2.3. Ионный обмен

Клетки должны обладать специальными механизмами для точного, аккуратного и эффективного перевода последовательности мРНК в соответствующую последовательность аминокислот кодируемого белка. Трансляция (биосинтез белков с использованием мРНК в качестве матрицы) осуществляется в клетках при помощи сложной белок-синтезирующей системы. Отдельные компоненты этой системы ассоциируют в единую структуру по мере ее функционирования и разобщаются по окончанию синтеза. В состав белок-синтезирующей системы входят следующие структуры:

    ·   Рибосомы;

    ·   матричная РНК;

    ·   транспортная РНК;

    ·   белковые факторы и ферменты инициации, элонгации и терминации трансляции;

    ·   набор аминокислот;

    ·   набор аминоацил-тРНК-синтетаз, образующих аминоацил-тРНК;

    ·   макроэрги АТФ и ГТФ;

    ·   ионы Mg ²⁺, Ca²⁺, K⁺, NH₄⁺.

Для роста и размножения бактерий необходимы минеральные соединения — ионы NH4+, К+, Mg2+ и др. Ионы аммония используются некоторыми бактериями для синтеза аминокислот, ионы калия — для связывания тРНК с рибосомами. Благодаря значительной внутриклеточной концентрации ионов калия в бактериях поддерживается высокое осмотическое давление. Ионы железа, магния выполняют роль кофактора в ряде ферментативных процессов. Они входят в состав цитохромов и других гемопротеидов. Для ряда патогенных и условно-патогенных бактерий (эшерихии, шигеллы и др.) потребление железа в организме хозяина затруднено из-за его нерастворимости при нейтральных и слабощелочных значениях pH. Некоторые микроорганизмы вырабатывают специальные вещества— сидерофоры, которые, связывая железо, делают его растворимым и транспортабельным. Бактерии активно ассимилируют из среды анионы SO2/ и Р034+ для синтеза соединений, содержащих эти элементы (серосодержащие аминокислоты, фосфолипиды и др.).

4. Энергетический метаболизм (биологическое окисление)

Для синтеза структурных компонентов микробной клетки и поддержания процессов жизнедеятельности наряду с питательными веществами требуется достаточное количество энергии. Эта потребность удовлетворяется за счет биологического окисления, в результате которого синтезируются молекулы АТФ. Мир микроорганизмов очень разнообразен. Некоторые из них могут получать энергию даже из минеральных соединений. Так, например, железобактерии получают энергию, выделяющуюся при непосредственном окислении ими железа (Fe2+ в Fe3+), которая используется для фиксации С02, бактерии, метаболизирующие серу, обеспечивают себя энергией за счет окисления серосодержащих соединений. Однако подавляющее большинство прокариот получает энергию путем дегидрогенирования.

4. Получение энергии (Брожение)

1. Гликолиз (путь Эмдена — Мейергофа). В результате расщепления глюкозы расходуется 2 и синтезируется 4 молекулы АТФ. Таким образом, общий выход составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД • Н2 (см. схему 4.4). Реакции фосфорилирования, непосредственно связанные с переносом фосфата с промежуточного продукта на АДФ, называются субстратным фосфорилированием. Для некоторых микроорганизмов акцептором электронов в цикле гликолиза могут быть нитраты или С 02. Дальнейшие пути превращения пирувата предопределяются метаболическими особенностями микроорганизмов. Для анаэробов брожение является способом получения энергии в результате окислительно-восстановительных реакций, в которых органические соединения функционируют как доноры и акцепторы электронов. В зависимости от образования конечных продуктов различают несколько типов брожения: молочнокислое, спиртовое, муравьинокислое, пропионовокислое и др., каждое из которых вызывается соответствующими микроорганизмами. Молочнокислое брожение. Бактерии родов Lactobacillus, Streptococcus, Bifidobacterium способны образовывать из пирувата молочную кислоту. При этом в одних случаях происходит образование только молочной кислоты (гомоферментативное брожение), в других (смешанное брожение) наряду с молочной кислотой образуются побочные продукты: спирт, ацетон и др., количество которых может превосходить содержание основного продукта.

