40.Типы энергетического метаболизма у бактерий.

По отношению к энергетическим источникам на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Хемотрофные микроорганизмы используют для синтеза молекул АТФ энергию, освобождаемую при химических реакциях, фототрофные – световую энергию в процессе фотосинтеза. Образование молекул АТФ из АДФ может происходить двумя способами:

1)фосфорилирование в дыхательной или фотосинтетической ЭТЦ. Этот процесс у прокариот связан с мембранами или их производными, поэтому его называют М Ф-ем. При участии АТФ-синтазы: АДФ + Фн → АТФ;

2)фосфорилирование на уровне субстрата. При этом фосфатная группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого энергией, чем АТФ (субстратное фосфорилирование-СФ):

R ~ Ф + АДФ → R + АТФ.

У хемотрофов генерация Е в мол-ах АТФ сводится к 2 типам б/х реакций: окисления и восстановления. Окисляться м/о могут самые разнообразные орг. и неорг. ве-ва. Эти ве-ва - доноры электронов. Поскольку электроны не м. самостоятельно существовать, они обязательно д. б. перенесены на молекулы, способные их воспринимать, т.е. восстанавливаться. Эти молекулы - акцепторы электронов. Окисление субстратов происходит путём переноса электронов от донора к акцептору. При биологическом окислении чаще всего происходит одновременный перенос 2 эл-нов; при этом от субстрата отщепляются также 2 Н⁺ - это дегидрирование. У хемотрофов различают 3 типа Е м-зма: 1)аэробное дыхание или аэробное окисление; 2)анаэробное дыхание; 3)брожение.

Основным процессом энергетического метаболизма многих прокариот является аэробное дыхание, при кот. донором Н / эл-нов явл. орг. (реже неорг.) ве-ва, а конечным акцептором – О₂. Осн. кол-во Е при аэробном дыхании образуется в ЭТЦ, т.е. в результате М Ф-я. Анаэробное – цепь анаэробных ОВР, кот. сводятся к окислению орг. / неорг. субстрата с исп. в качестве конечного акцептора эл-нов не О₂, а др. неорг. ве-в (нитрата – NO3 ^-, нитрита – NO2^- , сульфата – SO4^2-, сульфита – SO3^2-, CO2 и др.), а также орг. ве-в (фумарата и др.). АТФ образуется в ЭТЦ, т.е. в → р-ий М Ф-я, но в количестве <, чем при 1).

Брожение – совокупность анаэробных ОВР, при кот. орг. соед-ия служат как донорами, так и акцепторами эл-ов. К.пр., доноры и акцепторы эл-ов образуются из 1 и того же субстрата, подверг-ся брожению (например, из углевода). Сбраживанию м. подвергаться различные субстраты, но лучше др. - углеводы. АТФ при брожении синтезируется в → р-ий С Ф. Самое Е невыгодное – минимум Е.

У б. 3 пути катаболизма глюкозы: 1) гликолиз; 2) окислительный ПФП; 3) путь Энтнера-Дудорова.

Все начинаются с того, что глюкоза в клетке сначала фосфорилируется при участии гексокиназы и АТФ как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат, кот. представляет метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит исходным пунктом для любого из 3 путей. Наиболее распространённый - гликолиз. При этом глюкозо-6-фосфат изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы и фосфорилируется далее в фруктозо-1,6-дифосфат, кот. затем расщепляется на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДОА). ФДОА под действием триозофосфатизомеразы → в 3-ФГА. Т.о., 1 мол. глюкозы → 2 молекулы 3-ФГА. На реакции превращения глюкозы в 3-ФГА затрачивается Е 2 АТФ. Далее - окисление каждой мол. 3-ФГА до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК). 1,3-ФГК – высокоэнергетическое соединение, содержащее макроэргическую фосфатную связь, – реагирует с АДФ (фермент фосфоглицераткиназа), отдавая эту группу, в результате чего синтезируется молекула АТФ. Т.о., Е, освободившаяся при окислении 3-ФГА, путём СФ оказывается аккум-ой в молекуле АТФ. Образуется 3-ФГК. Далее 3-ФГК под действием фосфоглицеромутазы в → 2-ФГК, из кот. в результате отщепления воды образуется фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП). Это также высокоэнергетический фосфат, с которого эта группа переносится пируваткиназой на АДФ, образуется молекула АТФ и ПВК. Это 2-ое фосфорилирование на уровне субстрата. Т.о., при распаде 1 молекулы глюкозы → 4 АТФ, в кот. аккум-ся освободившаяся при гликолизе Е. Поскольку в самом начале процесса на активирование глюкозы были израсходованы 2 АТФ, чистый выход АТФ на 1 молекулу глюкозы - 2 молекулы. С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Фн + 2НАД →2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2НАД*Н₂.

