
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Питание микроорганизмов
- •1.1. Транспорт веществ в клетку бактерий
- •1.2. Автотрофные способы питания микроорганизмов
- •1.3. Ассимиляция со2 хемогетеротрофными микроорганизмами
- •Глава 2. Метаболизм микроорганизмов
- •2.1. Общая характеристика типов метаболизма
- •2.2. Общая характеристика энергетического метаболизма
- •2.2.1. Аэробное дыхание
- •2.2.2. Процессы анаэробного дыхания
- •Нитратное дыхание, или денитрификация
- •Сульфатное дыхание, или диссимиляционная сульфатредукция
- •Серное дыхание
- •Карбонатное дыхание
- •Анаэробное дыхание с использованием в качестве акцепторов электронов других неорганических ионов
- •Фумаратное дыхание и другие типы анаэробного дыхания с использованием органических веществ в качестве акцепторов электронов
- •2.2.3. Процессы брожения
- •Спиртовое брожение
- •Молочнокислое брожение
- •Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение
- •Пропионовокислое брожение
- •Брожение смешанного типа, или муравьинокислое брожение
- •2.2.4. Неполное окисление органических веществ микроорганизмами
- •2.2.5. Разложение микроорганизмами природных высокополимерных органических соединений
- •Разложение целлюлозы
- •Разложение гемицеллюлоз
- •Разложение крахмала и других глюканов
- •Разложение лигнина
- •Разложение пектиновых веществ
- •Разложение хитина и хитозана
- •2.2.6. Использование белков микроорганизмами
- •Аэробное расщепление аминокислот
- •Сбраживание аминокислот микроорганизмами
- •2.2.7. Использование микроорганизмами азотистых оснований
- •Анаэробное разложение (сбраживание) азотистых оснований
- •Аэробное окисление азотистых оснований
- •2.2.8. Окисление липидов и фосфолипидов микроорганизмами
- •2.2.9. Разложение углеводородов микроорганизмами
- •Разложение алканов (парафинов) микроорганизмами
- •Разложение ароматических углеводородов (аренов) микроорганизмами
- •2.2.10. Разложение ксенобиотиков микроорганизмами
- •2.2.11. Окисление неорганических соединений бактериями
- •Процесс нитрификации
- •Окисление восстановленных соединений серы
- •Окисление ионов железа
- •Окисление молекулярного водорода
- •Окисление оксида углерода
- •2.2.12. Использование микроорганизмами одноуглеродных соединений
- •2.2.13. Использование микроорганизмами солнечной энергии
- •Фотосинтез у прокариот
- •Глава 3. Конструктивный метаболизм микроорганизмов
- •3.1. Биосинтез аминокислот
- •3.2. Биосинтез нуклеотидов
- •3.3. Биосинтез липидов
- •3.4. Биосинтез углеводов
- •3.5. Биосинтез пептидогликана
- •Глава 4. Фиксация молекулярного азота (азотфиксация, диазотрофия) микроорганизмами
- •4.1. Биохимия азотфиксации
- •Глава 5. Биолюминесценция бактерий
- •Глава 6. Регуляция метаболизма у бактерий
- •6.1. Регуляция активности ферментов
- •6.2. Регуляция на уровне генов, или регуляция синтеза ферментов
- •Литература
- •Оглавление
3.5. Биосинтез пептидогликана
Пептидогликан муреин, образующий муреиновый мешок, – ригидный слой бактериальных клеточных стенок, который придает клеткам физическую прочность. У грамположительных бактерий муреиновый мешок многослойный, у грамотрицательных бактерий – однослойный. Пептидогликан состоит из углеводных цепей с присоединенными к ним пептидными цепочками. Углеводные цепи (гликан) образованы чередующимися остатками N-ацетилглюкозамина (N-АцГлю) и N-ацетил-мурамовой кислоты (N-АцМур), соединенными β-1,4-гликозидными связями. Остатки N-ацетилмурамовой кислоты через карбоксильную группу лактата соединены амидной связью с пептидными цепочками, которые перекрестно связывают между собой углеводные цепи. К типичным аминокислотам, входящим в состав пептидных цепочек пептидогликана, относятся L-аланин (L-Ала), Д-глутаминовая кислота (Д-Глу), мезо-диаминопимелиновая кислота (m-ДАП) или L-лизин (L-Лиз) и Д-аланин (Д-Ала) (рис. 53).
→ N-АцГлю → N-АцМур → N-АцГлю → N-АцМур →
L-Ала L-Ала
Д-Глу Д-Глу
m-ДАП ––Д-Ала m-ДАП ––
Д-Ала m-ДАП Д-Ала
Д-Глу
L-Ала
→ N-АцМур → N-АцГлю → N-АцМур → N-АцГлю →
L-Ала
Д-Глу
m-ДАП ––
Д-Ала
Рис. 53. Структура муреина
Синтез пептидогликана клеточной стенки бактерий включает биосинтез в цитоплазме активированных предшественников, их полимеризацию и перенос через цитоплазматическую мембрану. Поскольку для сборки пептидогликана снаружи цитоплазматической мембраны не могут быть использованы такие источники энергии, как АТФ, предшественники пептидогликана должны синтезироваться в активированной форме. В синтезе пептидогликана участвует в качестве кофактора специфическое соединение – ундекапренолфосфат.
