2) Изотопный (включение n15 и n13 в клетку

№5

Энергетический метаболизм у прокариот. Ресурсы. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы.

Энергетический метаболизм – поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. Энергетические процессы прокариот по своему объему (масштабности) значительно превосходят процессы биосинтетические, и протекание их приводит к существенным изменениям в окружающей среде. Доступными для живых систем внешними источниками энергии (энергетическими ресурсами) являются электромагнитная (физическая) энергия (свет определенной длины волны) и химическая энергия (восстановленные химические соединения). Способностью использовать энергию света обладает большая группа фотосинтезирующих организмов , в том числе и прокариот, имеющих фоторецепторные молекулы нескольких типов ( хлорофиллы , каротиноиды , фикобилипротеины ). Для всех остальных организмов источниками энергии служат процессы окисления химических соединений.

Часто энергетическими ресурсами служат биополимеры, находящиеся в окружающей среде (полисахариды , белки , нуклеиновые кислоты ), а также липиды . Прежде чем быть использованными, биополимеры должны быть гидролизованы до составляющих их мономерных единиц.

Процесс расщепления биополимеров не связан с образованием свободной, т.е. доступной клетке, энергии.

Свободная энергия (дельта G) - это та часть энергии, которая может быть превращена в работу. При протекании химических реакций в живом организме самопроизвольно идут те процессы, в которых изменение свободной энергии будет отрицательным (-дельта G). Такие процессы называются экзергоническими . Процессы, для которых дельта G является величиной положительной, называются эндергоническими . Эти процессы не могут происходить самопроизвольно. При протекании эндергонических процессов необходим приток энергии извне.

Происходящее при этом рассеивание энергии также невелико. Образовавшиеся мономеры подвергаются в клетке дальнейшим ферментативным превращениям, которые сводятся к тому, чтобы путем перестройки химической структуры получить молекулы, которые могли бы включиться на каком-либо этапе в качестве метаболитов в функционирующие клеточные катаболические системы. Таких в прокариотной клетке несколько. Основные из них: путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (гликолиз) ,окислительный пентозофосфатный путь , путь Энтнера-Дудорова и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) . Общее для всех катаболических путей - многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата. На некоторых этапах окисление субстрата сопряжено с образованием энергии в определенной форме, в которой эта энергия может использоваться в самых разнообразных энергозависимых процессах.

Таким образом, внешние доступные организмам источники энергии (свет, химические соединения) должны быть трансформированы в клетке в определенную форму, чтобы обеспечить внутриклеточные потребности в энергии.

Высокоэнергетические соединения. АТФ.

ΔµH⁺ - форма клеточной энергии.

Гликолиз или путь Эмбдена–Мейергофа–Парнаса

Путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса – это сумма последовательно происходящих биохимических реакций, в ходе которых глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, а клетка обогащается энергией. Сначала гликолиз был установлен и изучен у животных. В настоящее время известно, что этот универсальный процесс присущ также растениям, грибам и бактериям. Этот процесс подразделяют на две стадии:

1) активирование и расщепление глюкозы;

2) окисление, восстановление и образование АТФ и пирувата (рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема реакций гликолиза

Начинается гликолиз с активирования молекулы гексозы. Инертность последней доказывается ее присутствием во многих клетках. Активирование происходит за счет присоединения к молекуле глюкозы остатка фосфорной кислоты от АТФ. В результате реакции, происходящей при участии гексокиназы, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат.

Все реакции, происходящие при гликолизе, можно представить в следующем виде:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ →2СН₃СОСООН + 2НАДН + 2Н⁺ + 2АТФ

Во время гликолиза – первой фазы дыхания при распаде молекулы глюкозы на две молекулы пирувата (ПВК) образуется 4 молекулы АТФ. Однако 2 молекулы АТФ используются вначале процесса для активации глюкозы, таким образом, в клетке запасаются только 2 молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при активации ФГА до ФГК образуются две молекулы НАДН.

Гликолиз происходит в гиалоплазме и ядре. Для него не нужен О₂. Это анаэробная стадия дыхания. Гликолиз обеспечивает клетку промежуточными метаболитами, из которых могут синтезироваться нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. Например, пировиноградная кислота может аминироваться с образованием аланина – аминокислоты необходимой для синтеза белков. Гликолиз – физиологически наиболее древний способ получения свободной энергии. Для своего осуществления ему не нужны специальные органеллы, и предполагают, что его реакции как-то связаны с мембранами ЭР. Еще одной особенностью гликолиза является то, что его реакции образуют линейную последовательность, а не цикл, поэтому они менее саморегулируемы (нет обратной связи).

