Физиология и биохимия микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 06.01.03 – «Биология» высших учебных заведений

Анаболические процессы

Большую часть сухой биомассы бактерий составляют полимерные молекулы белков, полинуклеотидов, полисахаридов.

Для биосинтеза клеточных полимеров необходимы: получение субъединиц макромолекул из доступных источников, генерация АТФ,

активирование субъединиц за счет энергии связи АТФ, образование специфических макромолекул путем полимеризации активированных субъединиц.

Для построения макромолекул необходимы субъединицы, содержащие от С1 до С6 атомов углерода. Источником С1 служит СО2; С2 в виде молекул ацетил-СоА (активированного ацетата) образуется в реакциях гликолиза,

который, как и пентозофосфатный цикл, поставляет также С3- мономеры. С4-

субъединицы возникают в процессе гетероторофной фиксации СО2, в ЦТК, а

также в пентозных путях, где образуется эритрозо-4-фосфат.

Клеточный метаболизм условно можно разделить на 3 части:

1)окислительные реакции, направленные на субстрат и ведущие к образованию интермедиатов, ацетил-СоА, пирувата, альфа-кетаглутаровой кислоты, восстановленных кофакторов и АТФ;

2)реакции, в которых кофакторы реокисляются и таким образом регенирируют;

3)биосинтетические реакции, в которых синтезируются макромолекулы за счет АТФ.

Первые 2 части метаболизма относятся к катаболизму, а третья – к

анаболизму.

Большинство реакций биосинтеза требуют энергию, они могут протекать при сопряжении с другими реакциями, сопровождающимися выделением большого количества свободной энергии. Такова реакция гидролиза АТФ,

которая характеризуется большой отрицательной величиной.

41

Поэтому АТФ служит наиболее важным агентом, активирующим биосинтетические субъединицы, из которых состоят макромолекулы клеток – белки, полинуклеотиды, полисахариды.

За счет энергии гидролиза АТФ субъединица переводится в высокоэнергетическое промежуточное соединение, способное легко вступать в реакцию с другим соединением.

Одна из функций метаболизма состоит в регенерации АТФ из продуктов его разложения. Существенная функция фотосинтеза, дыхания, гликолиза и брожения – это обеспечение энергией связей для регенерации АТФ.

Фосфорилированные мономеры собираются в полимерные молекулы путем многократного повторения реакций дегидратации. Активацию молекул,

участвующих в биосинтетических реакциях, может осуществлять не только АТФ, но и другие специфические молекулы-переносчики.

Подобно АТФ они образуют с другой молекулой высокореакционное промежуточное соединение с лабильной связью. Новая связь легко расщепляется с выделением свободной энергии, поэтому активированная молекула легко присоединяется к другим молекулам.

В микроорганизмах происходит метаболизм, который протекает с помощью ферментов.

Метаболизм выполняет четыре основные функции:

1)снабжает клетки химической энергией, энергия выделяется при расщеплении органических соединений, которые поступают в организмы гетеротрофов из окружающей среды, автотрофы преобразуют солнечную энергию в химическую;

2)молекулы питательных веществ переводят в строительный материал, строительный материал клеткой используется для построения новых структур.

3)из строительного материала образуются такие соединения, как белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и другие клеточные компоненты;

42

4) синтез и распад биополимеров, необходимых функционирования

клетки.

Метаболизм состоит из нескольких тысяч реакций, в которых участвуют

ферменты.

Метаболизм состоит из двух обменов:

1) пластический, строительный (конструктивный):

а) анаболизм (энергия затрачивается);

б) катаболизм (энергия выделяется); 2) энергетический обмен, протекающий в мезосомах:

а) дыхание (биологическое окисление);

б) брожение (гликолиз).

Метаболизм образован двумя процессами: анаболизмом и катаболизмом.

Анаболизм (ассимиляция, пластический, строительный,

конструктивный обмены) – синтез сложных органических соединений (белки,

нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и прочие клеточные компоненты) из простых предшественников-мономеров, эти реакции протекают с затратой энергии.