Пентозофосфатный путь характерен для нек. Enterobacteriaceae, а также для гетеро-молочнокислых и нек. маслянокислых б. В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путём активирования глюкозы молекулой АТФ, → ч/з ряд промежуточных р-ий в 6-фосфоглюконовую к-ту, кот. подвергается окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата, СО₂ и НАДФ*Н2. Рибулозо-5-фосфат включается в сложный цикл, → к обр. из его 2 молекул глюкозо-6-фосфата и 1 молекулы 3-ФГА. Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл. А 3-ФГА превращается гликолитическим путём в ПВК. С Е точки зрения этот путь в 2 раза < эффективен, чем гликолиз, т.к. на 1 молекулу

глюкозы → только 1 молекула АТФ. Большое значение в том, что он обеспечивает клетки бактерий пентозами (рибулозо-5-фосфат), кот. - предшественники нуклеотидов и НК. + обр. 2 мол НАДФ*Н2, которые необходимы клетке для восстановительных реакций биосинтеза.

Путь Энтнера-Дудорова встречается у прокариот реже, чем др. Он характерен в основном для Ps. и уксуснокислых б. От ПФП он отличается тем, что 6-фосфоглюконовая к-та → в ПВК и 3-ФГА. 3-ФГА гликолитическим путём также → в ПВК. Из 1 молекулы глюкозы → 1 молекула АТФ, 1 молекула НАДФ*Н2 и 1 молекула НАД*Н2. Самый кратчайшим механизм расщепления С до ПВК. Т.о., важнейший продукт - ПВК, которая подвергается дальнейшим превращениям. Пируват занимает центральное положение в промежуточном метаболизме и м. сл. предшественником многих продуктов.

1) Аэробное дыхание. ПВК, образующаяся одним из 3 путей, окисляется до ацетил-КоА. Тут А пируватдегидрогеназы: CH3-CO-COOH + KoA~SH + HAД⁺→ CH3-CO~KoA + НАД*Н2 + CO2.

Ацетил-КоА - исходный субстрат ЦТК (ц. Кребса). В ц. Кребса включается 1 мол. ацетил-КоА, кот. + с оксалоацетатом (катализируется цитратсинтетазой). Продукты р-ии - лимонная к-та и свободный КоА. Цитрат с помощью аконитазы → в цис-акотиновую и изолимонную к-ты. Изолимонная к-та ч/з щавелевоянтарную к-ту → в α-кетоглутаровую к-ту, кот. подвергается дальнейшему декарбоксилированию. В итоге окисление ацетил-КоА в ЦТК даёт: 2 молекулы СО₂, 1 молекулу АТФ и 8 атомов Н, из них 6 атомов Н на уровне пиридиннуклеотидов и 2 атома – на уровне флавопротеинов. Т.о., ЦТК выполняет ф. конечного окисления орг. в-в. + клетку различными предшественниками (оксалоацетат, сукцинат, α-кетоглутарат и др.). У нек. б. он «разорван». Наиболее часто нету Ф этапа → α-кетоглутаровой к-ты в янтарную. В таком виде ЦТК не м. функционировать в системе энергодающих механизмов клетки. Осн. ф. «разорванного» ЦТК – биосинтетическая. НАД*Н2 и ФАД*Н2, образовавшиеся на разных этапах окисления орг. в-в, поступают в дыхательную цепь (ДЦ), кот. у б. находится в ЦМ, а у эукариот в М митохондрий. В ДЦ НАД*Н2 и ФАД*Н2 вновь окисляются до НАД и ФАД, а отщепившийся от них Н передаётся не <чем ч/з 5 переносчиков к концу цепи, где + с О₂, образуя воду.

Переход Н по ДЦ состоит из ряда ОВР. В нек. из этих реакций выделяется достаточно Е для образования АТФ, и такой процесс носит название окислительного фосфорилирования (ОФ). В реакциях ОФ принимает участие специальная АТФ-синтаза, кот. катализирует → АДФ в АТФ. ДЦ м/о состоят из важнейших локализованных в М переносчиков атомов Н / эл-нов: флавопротеины, железосерные белки, хиноны и цитохромы.

Флавопротеины – коферменты, в состав которых входит витамин В2. В качестве простетических групп в них выступают флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД). Флавопротеины осуществляют перенос атомов Н, т.е. являются дегидрогеназами. Дегидрогеназа, содержащая в качестве простетической группы ФМН, является НАДФ*Н2-дегидрогеназой. Это стартовый переносчик ДЦ, она осуществляет перенос Н с НАДФ*Н2 на последующие компоненты ДЦ. Дегидрогеназа, содержащая в качестве простетической группы ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной к-ты в фумаровую. Атомы Н от ФАД*Н2 поступают сразу на хинон.