Синтез мономерных компонентов пептидогликана муреина N-ацетил-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты начинается с аминирования фруктозо-6-фосфата у С2-атома с помощью глутамина с образованием глюкозамин-6-фосфата, который претерпевает N-ацети-лирование и затем мутазную реакцию, превращаясь в N-ацетил-глюкозамин-1-фосфат. Последний активируется при участии уридинтрифосфата (УТФ) с образованием УДФ-N-ацетилглюкозамина – строительного блока для синтеза муреина и псевдомуреина, а также липида А липополисахаридов. Вторым предшественником муреина является эфир ацетиленглюкозамина и молочной кислоты – N-ацетилмурамовая кислота. При синтезе N-ацетилмурамовой кислоты образуется простая эфирная связь между образованным УДФ-N-ацетилглюкозамином и фосфоенолпируватом с последующим восстановлением остатка фосфоенолпирувата до остатка молочной кислоты. Далее к карбоксильной группе остатка молочной кислоты УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с помощью амидной связи происходит последовательное присоединение аминокислотных остатков: L-аланина, Д-глутаминовой кислоты, мезо-диамино-пимелиновой кислоты или L-лизина и, наконец, двух остатков Д-аланина. Последние два остатка Д-аланина присоединяются вместе в виде Д-аланил-Д-аланина, образуемого из L-аланина, в реакциях, катализируемых аланинрацемазой и АТФ-зависимой Д-аланин-Д-аланинлигазой. Образование каждой амидной связи сопряжено с гидролизом АТФ для активации растущей цепи. В итоге синтезируется второй строительный блок для синтеза пептидогликана – УДФ-N-ацетилмурамовая кислота с присоединенным пентапептидом.
Связывание образованного комплекса УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с пентапептидом и УДФ-N-ацетилглюкозамина происходит на втором этапе синтеза пептидогликана на цитоплазматической мембране. Для осуществления этого гидрофильная молекула УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с пентапептидом сначала должна быть превращена в липофильную, что достигается путем замены уридиндифосфата (УДФ) кофактором ундекапренолфосфатом (ундек-Ф) в Мg2+-зависимой обратимой реакции:
УДФ-N-АцМур + ундек-Ф ↔ ундек-Ф-Ф-N-АцМур + УМФ
L-Ала L-Ала
Д-Глу Д-Глу
m-ДАП m-ДАП
Д-Ала Д-Ала
Д-Ала Д-Ала
Ундекапренолдифосфат
N-ацетилмурамовая
кислота
В результате этой реакции обмена становится возможным перенос готового компонента пептидогликана через цитоплазматическую мембрану на ее периплазматическую сторону с помощью липидного переносчика ундекапренолфосфата. На третьем этапе происходит встраивание образованных комплексов дисахарид-пентапептид, связанных с ундекапренолдифосфатом, в пептидогликановый скелет и образование пептидных связей. Эта поперечная сшивка осуществляется путем транспептидирования с участием фермента трансамидазы. При этом расщепляется связь между двумя остатками Д-аланина и осовободившаяся карбоксильная группа связывается с аминогруппой мезо-диаминопимелиновой кислоты или L-лизина второго олигопептида, а концевой Д-аланин освобождается. При встраивании освобождается также ундекапренолдифосфат; он подвергается гидролизу и получающийся ундекапренолмонофосфат используется в следующем цикле.
Архебактерии отличаются по строению клеточной стенки от эубактерий, кроме того, ее состав различен у разных групп архебактерий. Для некоторых метаногенных бактерий характерно наличие в клеточной стенке не пептидогликана муреина, а псевдомуреина. Различия между псевдомуреином и муреином состоят в следующем:
• в состав псевдомуреина входят только L-аминокислоты;
• вместо N-ацетилмурамовой кислоты псевдомуреин содержит N-ацетил-L-талозоминуровую кислоту;
• в процессе синтеза псевдомуреина происходит образование УДФ-ди-сахарида, в котором УДФ-N-ацетилглюкозамин соединен с N-ацетил-талозоминуровой кислотой β-3,1-, а не β-1,4-связью;
• далее к УДФ-дисахариду присоединяются L-аминокислоты, образующие пентапептид (L-глу, L-ала, L-лиз, L-глу, L-ала). Для образования амидной связи между первой аминокислотой олигопептида (L-глута-матом) и уроновой кислотой глутамат активируется УДФ. Далее происходит последовательное присоединение молекул УДФ-L-глутамата с образованием УДФ-пентапептида. Добавление каждого нового аминокислотного остатка к растущему УДФ-олигопептиду требует АТФ-зависимой активации карбоксильной группы последнего аминокислотного остатка в цепочке.