Катаболизм – энергетический обмен или расщепление, реакции,

связанные с процессами окисления и восстановления, синтезом АТФ, реакции протекают с выделением энергии.

Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

а) интенсивность более высокая;

б) процессы катаболизма преобладают над процессами анаболизма;

в) субстраты, потребляемые бактериями разнообразны — от углекислого газа,

азота, нитритов, нитратов до органических соединений;

г) бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов;

д) в метаболизме бактерий участвуют экзоферменты и эндоферменты.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

43

1. экзоферменты – ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (протеазы, полисахариды,

олигосахаридазы);

2. эндоферменты – ферменты бактерий, катализирующие процессы расщепления внутри клетки.

У прокариотических организмов и у эукариотических организмов, в

процессе катаболизма выделяется энергии, которая запасается в молекулах АТФ. В процессе анаболизма эта энергия расходуется на образование макромолекул сложных органических соединений, из которых синтезируются биополимеры. Анаболизм и катаболизм взаимосвязаны, взаимосвязь заключается в том, что на определенных этапах метаболизма образуются одинаковые промежуточные продукты (амфиболиты), которые используются в обоих процессах. Синтезируемые в бактериальных клетках соединения выходят из них тремя путями:

1)Фосфорилирование переносимой молекулы (фосфотрансферазная

реакция).

2)Контрансляционная секреция. При контрасляционной секреции синтезируемые молекулы имеют специфическую последовательность аминокислот для того, чтобы адсорбироваться на мембране и образовать канал,

через этот канал белковая молекула выходит во внешнюю среду, например, так могут выходить токсины из бактериальной клетки.

3). Молекулы, образующиеся в клетке, окружаются мембранным пузырьком, который отшнуровываются в окружающую среду – почкование мембраны.

Поступление питательных веществ в клетку бактерии контролируется цитоплазматической мембраной. Различают четыре пути поступления веществ в клетку:

44

1.пассивная диффузия – по градиенту концентрации, т.е. из области высокой концентрации в область низкой концентрации, данный путь энергонезатратный, не имеет субстратной специфичности;

2.облегченная диффузия – по градиенту концентрации, имеет субстратную специфичность, затрачивается энергия, облегченная диффузия происходит при участии белков пермеаз;

3.активный транспорт – протекает против градиента концентрации,

субстрат специфичен, участвуют специальные белки вместе с пермеазами),

процесс энергозатратный, в клетку вещества идут неизмененными; 4. транслокация (перенос групп) – против градиента концентрации, с

участием фосфотрансферазной системы, энергозатратна, в основном поступают углеводы в клетку, прошедшие фосфорилирование.

Для синтезирования органических веществ необходимы углерод, азот,

водород, кислород, они называются органогенами В зависимости от источника углерода бактерии делятся на аутотрофы и

гетеротрофы.

Аутотрофы используют как источник углерода углекислый газ,

гетеротрофы используют готовые органические соединения. В зависимости от

источника энергии микробы делят на фототрофы и хемотрофы. Фототрофы получают энергию за счет фотосинтеза, хемотрофы – за счет химических реакций окисления и восстановления. В случае того, что донорами электронов являются неорганические вещества – это литотрофы, если донорами являются органические – органотрофы.

Если бактериальная клетка в состоянии синтезировать все необходимые для жизнедеятельности вещества – прототрофы. При том случае, когда микробы нуждаются в факторах роста – ауксотрофы. К основным факторам роста относятся пуриновые и пиримидиновые основания, витамины,

незаменимые аминокислоты.

45

Питательные вещества как источник энергии

В состав клеток микроорганизмов входят органогены (C, O, H, N),

зольные элементы (P, S, K, Mg, Ca, Fe) и микроэлементы, которые в малых дозах стимулируют рост клеточной массы, а в больших тормозят его. К ним относятся Zn, Mn, B, Cu, Mo, Co и др.