Железосерные белки (FeS-белки) содержат железосероцентры, в кот. атомы железа св., с 1 стороны, с серой а.к. цистеина, а с другой – с неорг. сульфидной серой. Железосероцентры входят в состав некоторых флавопротеинов, например сукцинатдегидрогеназы и НАДФ.Н2 - дегидрогеназы, или же служат в качестве единственных простетических групп Б. ДЦ содержат большое число FeS-центров. Железосероцентры в зависимости от строения могут осуществлять одновременный перенос 1 или 2 электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.

Хиноны – жирорастворимые соединения. У грам- б. хиноны представлены убихиноном (кофермент Q) или менахиноном. Хиноны липофильны и поэтому локализуются в липидной фазе М. Они переносят атомы Н. По сравнению с др. компонентами ДЦ они содержатся в 10 – 15-кратном избытке. Они служат «сборщиками» Н, поставляемого различными коферментами и простетическими группами в ДЦ, и передают его цитохромам. Т.о., они А в ДЦ на участке между флавопротеинами и цитохромами.

Цитохромы принимают участие на заключительном этапе цепи переноса эл-нов, Н они не транспортируют. К цитохромам эл-ны поступают от хинонов. В качестве простетической группы цитохромы содержат гем. Цитохромы окрашены; Различают цитохромы а, а3,b,c,o и др. Наиболее широко - цитохром с. Почти у всех, обладающих ДЦ. Конечные цитохромы ДЦ – это цитохромы а+а3 или цитохромоксидаза. Они передают эл-ны на О₂, т.е. катализируют восстановление О₂ до воды. В реакционном центре цитохромоксидазы содержатся помимо 2 гемов 2 атома меди. Т.о., ДЦ построена так, что одни компоненты ее переносят только атомы Н, а др. – только эл-ны. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов Н, а FeS-белки и цитохромы – эл-нов. Переносчики атомов Н и переносчики эл-нов последовательно чередуются в ДЦ. По составу ДЦ различаются у разных м/о.

2) Анаэробное дыхание. При анаэробном дыхании конечным акцептором эл-нов в ЭТЦ – неорг. / орг. соединения, но не О₂. Если конечными акцепторами эл-нов является SO4^2-, то процесс называют сульфатным дыханием, а б. – сульфатредуцирующими. Если - NO3^- и NO2^-, то нитратное дыхание / денитрификацией, а б. – денитрифицирующие. Если - СО2, то - карбонатным дыханием, а б. – метанобразующие. Если - фумарат, то - фумаратное дыхание. Б., способные к анаэробному дыханию, имеют укороченные ЭТЦ или ДЦ, т.е. они не содержат всех переносчиков. + в ДЦ анаэробов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. У строгих анаэробов не функционирует ц. Кребса или же он разорван и выполняет только биосинтетические функции, но не Е. Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе М Ф-ия. По отношению к О₂ б. – факультативные (денитрифицирующие б. и б., осуществляющие фумаратное дых.) / облигатные (сульфатвосстанавливающие и метанобразующие) анаэробами. Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном дыхании, но больше, чем при брожении. Основные типы:

Нитратное дыхание - конечные акцепторы эл-нов - нитраты (NO3^-) / нитриты (NO2^-). В результате нитратного дыхания происходит восстановление NO3^- / NO2^- до газообразных продуктов (NО, N2О или N2). Способны только бактерии, у эукариот этот процесс не происходит.

Сульфатное - процесс окисления в анаэробных условиях субстрата (орг. соед. / Н₂), при кот. конечный акцептор эл-нов - сульфат (SO4^2-). Происходит его восстановление до H₂S. Б. - сульфатредуцирующие. Карбонатное - процесс окисления Н₂, при кот. конечный акцептор эл-нов - СО₂. Б. - метанобразующие.Фумаратное – отличается: роль конечного акцептора эл-нов в ДЦ – орг. в-во (фумаровая к-та); +этот способ запасания Е не является единственным для к.-л. гр б. Б., способные осуществлять это дых., являются хемоорганотрофами и им. способность к брожению. Это дополнительный механизм, позволяющим бактериям добывать повышенное количество энергии в анаэробных условиях.