Путь Энтнера — Дудорова, или КДФГ-путь—

Путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и пентозофосфатным путём), приводящий к образованию из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата, 1 АТФ и 2 восстановленных пиридиннуклеотида (1 — НАДН и 1 — НАДФН). Хотя раньше считалось, что он имеет место лишь у небольшого числа грамотрицательных бактерий, в настоящее время установлено, что этот путь распространён в природе чрезвычайно широко и используется различными группами грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также некоторыми археями и дажеэукариотами Общая схема пути Энтнера — Дудорова такова. Глюкозо-6-фосфат, образовавшийся при фосфорилировании 1 молекулы глюкозы с затратой 1 молекулы АТФ, переходит в 6-фосфоглюконат с восстановлением молекулы НАДФи образованием НАДФН. При дальнейшей дегидратации 6-фосфоглюконата образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ) — ключевое соединение пути. КДФГ расщепляется на пируват и глицеральдегид-3-фосфат (3-ФГА). При дальнейшем окислении 3-ФГА до пирувата восстанавливается 1 молекула НАД до НАДН и образуется 2 АТФ путём субстратного фосфорилирования. В пути Энтнера — Дудорова задействованы 2 уникальных фермента: 6-фосфоглюконатдегидратаза, превращающая 6-фосфоглюконат в КДФГ, и КДФГ-альдолаза, катализирующаяальдольное расщепление КДФГ на пируват и 3-ФГА.

Путь Энтнера — Дудорова можно рассматривать как альтернативу гликолизу. Общая схема двух этих путей окисления глюкозы чрезвычайно похожа: 6-углеродные сахараактивируются фосфорилированием и после этого разлагаются ферментами группыальдолаз на два трёхуглеродных соединения. Различие заключается в природе промежуточных 6-углеродных соединений, которые разлагаются на трёхуглеродные продукты. При гликолизе фруктозо-1,6-бифосфат разлагается на 3-ФГА идигидроксиацетонфосфат, а при пути Энтнера — Дудорова КДФГ расщепляется на 3-ФГА и пируват. Таким образом, путь Энтнера — Дудорова содержит только две реакции, дополнительные к реакциям гликолиза и пентозофосфатного пути. Однако путь Энтнера — Дудорова отличается от гликолиза тем, что в нём образуется одна молекула НАДФН и в качестве суммарного энергетического выхода всего лишь одна, а не две, молекулы АТФ.

Пентозофосфа́тный путь путь Варбурга — Диккенса — Хорекера)

Альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 NADP⁺ → 3СО₂ + 6 (NADPH + Н⁺) + 2 фруктозо-6-фосфат +глицеральдегид-3-фосфат.

В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием двух молекулАТФ.

Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных, а у большинства микроорганизмовимеет только вспомогательное значение. Ферменты пентозофосфатного пути располагаются в цитозоле и животных, и растительных клеток; кроме того, в клетках млекопитающих они располагаются также в эндоплазматическом ретикулуме, а у растений — в хлоропластах

Пентозофосфатный путь подразделяется на окислительный и неокислительный этапы. В ходе окислительного этапа глюкоза, фосфорилируемая до глюкозо-6-фосфата, окисляется дорибулозо-5-фосфата, и при этом образуется один восстановленный NADPH. В ходе неокислительного этапа восстановительные эквиваленты не образуются, он служит для синтеза пентоз и включает в себя обратимые реакции переноса двух или трёхуглеродных фрагментов; в дальнейшем пентозы вновь могут быть переведены в гексозы при избытке пентоз в клетке за счёт обратимости неокислительных реакций пентозофосфатного пути. Все ферменты, задействованные в пентозофосфатном пути, можно подразделить на три системы ферментов: система дегидрирования— декарбоксилирования;изомеризующая система; система, осуществляющая перестройки сахаров.

№6

Брожение- способ получения энергии, при котором АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования.

ВИДЫ: Спиртовое, Молочнокислое, Смешанное (муравьинокислое), Маслянокислое, Ацетонобутиловое, Гомоацетатное, Пропионовокислое.