В сухом веществе клеток содержится: углерода – 50%, азота -10-13%,

водорода – 8 %, кислорода – 20%, P2O5 -4 %, K2

Все внутриклеточные реакции, происходящие в процессе использования питательных веществ в качестве источников энергии, являются экзэргоническими, т.е. идут с выделением энергии. К ним относится биологическое окисление, или дыхание.

Биологическое окисление

Любой процесс биологического окисления независимо от того,

происходит ли в организме человека, в тканях растения или в бактериальной клетке, по существу представляет собой модификацию химических реакций одного из следующих двух типов: а) прямое окисление; б) непрямое окисление,

например, путем дегидрогенирования.

Результат обоих процессов одинаков, так как в том и другом случае вследствие переноса электронов происходит освобождение энергии,

необходимой для клеток. Следовательно, в основе всех биологических процессов лежит перенос электронов.

Роль переноса электронов в окислительно-восстановительных можно рассмотреть на примере превращения двухвалентного железа (частично окисленного) и обратно.

Отдача электрона ведет к окислению, присоединение электрона – к

восстановлению. Так как электроны не могут оставаться в свободном состоянии каждое окисление (отдача электронов) сопровождается восстановлением (присоединением электрона к какому-либо другому

46

соединению - акцептору). Поэтому, когда говорят окисление, подразумевается одновременно окисление и восстановление.

Непрямое окисление. Существует несколько видов микроорганизмов,

главным образом, среди почвенных сапрофитов, которые получают энергию в результате непосредственного окисления таких субстратов, как молекулярный водород, окись углерода, сера.

При окислительных процессах такого типа происходит непосредственное окисление субстрата свободным атмосферным кислородом (с помощью ферментов оксидаз).

Непрямое окисление путем дегидрогенирования. Этот процесс осуществляется путем ферментативного отщепления водорода из молекулы питательного вещества. Участвующие в этих реакциях ферменты называются дегидрогеназы. При отщеплении водорода освобождается энергия (электрон),

поступающая в распоряжение клетки.

Н2S-2H—S+ 2H (акцептор) + 2е-

Одна из дегидрогеназ – кофермент дифосфопиридиннуклеотид (ДПН) –

содержит в качестве основного компонента витамин никотинамид. Другая дегидрогеназа – кофермент флавинаденозиндинуклеотид (ФАД) – содержит витамин рибофлавин или витамин В2.

Субстраты, которые отдают свой водород, т.е. окисляются, называют донорами водорода. Водород присоединяется к дегидрогеназе, которая в результате этого восстанавливается (ДПН-Н). Восстановленная дегидрогеназа передает свой водород другой молекуле, называемой акцептором водорода, в

результате этого опять окисляется до ДПН и вновь становится способной принять водород от субстрата.

Водород субстрата систематически переносится в клетке с молекулы одного акцептора водорода на молекулу другого акцептора. В конечном счете водород переносится на какой-то конечный акцептор, находящийся вне клетки,

47

например, кислород воздуха (с образованием воды или перекиси водорода), на серу (с образованием сероводорода) или СО2 (с образованием СН4).

Природа конечного акцептора определяется набором ферментов,

существующим в клетке, и является очень постоянным и отличительным признаком клеток различного типа (аэробных или анаэробных).

Отщепление водорода от молекулы субстрата сопровождается переносом электрона. Таким образом, перенос водорода равноценен переносу электрона в том отношении, что атом водорода представляет собой ион водорода с присоединившимся к нему электроном: Н++е-= Н.

За счет субстрата происходит освобождение энергии, которая поступает в распоряжение клетки. Эта энергия немедленно усваивается клеткой с помощью сложной системы ферментов, называемой системой аденозиндифосфат – аденозинтрифосфат (АДФ – АТФ).

Энергия накапливается в органических фосфатных связях особого типа

(богатые энергией фосфатные связи), существующих в АТФ. Организм человека использует те же химические и ферментативные механизмы.

Таким образом, конечным результатом дегидрогенирования является расщепление субстрата и использование его энергии живой клеткой.

