Катаболизм прокариот

Жизнь прокариот, как и любых других организмов, определяется наличием энергии. Из всех внешних источников энергии для живых организмов доступны только два вида: электромагнитная и химическая энергия окисления восстановленных соединений. Растительные организмы для жизнедеятельности используют как электромагнитную энергию, так и химическую энергию дыхания. Животные получают энергию исключительно в процессе дыхания.

Для прокариот характерны весьма различные способы получения энергии. Так, наиболее древняя группа анаэробных прокариот довольствуется химической энергией процессов брожения. Большинство прокариот получают энергию в реакциях аэробного окисления самых различных органических соединений. Однако среди них имеются анаэробы, способные переходить от аэробного окисления органических веществ субстрата к анаэробному нитратному или сульфатному дыханию. Высокоспециализированные группы хемолитотрофных микроорганизмов используют химическую энергию реакции аэробного окисления неорганических веществ (Н_2, NH₄⁺, NO₂^-, H₂S, Fe²⁺ и др.). Наконец, сине-зеленые водоросли и фотосинтезирующие бактерии утилизируют как электромагнитную энергию, так и химическую энергию реакций окисления различных органических и неорганических восстановленных соединений.

Энергия, получаемая прокариотами, аккумулируется клеткой в высокоэнергетических соединениях с фосфатной связью: производные фосфорной кислоты – аденозинтрифосфат (АТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и др., а также с тиоэфирной связью: производные карбоновых кислот – ацетил-коэнзим А (ацетил-К₀А). Ключевым соединением в реакциях переноса энергии в процессах метаболизма является аденозинтрифосфат (АТФ).

При отщеплении одного из остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ с образованием АДФ освобождается значительное количество энергии:

АТФ→ АДФ + Ф_н + 31,8 кДж/моль

И наоборот, присоединение фосфорной кислоты к АДФ в реакциях фосфорилирования с образованием АТФ сопровождается аккумуляцией энергии.

Цепь переноса электронов. ЦПЭ. Ферменты цепи переноса электронов. Отщепление и перенос водорода или электронов от окисляемого субстрата на конечный акцептор осуществляется через последовательную цепь дыхательных ферментов, получивших название цепи переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательной цепи.

В клетках аэробных и анаэробных прокариот наиболее обширную группу дыхательных ферментов составляют дегидрогеназы, катализирующие дегидрирование субстратов. Коферментами дегидрогеназ выступают пиридиннуклеотиды – никотинамидаденинуклеотид (НАД) и флавопротеиды (ФП) – флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН).

Вторую группу дыхательных ферментов составляют цитохромы b, c, a и a₃, коферменты которых представлены железопорфиринами. Звено цитохромов осуществляет перенос электронов по дыхательной цепи от дегидрогеназ на конечный акцептор – молекулярный кислород либо на нитраты или сульфаты.

Помимо вышеуказанных групп дыхательных ферментов в мембранной системе прокариот обнаружены хиноны типа убихинона и менахинона.

Расположение ферментов в дыхательной цепи определяется их окислительно-восстановительным потенциалом. Чем ниже окислительно-восстановительный потенциал фермента, тем в большей степени он является восстановителем и тем ближе он расположен к субстрату. Порядок расположения ферментов в цепи переноса электронов приблизительно таков: НАД – дегидрогеназы→ ФАД – или ФМН – дегидрогеназы→ убихинон →цитохромы d→ c→ a→ a₃.

В полной дыхательной цепи при переносе водорода и электронов между НАД-дегидрогеназой и конечным акцептором образуются три молекулы АТФ.

Разные группы прокариотных организмов характкризуются разным уровнем организации дыхательной цепи. Так, в клетках первично анаэробных хемоорганотрофных микроорганизмов, ведущих процессы брожения, обнаружены только НАД-зависимые дегидрогеназы. Наиболее полно дыхательная цепь сформирована у фотосинтезирующих прокариот. Все анаэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы имеют более или менее полную систему ферментов электронного транспорта. Однако у разных физиологических групп микроорганизмов дыхательные цепи отличаются по составу промежуточных ферментов – переносчиков и терминальным цитохромом (цитохромоксидаза или редуктаза).

Брожение. Пути превращения глюкозы в ПВК. Общая характеристика процессов брожения

Брожение – эволюционно наиболее древний и примитивный способ получения энергии, характерный для некоторых групп прокариот. Основные типы брожения – спиртовое, молочнокислое и масляное – открыты Л. Пастером в 1861 г., хотя продукты брожения были известны человеку с незапамятных времен.

Процессы брожения протекают в анаэробных условиях без участия молекулярного кислорода за счет окислительно-восстановительных превращений органических соединений субстрата и сопровождаются выделением незначительного количества энергии.