3)Брожение – это способ получения Е, при кот. АТФ образуется в процессе анаэробного окисления орг. субстратов в реакциях СФ. При брожении продукты расщепления одного орг. субстрата м. одноt служить и донорами и акцепторами эл-нов. При сбраживании углеводов и ряда других в-в образуются (по отдельности или в смеси) этанол, молочная, муравьиная, янтарная к-ты, ацетон, СО₂, Н₂ и др. В зависимости от того какие продукты преобладают / являются особенно характерными различают спиртовое, молочнокислое (гетеро: лактат, спирт, СО₂; гомоферментативное: тока лактат), муравьинокислое (муравьиная к-та, мало, но обр. только тут), маслянокислое (с. выгодное 3,3АТФ из 1 глю), пропионовокислое и другие типы брожения.

41.Общая характеристика способов генетического обмена у бактерий. Наряду с бесполым способом передачи генов от предков к потомкам существует и парасексуальный процесс передачи генетического материала (горизонтальный перенос генов), который отличается от полового размножения тем, что здесь не происходит слияние двух половых клеток (гамет) и образования зиготы. При парасексуальном процессе из клетки-донора в клетку-реципиента передается часть генетического материала (хр.), в результате образуется неполная зигота или мерозигота. Затем переданный фрагмент хр. донора спаривается с хр. реципиента и происходит рекомбинация. За рекомбинацией следует процесс репликации ДНК и деления клетки, в результате возникают клетки, содержащие только рекомбинантную хр. (рекомбинанты). Существуют три основных способа обмена генетической информацией. Отличаются друг от друга способом транспортировки ДНК. Трансформация – это процесс переноса генетической информации, при котором ДНК, выделенная из клетки-донора, поступает в клетку-реципиент. Начальным этапом генетической трансформации является необратимая адсорбция ДНК на поверхности клетки и поглощение этой ДНК. К необратимой адсорбции и поглощению ДНК способны лишь клетки бактерий, находящиеся в состоянии компетентности. Последующие этапы, как и при других парасексуальных процессах, связаны с рекомбинацией трансформирующей хромосомной ДНК донора с хромосомой реципиента и пострекомбинационными событиями. Рекомбинанты - трансформанты. Количество переносимой при трансформации ДНК = в ср. ок. 10 т.п.о. Генетическая трансформация у бактерий может осуществляться не только хромосомной, но и плазмидной ДНК. Может происходить и за счет ДНК, спонтанно вышедшей из клетки. Это естественная трансформация. Выход ДНК из клетки обусловлен г.о. аутолизом. Т.о., при естественной трансформации бактерия-донор ДНК обязательно погибает. Один из механизмов горизонтального переноса генов в природных условиях. Трансдукция – это перенос генетической информации (хр. генов или плазмид) от клетки-донора к клетке-реципиента, который осуществляется б/фагами. Хр. гены или плазмиды должны упаковаться в головку б/фага; выйти, в составе этой фаговой частицы, из лизированной клетки-донора; попасть в клетку-реципиент при новом акте заражения. Белковый капсид фаговой головки предохраняет находящуюся в ней ДНК от разрушения внеклеточными нуклеазами. В этом отношении трансдуцирующая ДНК более «сохранна», чем «голая» ДНК при трансформации. Поскольку адсорбция хвостового отростка фага к рецепторам поверхности клетки видоспецифична, то перенос генетического материала при трансдукции может происходить г.о. у близкородственных бактерий. При трансдукции размеры переносимого фрагмента ДНК определяются размерами головки б/фага. Различные фаги могут переносить от 20 до 40 т.п.о. ДНК. Т.о., при трансдукции передаются как единичные признаки, как и сцепленные маркеры. Рекомбинанты-трансдуктанты. Конъюгация - процесс генетического обмена, сопровождающийся переносом генетической информации от клетки-донора к клетке реципиента, который осуществляется при непосредственном контакте клеток между собой. При конъюгации перенос генетического материала обеспечивается конъюгативными плазмидами, такими как плазмида F у бактерий E.coli. Конъюгативные плазмиды содержат tra-гены, ответственные за перенос генетического материала. Ряд tra-генов определяет синтез половых пилей; другие отвечают за перенос самой плазмиды или мобилизацию переноса хр. ДНК из клетки в клетку. Передача плазмиды или хр. начинается с однонитевого разрыва в области оriT плазмиды. Для того, чтобы произошла передача хромосомных генов плазмида F (или др. конъюгативная плазмида) должна интегрироваться в хр. Разорванная в области оriT нить ДНК разматывается, и ssДНК, начиная с 5'-конца, переносится в реципиентную клетку. Одновременно на обеих нитях пл. и хр. ДНК – и той, которая остается в донорной клетке, и той, которая поступила в клетку-реципиент, – синтезируется комплементарная нить. Благодаря этому в клетке-доноре восстанавливается целостность хр. и F-плазмиды. Заключительной стадией передачи F-плазмиды является рециркуляризация ее ДНК в клетке-реципиенте, а передачи хр. ДНК – рекомбинация ее с хр. реципиента. Процесс переноса хр. генов при конъюгации может осуществляться также при участии содержащихся в хр. конъюгативных транспозонов. Такие транспозоны кроме генов, отвечающих за транспозицию и генов, детерминирующих фенотипические признаки, несут tra-гены, похожие на соответствующие гены конъюгативных плазмид. Конъюгативные транспозоны могут выщепляться из хр., образовывать плазмидоподобные структуры и, как и конъюгативные пл., индуцировать перенос мелких плазмид в клетку партнера, а также самим переходить в нее. Это наилучший механизм в любой среде обитания бактерий. Конъюгировать могут бактерии, весьма далекие в систематическом отношении. Плазмиды, осуществляющие конъюгацию между неродственными бактериями и успешно поддерживающиеся в них, как мы уже отмечали, называют плазмидами широкого круга хозяев. Количество переносимой ДНК при конъюгации больше, чем при трансформации и трансдукции. В «мягких» условиях скрещивания может переноситься вся хр. Рекомбинанты - трансконъюганты.