Аэробное дегидрогенирование. В присутствии воздуха конечным акцептором водорода может быть кислород. При этом в зависимости от видовой принадлежности микроорганизма и набора ферментов в его клетках образуется вода или перекись водорода. У аэробных бактерий имеется фермент цитрохромоксидаза и цитрохромные пигменты, так называемые система цитрохромов. Благодаря такой системе аэробы способны использовать в качестве конечного акцептора водорода атмосферный кислород.

Система цитохромов. Цитохромы представляют собой группу желтых пигментов (цитохромы а, а3, b, c), содержащихся почти во всех аэробных бактериальных клетках. Эти пигменты напоминают гем-вещество, придающее крови человека красный цвет, подобно гему они содержат железо, входящее в

48

состав порфирина, которое под воздействием специфических ферментов способно быстро окисляться и восстанавливаться. Таким образом, железо необходимо не только человеку и животным, но и бактериям, содержащим цитохром. Железо цитохрома восстанавливается ферментативным путем,

соединяясь с водородом субстратов. Затем оно окисляется, отдавая водород аэробному ферменту цитохромоксидазе, которая катализирует конечное связывание водорода с атмосферным кислородом.

Анаэробные бактерии, у которых система цитохромов отсутствует, не могут использовать кислород воздуха в качестве конечного акцептора водорода.

Полное и неполное окисление. В аэробных условиях обычно происходит полное физиологическое окисление субстрата. Если субстратом является органическое соединение, например, глюкоза, то конечными продуктами окисления оказываются Н2О и СО2. Примером может быть окисление глюкозы пекарскими дрожжами в аэробных условиях:

С6Н12О6 +6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 688 500 ккал Примером полного окисления неорганического соединения может

служить окисление серы до серной кислоты.

Полное окисление приводит к высвобождению всей энергии,

содержащейся в субстрате, именно такое окисление характерно для аэробного или окислительного метаболизма.

Однако, окисление может быть и неполным. Многое зависит от видовой принадлежности микроба, от набора ферментов в клетке, от присутствия акцептора водорода.

Примером неполного окисления может служить образование уксусной кислоты из спирта:

СН3СН2ОН +О2= СН3СООН + Н2О +118 ккал Значительная доля энергии, содержащейся в спирте, сохраняется еще и в

уксусной кислоте.

49

Различные грибы способны использовать эту энергию, окисляя уксусную кислоту до СО2 и Н2О с выделением энергии.

Анаэробное дегидрогенирование

Если биохимические процессы идут в отсутствие кислорода, т.е. в

анаэробных условиях, то используются другие конечные акцепторы водорода, в

частности NaNO3, от которой отщепляется кислород с восстановлением до

NaNO2. Азот сера и углерод легко соединяются с водородом, восстанавливаясь при этом до NH3, H2S, CH4.

Процессы восстановления подобного типа редко встречаются в аэробных условиях. В анаэробных условиях многие виды микроорганизмов способны вызывать только частичное окисление субстрата.

Конечные продукты такого окисления (этиловый и бутиловый спирты,

молочная и уксусная кислоты, ацетон) сохраняют еще значительную часть энергии, содержащейся в исходном субстрате. Можно сравнить, например,

освобождение энергии при анаэробной диссимиляции глюкозы дрожжами, т.е.

брожение

С6Н12О6-------2 С2Н5ОН + 2СО2 + 31 200 ккал

с количеством энергии, освобождаемой при аэробной диссимиляции глюкозы тем же микроорганизмом (688 500 ккал).

Характерные продукты метаболизма

Многие микроорганизмы осуществляют диссимиляцию глюкозы и некоторых других соединений с образованием пировиноградной кислоты.

Пировиноградная кислота подвергается одному или нескольким последовательным превращениям, вступая в процесс ассимиляции или диссимиляции, в зависимости от видовой принадлежности клеток, а также от физических или химических факторов окружающей среды. В аэробных условиях глюкоза обычно полностью окисляется до углекислого газа и воды;

50