Муравьинокислое брожение. Этот тип брожения характерен для представителей семейства энтеробактерий. Одним из конечных продуктов данного типа брожения является муравьиная кислота. Наряду с ней образуются молочная, уксусная кислоты и другие продукты. Некоторые виды энтеробактерий (например, кишечная папочка) расщепляют муравьиную кислоту до Н2 и С 02. Признаки кислото- и газообразования являются довольно стабильными и используются для идентификации бактерий на средах Гисса («пестрый» ряд). Бактерии рода Enterobacter образуют из пирувата небольшое количество кислых продуктов и ацетилметилкарбинол (ацетоин). Последний определяют в реакции Фогес — Проскауэра с целью идентификации данных бактерий. Маслянокислое брожение. Одним из основных продуктов брожения является масляная кислота. При этом типе брожения образуются также уксусная кислота, С 02 и Н2. Некоторые виды клостридий наряду с масляной и другими кислотами образуют бутанол, ацетон и некоторые другие соединения. В данном случае они вызывают ацетонобутиловое брожение. Пропионовокислое брожение характерно для пропионобактерий, которые из пирувата образуют пропионовую кислоту. Многие бактерии при сбраживании углеводов наряду с другими продуктами образуют этиловый спирт. При этом он, как правило, не является основным продуктом.

2. Фосфогликонатный, или гексозомонофосфатный (ГКМ), путь.

Этот путь расщепления глюкозы характерен для многих микроорганизмов. Последовательность реакций ГМФ-пути у бактерий идентична той, которая присуща клеткам высших организмов. Основным функциональным назначением данного пути является подготовка углеводных компонентов (пентозофосфатов) для биосинтеза нуклеиновых кислот, а также основной массы НАДФ • Н2, необходимого для различных биосинтетических реакций. 3. Кетодезоксифосфоглюконатный (КДФГ) путь (Энтнера — Дудорова). Данным путем расщепляют глюкозу некоторые гетеротро- фы, у высших организмов КДФГ-путь отсутствует. Пировиноградная кислота образуется у этих микроорганизмов двумя путями: при расщеплении 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовой кислоты и при окислении глицеринальдегид-3-фосфата так же, как при гликолизе. При расщеплении глюкозы КДФГ -путем синтезируется по 1 молекуле АТФ, НАД • Н2 и НАДФ • Н2 без газообразования. Бактерии, расщепляющие глюкозу КДФГ-путем, не имеют ферментов, необходимых для образования из пировиноградной кислоты молочной, муравьиной и других кислот. КДФГ-путь функционирует в основном у аэробных микроорганизмов, в связи с чем его называют «аэробным», а метаболизм — «окислительным». В противоположность этому гликолитический путь, присущий облигатным и факультативным анаэробам, называют «бродильным». Многие микроорганизмы помимо глюкозы усваивают другие моносахариды, а также ди-, три- и олигосахариды, которые после определенных катаболических превращений включаются в тот или иной путь расщепления глюкозы. Таким образом, при субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода получают лишь незначительную часть энергии. Образующиеся при этом «неокисленные» продукты брожения не могут использоваться клеткой в анаэробных условиях и выводятся из нее. Так, например, в молочной кислоте, спирте сохраняются значительные количества энергии, имеющейся в исходном продукте. Полное освобождение энергии происходит только при окислении глюкозы до С 02 и Н20.

3. Получение энергии путем окислительного фосфорилирования

Пируват, образующийся в процессе гликолиза, окисляется до яцетил-КоА («активированная уксусная кислота»), который при взаимодействии с уксусной кислотой включается в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). В этой универсальной биохимической «машине», при

сущей как аэробным, так и анаэробным микроорганизмам, происходит расщепление ацильных групп с освобождением 4 пар атомов Н, которые восстанавливают НАД, ФАД и НАДФ до НАД • Н2, ФАД *Н2 и НАДФ • Н2. Не менее важная функция ЦТК состоит в образовании предшественников аминокислот, которые вовлекаются в реакции биосинтеза. Этим можно объяснить наличие большинства ферментов ЦТК у облигатных анаэробов. У прокариот, так же как и у эукариот, в ЦТК вовлекаются продукты катаболизма аминокислот и жирных кислот через ацетил-КоА (см. схему 4.4). У всех аэробных и факультативно-анаэробных бактерий дыхательная цепь локализована на цитоплазматической мембране. Перенос электронов на молекулярный кислород осуществляется комплексом никотинамидных дегидрогеназ либо хинонов и цитохромов. При этом дыхательная цепь в зависимости от видовой принадлежности бактерий различается по составу промежуточных переносчиков и природы конечного акцептора электронов. У бактерий распространены системы окисления субстрата, связанные не с цитохромами, а с флавинзависимыми оксидазами, которые опосредуют взаимодействие субстрата с 0 2. При этом водород ФАД • Н2 может непосредственно передаваться 0 2 с образованием Н20 2, которые аэробные бактерии расщепляют с помощью каталазы. Накопление перекиси водорода у анаэробов, не имеющих каталазы, приводит к задержке их роста и гибели. У факультативных анаэробов в качестве конечного акцептора электронов в анаэробных условиях могут использоваться нитраты с образованием N0₃ и N0₂. Этот процесс называется нитрификацией. Вместо цитохромоксидазы у них функционирует нитратредуктаза.