Общим для всех способов обмена генетической информацией у бактерий является следующее:

1. Процесс переноса ДНК всегда односторонний или однонаправленный, от донорных бактерий к реципиентным.

2. Не наблюдается полного обмена генетической информацией. Образуется мерозигота:

Состояние мерозиготы не длительное. Экзогенота должна встроится в эндогеноту. Если этого не происходит, то экзогенота элиминируется эндонуклеазами клетки-реципиента.

3. Процесс переноса должен закончится рекомбинацией.

Слияние бактериальных протопластов или сферопластов. Это так называемый искусственный обмен генетической информацией, так как здесь участвуют не интактные клетки, а протопласты или сферопласты. Сначала получить протопласты или сферопласты из клеток обоих родителей, а затем смешать и индуцировать их слияние путем обработки ПЭГ. Первичный продукт такого слияния – клетка, объединяющая в себе геномы обоих родительских клеток. Слившиеся протопласты или сферопласты высевают на специальные среды, на которых создаются условия для регенерации их в морфологически полноценные клетки. В процессе последующей рекомбинации возникают стабильные рекомбинанты, обладающие некоторыми признаками обоих родительских штаммов. Метод слияния протопластов или сферопластов пока успешно применяется только в отношении грамположительных бактерий. В последнее время разработаны условия для слияния сферопластов таких грамотрицательных бактерий, как Pseudomonas, Erwinia и др. В отличие от конъюгации, трансформации и трансдукции, при которых ДНК передается от донора реципиенту, перенос генетической информации при слиянии протопластов или сферопластов не носит однонаправленного характера, родительские клетки равноценны. генетического обмена у бактерий. Бактерии не нуждаются в партнерах. У них нет полового размножения, а есть бесполое. Есть горизонтальный перенос генов: из клетки донора в клетку реципиента переходит часть генетического материала, образуется неполная зигота (метазигота). Хромосомы донора + хромосомы реципиента. Происходит рекомбинация, деление клети, и образуются клетки рекомбинанты.

3 способа обмена генетической информации:

Трансформация – процесс переноса генетической информации, при котором ДНК из клетки донора идет в клетку реципиента.

Трансдукция – процесс переноса генетической информации при участии бактериофагов. Фрагменты хромосомы упаковываются в головку бактериофага, в ней выходят из клетки донора и попадают в клетку реципиента.Существует общая и специфическая трансдукция. Общая трансдукция – происходит перенос любых фрагментов хромосомы, а бактериофаги являются только переносчиками. При специфической трансдукции происходит перенос определенных участков хромосом. Бактериофаги являются не только переносчиками, а иногда их геном включается в клетку донора. Происходи лизогенизация.

При трансдукции фаги переносят от 20 до 40 п.н., это зависит от размера головки бактериофага.

Конъюгация – генетический обмен информацией, при котором осуществляется непосредственный контакт между клетками. Это происходи с помощью половых пилей на поверхности донорной клетки, которые обеспечиваются конъюгативными плазминами (F у E.coli). Тут содержится tra-область, в которую входит несколько оперонов. Они обеспечивают синтез половых пилей, конъюгативный перенос и все последующие события.

Общее для всех способов: процесс односторонний,полного обмена чаще всего нет (образуется мерозигота), для образования рекомбинантного потомства, должна происходить рекомбинация.