кетоглутаровая кислота.

Еще одним путем включения азота аммиака в состав органи­ческих соединений является реакция, приводящая к образованию карбамоилфосфата:

ЫН₃ + С0₂ + 2АТФ —* Н₂Ы—СО—О—РО_эН₂ + 2АДФ + Ф_н. Карбамоилфосфат

Дальнейшее использование азота карбамоилфосфата происхо­дит по двум путям: для синтеза пиримидинов и аргинина.

Биосинтез мононуклеотидов

Из мононуклеотидов построены нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) клеток. Кроме того, мононуклеотиды входят в состав мно­гих коферментов и участвуют, таким образом, в осуществлении различных каталитических функций. Центральное место в биосин­тезе мононуклеотидов занимает синтез пуриновых и пиримиди-новых азотистых оснований. Большинство прокариот способно к синтезу этих соединений de novo из низкомолекулярных пред­шественников. Синтез пуриновых и пиримидиновых мононукле­отидов осуществляется независимыми путями. В результате по­следовательных ферментативных реакций при синтезе пуриновых нуклеотидов образуется инозиновая кислота, из которой путем химических модификаций пуринового кольца синтезируются аде-ниловая (АМФ) и гуаниловая (ГМФ) кислоты.

Первым пиримидиновым нуклеотидом, синтезируемым de novo, является оротидиловая кислота, декарбоксилирование которой приводит к образованию уридиловой кислоты (УМФ). Последняя служит предшественником цитидиловых нуклеотидов, но соот-ветствующее превращение происходит только на уровне трифос-фатов, поэтому сначала из УМФ образуется УТФ, аминирование которого приводит к возникновению ЦТФ.

Дезоксирибонуклеотиды образуются в результате восстановле­ния соответствующих рибонуклеотидов на уровне дифосфатов (для некоторых прокариот описано подобное превращение на уровне трифосфатов). Синтез специфического для ДНК нуклеотида — тимидиловой кислоты — происходит путем ферментативного ме­тилирования дезоксиуридиловой кислоты.

Многие прокариоты способны использовать содержащиеся в питательной среде готовые пуриновые и пиримидиновые основа­ния, их нуклеозиды и нуклеотиды, имея ферменты, катализиру­ющие следующие этапы взаимопревращений экзогенных пурино-вых и пиримидиновых производных:

азотистое основание <=ь нуклеозид <=ь нуклеотид (моно <=± ди «=ь трифосфат).