Энергетическая сторона

Спиртовое брожение

Процесс спиртового брожения:

Спиртовое брожение в щелочной среде:

Гомоферментативное молочнокислое брожение

Гетероферментативное молочнокислое брожение

Смешанное (муравьинокислое) брожение

Бутандиоловое брожение

Пропионовокислое брожение

В пропионовокислом брожении реализуется третья возможность превращения пирувата – карбоксилирование, которое приводит к возникновению нового акцептора водрода ЩУК. Эта реакция получила название реакции Вуда Веркмана, а сам процесс – гетеротрофной ассимиляции углекислоты.

Большинство природных соединений, состоящих из углерода, водорода, кислорода и (или) азота, поддается сбраживанию в анаэробных усло­виях. Предпосылкой для этого является возможность частичного окис­ления субстрата в результате внутримолекулярного расщепления, со­провождающегося выделением энергии (экзергоническая реакция). Сбра­живаются, например, полисахариды, гексозы, пентозы, тетрозы, много­атомные спирты, органические кислоты (в том числе сахарные кислоты, глюконат, малат, тартрат и т.д.), аминокислоты (за исключением аро­матических, лишь условно поддающихся сбраживанию), пурины и пиримидины.

Наряду с соединениями, которые сбраживаются в анаэробных усло­виях, есть вещества, неспособные сбраживаться. Таковы насыщенные алифатические и ароматические углеводороды, стероиды, каротиноиды, терпены, порфирины. В аэробных условиях все эти вещества поддаются расщеплению и полностью окисляются, но в анаэробных условиях они очень стабильны. Стабильность их может быть обусловлена двумя при­чинами. Во-первых, большинство названных соединений содержит толь­ко атомы углерода и водорода; при внутримолекулярном расщеплении таких веществ энергия не выделяется. Во-вторых, насыщенные углеводо­роды и полиизопреноиды могут окисляться только в присутствии молекулярного кислорода; первичное воздействие на них катализируется в этом случае оксигеназой. Высокая стабильность углеводородов в анаэробных условиях подтверждается в каждом лабораторном опыте. По-видимому, именно благодаря этой стабильности углеводороды так долго сохраняются в нефтяных месторождениях. Очевидно, в эпоху образования нефти микроорганизмы не обладали способностью сбра­живать парафины. Не приобрели они ее и по сей день.

№7

ДЫХАНИЕ. ТИПЫ ЖИЗНИ, ОСНОВАННЫЕ НА ОКИСЛИТЕЛЬНОМ ФОСФОРИЛИРОВАНИИ

Решение задачи извлечения максимума энергии из процесса переноса электронов от субстрата на молекулярный кислород: Отщепление водорода от органического субстрата с помощью ЦТК

Перенос водорода на молекулярный кислород с помощью «дыхательной цепи»

Возможность переноса электронов с помощью механизмов, сопрягающих электронный транспорт с фосфорилированием .

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

основные функции : Полное окисление вовлекаемого в цикл органического субстрата и отщепление водорода

Снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов

Кислородное и без кислородное дыхание. Аэробные микроорганизмы в процессе дыхания окисляют органические вещества обычно полностью до образования в качестве конечных продуктов углекислого газа и воды. Полное окисление сопровождается выделением всей энергии, содержащейся в окисляемом продукте. Такое окисление, например, сахара, может быть выражено следующим уравнением:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.

При неполном окислении органических веществ выделяется меньше энергии. Невыделившаяся часть энергии остается в та­ком случае в продуктах неполного окисления. Так, окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями может идти до стадии образования уксусной кислоты и воды с неполным вы­делением энергии:

С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 116 ккал,

в то время как в случае полного окисления реакция идет по схеме:

С2Н5ОН + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О + 326 ккал

При этом выделяется вся содержащаяся в этиловом спирте энергия.

Аэробные автотрофные микроорганизмы необходимую им энергию получают за счет окисления неорганических веществ.

Анаэробные микроорганизмы характеризуются бескислород­ным дыханием, которое называется брожением. При бес­кислородном дыхании окисление веществ всегда протекает неполно.

Примером бескислородного дыхания является спиртовое брожение, вызываемое дрожжами в анаэробных условиях. Это брожение протекает по схеме:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2  + 27 ккал

В результате спиртового брожения сахар превращается в этиловый спирт и углекислый газ с выделением 27 ккал энер­гии. Как видно, окисление сахара происходит неполно, так как один из конечных продуктов - этиловый спирт - обладает зна­чительным запасом энергии (326 ккал), которая в анаэробных условиях оказалась невыделенной.

Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях способны окислять органические вещества благодаря использованию кислорода, входящего в состав других соединений. Подобной способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, использующие кислород, содержащийся в нитратах.