В качестве исходного субстрата в процессах брожения микроорганизмы используют самые разнообразные органические вещества – углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Конечным продуктом брожения обычно являются органические кислоты (молочная, уксусная, янтарная и др.), спирты (этиленовый, пропиловый, бутиловый), ацетон, СО₂ и Н₂. По выходу основного конечного продукта выделяют различные типы брожения: молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое и др.

В любом процессе брожения можно выделить две стадии: окислительную и восстановительную.

Первая, окислительная стадия заключается в серии последовательных реакций, ведущих к образованию пировиноградной кислоты из углерода. У разных групп микроорганизмов установлены три пути превращения глюкозы в пировиноградную кислоту – (ПВК). Первый, наиболее распространенный путь, получил название гликолиза или схемы Эмбдена – Мейергофа – Парнаса (ЭМП). Второй путь характерен только для некоторых бактерий и известен как схема Энтнера – Дудорова. Третий, пентозофосфатный путь также показан для многих бактерий.

Гликолиз начинается с реакции фосфорилирования глюкозы, в результате образуется глюкозо-6-фосфат. Последний изомеризируется во фруктозо-6-фосфат, который подвергается вторичному фосфорилированию в положении – 1. Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется ферментом фруктозо-1,6-дифосфатальдолазой на две триозы: фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА).

На вышеуказанные подготовительные реакции превращения глюкозы в две молекулы 3-ФГА затрачивается энергия двух молекул АТФ.

Важным этапом гликолиза является окисление 3-фосфоглицеринового альдегида до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК).

Дегидрирование 3-ФГА и является окислительной реакцией дающей энергию. В последующей реакции происходит перенос остатка 3-ФГА вместе с макроэргической связью на фосфорную кислоту, что приводит к образованию 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и исходной формы фермента.

1,3-дифосфоглицериновая кислота – высокоэнергетическое соединение, содержащиее макроэргическую фосфатную связь у первого углеродного атома, - реагпрунт с АДФ, отдавая высокоэнергетическую фосфатную группу, в результате чего синтезируется молекула АТФ. Энергия, освободившаяся при окислении 3-ФГА, путем субстратного фосфорилирования оказывается аккумулирована в молекуле АТФ. Далее изомеризуется в 2-фосфоглицнриновую кислоту (2-ФГК).

Молекула ФЕП – второе высокоэнергетическое соединение, которое с помощью фермента пируваткиназы передаёт фосфатную группу на АДФ. Так в результате второго субстратного фосфолирирования образуется еще одна молекула АТФ. Далее ФЕП самостоятельно превращается в более устойчивую форму – пировиноградную кислоту. На стадии образования пировиноградной кислоты заканчивается гликолитический цикл превращения углеводов.

В реакциях гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 молекулы НАД • Н₂ и 4 молекулы АТФ, из которых 2 синтезируются при окислении двух молекул 3-ФГА и 2 при дегидратации двух молекул 2-ФГК. Общий энергетический эффект реакции гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы.

Второй путь расщепления углеводов, путь Энтнера – Дудорова, у прокариот встречается реже, чем другие. Он характерен для некоторых псевдомонад и уксуснокислых бактерий. Этот путь обеспечивает прокариотам использование глюконовой, маннановой, гексуроновой кислоты. В качестве конечного продукта образуются 1 молекула пировиноградной кислоты и 3-фосфоглицериновый альдегид. На 1 молекулу сброженной в этом пути синтезируется 1 молекула АТФ. Путь Энтнера – Дудорова является самым кратчайшим механизмом расщепления углеводов до пировиноградной кислоты.

Третий, пентозофосфатный путь расщепления углеводов, или путь Варбурга – Диккенса – Хорекера, характерин для всех видов бактерий семейства Enterobacteriaceae, а также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых бактерий.

Конечными продуктами сбраживания гексоз в пентозофосфатном цикле являются рибозо-5фосфат и 3-ФГА.

В реакции дегидрирования глюкозо-6-фосфата образуются 2 молекулы НАДФ • Н₂, которые необходимы клетке для восстановленых реакций биосинтеза:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ⁺ рибозо-5-фосфат + СО₂ + 2НАДФ • Н₂.

Особенность этой реакции заключается в том, что в ней в качестве акцептора водорода выступает никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). С энергетической стороны этот путь сбраживания углеводов в два раза менее эффективен, чем гликолитический, так как на 1 молекулу глюкозы образуется только 1 молекула АТФ.

Все вышерассмотренные пути превращения углеводов в анаэробных условиях, встречающиеся у прокариот, заканчиваются образованием в качестве основного промежуточного продукта пировиноградной кислоты. В дальнейшем пировиноградная кислота в зависимости от ферментативных особенностей микроорганизма, ведущего брожение, превращается в различные соединения. Ниже рассмотрим несколько конкретных примеров различных брожений.