Энергетический обмен у микроорганизмов

Описанные выше процессы конструктивного обмена – синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматиче-скую мембрану и многие другие процессы жизни – протекают с затратой энергии.

Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.

У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия, улавливаемая фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию, обеспечивающую энергетические потребности клетки.

Источником энергии для биосинтеза клеточных веществ из СО₂ у хемоавтотрофов является химическая энергия, высвобождаемая в результате окисления кислородом воздуха неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.).

Хемоорганотрофы (хемогетеротрофы) получают энергию в процессах окисления органических соединений.

Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы гетеротрофами, но не всеми. Одни окисляют многие органические вещества, другие – лишь небольшой набор их, имеются и такие, которые проявляют большую специфичность по отношению к энергетическому материалу.

Поскольку возбудители порчи пищевых продуктов и используемые при переработке пищевого сырья обносят к хемооргано-трофам, их энергодающие процессы и рассматриваются ниже.

Окисление органических веществ может происходить различными путями:

1. Прямым, т. е. присоединением к веществу кислорода.

2. Непрямым, т. е. дегидрогенерированием (отнятием водорода). Отнятый от окисляемого вещества водород переносится на другое вещество, которое при этом восстанавливается.

3. Путем переноса электронов (е~) от одного вещества к другому. Вещество, теряющее электроны, окисляется, а присоединяющее их – восстанавливается.

Вещество, отдающее водород (электроны), называется донором, а вещество, присоединяющее их, – акцептором.

Биологическое окисление (в клетках) органических веществ происходит чаще путем дегидрогенерирования. Так как атом водорода состоит из протона (Н⁺) и электрона (е~), перенос водорода с одного вещества на другое включает и перенос электрона.

Перенос водорода (электрона) от подвергающегося окислению вещества к акцептору осуществляется различными окислительно-восстановительными ферментами.

Реакцию окисления – восстановления можно изобразить следующим образом:

Конечным акцептором водорода может быть кислород воздуха или другое вещество, способное восстанавливаться.

В зависимости от конечного акцептора водорода хемоорганотрофные микроорганизмы делят на две группы:

аэробы, окисляющие органические вещества с использованием молекулярного кислорода, который и является конечным акцептором водорода;

анаэробы, которые в энергетических процессах не используют кислород. Конечными акцепторами водорода служат органические или неорганические соединения.

Аэробные микроорганизмы

Многие аэробные микроорганизмы, к которым относят грибы, некоторые дрожжи и многие бактерии, подобно высшим организмам (растениям, животным), окисляют органические вещества полностью до минеральных веществ – углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.

В качестве энергетического материала в процессе дыхания микроорганизмы часто используют углеводы. При этом сложные (ди-, три- и полисахариды) ферментативным путем гидролизу-ются до моносахаров, которые и подвергаются окислению.

Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

Как видно из уравнения, при полном окислении глюкозы освобождается вся потенциальная (свободная) энергия молекулы глюкозы.

Приведенное уравнение характеризует процесс в суммарном виде, показаны лишь исходный и конечные продукты окисления.

Однако процесс этот многоэтапный и протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов. Обязательным промежуточным продуктом в процессе биологического окисления глюкозы является пировиноградная кислота.

Известно несколько путей расщепления глюкозы до этого важнейшего промежуточного продукта. Одним из таких путей является распад глюкозы, называемый гликолитическим. Он довольно универсален и свойствен многим аэробным и анаэробным микроорганизмам (рис. 20).

1. Первым этапом является активирование глюкозы путем φ о с φ ο ρ и -лирования при участии АТФ и фермента фосфотрансферазы (гексоки-назы). К молекуле глюкозы от молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) присоединяется концевой фосфатный остаток, обладающий макроэргической (со) связью. Образуется глюкозо-6-фосфат, а АТФ превращается в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ).

2. Глюкозо-6-фосфат путем изомеризации при участии фермента глюкозофосфатизомеразы переходит во фруктозо-6-фосфат.

3. Фруктозо-6-фосфат затем фосфорилируется за счет АТФ при участии соответствующей фосфотрансферазы (фосфофруктокиназы). Образуется фруктозо-1,6-дифосфат, а АТФ превращается в АДФ. Вторичное фос-форилирование молекулы гексозы приводит к ее дальнейшему активированию.

4. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется при участии фермента альдо-лазы на две молекулы фосфотриоз. Одна из них — фосфодиоксиацетон, другая — фосфат глицеринового альдегида. Оба эти вещества легко могут превращаться друг в друга.

Дальнейшему превращению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицери-нового альдегида, так как фосфат диоксиацетона под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид.

5. Следующим этапом является окисление 3-фосфоглицеринового альдегида. Эта реакция катализируется дегидрогеназой, коферментом которой является НАД (см. с. 53). В окислении участвует фосфорная кислота.

Молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет фосфат, а водород переносится на кофермент НАД, который восстанавливается в НАД·Н₂. Освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида энергия сосредоточивается в, макроэргической связи (∞) образующейся 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

6. В дальнейшем фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, имеющая макроэргическую связь, при участии фермента фосфоглицератки-назы переносится на молекулу аденозиндифосфорной кислоты. Образуется 3-фосфоглицериновая кислота, а АДФ превращается в АТФ. Таким образом свободная энергия окисления альдегидной группы запасается в молекуле

7. З-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту.

8. Под действием фермента энолазы 2-фосфоглицериновая кислота, теряя воду, переходит в энольную форму фвсфопировиноградной кислоты. При этом происходит перераспределение внутримолекулярной энергии, большая часть которой сосредоточивается в форме макроэргической фосфатной связи фосфоэнолпировиноградной кислоты.

В процессе дыхания аэробных микроорганизмов пировино-градная кислота в дальнейшем подвергается полному окислению до СO₂ и Н₂O, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н₂) и декарбоксилирую-щихся (отщепляется СO₂).

Из рис. 21 видно, что окисление одной молекулы пировино-градной кислоты сопровождается выделением трех молекул углекислого газа и пяти пар водородных атомов.

Водород, отщепленный от окисляемых в цикле Кребса кислот, посредством коферментов (НАД и НАДФ) соответствующих дегидрогеназ передается по так называемой «дыхательной цепи», состоящей из комплекса ферментов, к конечному акцептору – молекулярному кислороду.

Из приведенной ниже схемы (с. 69) видно, что водород восстановленного НАД · 2Н передается на кофермент (ФАД) фла-винового фермента, который восстанавливается в ФАД · 2Н. С восстановленной флавиновой дегидрогеназы водород передается на цитохром цитохромной системы, при этом атом водорода расщепляется на ион водорода (Н⁺) и электрон (е~), Цитохром из окисленной формы превращается в восстановленную. Восстановленный цитохром передает электроны следующему ци-тохрому и т. д.

Цитохромы попеременно то восстанавливаются, то окисляются, что связано с изменением валентности железа, содержащегося в их простетической группе. Последний цитохром передает электроны цитохромоксидазе, восстанавливая ее кофер-. мент. Завершающей реакцией является окисление восстановленной цитохромоксидазы молекулой кислорода. Кислород за счет передачи ему (с цитохромоксидазы) электронов активируется и приобретает способность соединяться с ионами водорода (Н+), в результате чего образуется вода. На этом и заканчивается у аэробов полное окисление исходного органического вещества.

9. Фосфоэнолпировиноградная кислота дефосфорилируется. При этом богатая энергией фосфатная группа при участии фермента пируваткиназы передается на молекулу АДФ. В результате образуется пировиноградная кислота, а АДФ превращается в АТФ.

Из изложенного и рис. 20 видно, что гликолитическое расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты происходит без участия кислорода (анаэробная стадия) и заканчивается выходом двух молекул пировиноградной кислоты, двух молекул НАД · Н₂ и двух молекул АТФ. Синтезируются четыре молекулы АТФ, но две расходуются на фосфорилирование новой молекулы глюкозы.

Рис. 21. Цикл Кребса

Освобождающаяся при переносе электронов в дыхательной цепи энергия затрачивается на син

тез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е. запасается в форме энергии фосфатной связи АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.

Некоторые аэробные гетеротрофные микроорганизмы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ; при этом в среде накапливаются промежуточные недоокисленные продукты, преимущественно органические кислоты.

При неполном окислении энергетического материала высвобождается соответственно меньшее количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остается в продуктах неполного окисления. Например, некоторые плесневые грибы в определенных условиях окисляют сахар с образованием воды и различных органических кислот – глюконовой, лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды:

Дальнейшее превращение образующихся пировиноградной кислоты и восстановленного промежуточного переносчика водорода НАД · Н₂ у анаэробов иное, чем у аэробов. Пировиноград-ная кислота в бродильных процессах является исходным материалом для разнообразных продуктов брожения (спиртов, органических кислот).

У одних анаэробов она непосредственно служит конечным акцептором водорода от НАД · Н₂ и восстанавливается в продукт брожения – молочную кислоту; НАД · Н₂ при этом окисляется в НАД.

У других анаэробов из пировиноградной кислоты образуются различные промежуточные продукты, которые служат затем акцепторами водорода от НАД · Н₂. Последний регенерируется, а акцептировавшие водород восстановленные органические соединения, являющиеся конечными продуктами брожения, выделяются в окружающую среду. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, процесс брожения имеет соответствующее название.

Примерами такого типа получения энергии могут служить следующие виды брожения.

Спиртовое брожение осуществляется многими дрожжами в анаэробных условиях. Молекула глюкозы (энергетический материал) в этом процессе превращается в две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа с выделением энергии:

В молекуле спирта заключено энергии 1,37-10⁶ Дж. Как видно из уравнения, освобождается только часть энергии, много ее остается в уксусной кислоте.

Некоторые из этих окислительных процессов используют в промышленности, например, при производстве уксуса, лимонной и глюконовой кислот. Условия, химизм и возбудители этих процессов описаны в гл. 4.