55. Метаболизм бактерий. Хемосинтез. Аэробные и анаэробные бактерии. Полное и неполное окисление. Анаэробное дыхание.

Метаболизм – совокупность разнообразных ферментативных реакций, происходящих в микробной клетке и направленных на получение энергии и превращение простых химических соединений в более сложные. Метаболизм обеспечивает воспроизводство всего клеточного материала, включая два единых и одновременно противоположных процесса – конструктивный и энергетический обмен.

Метаболизм протекает в три этапа:

1.катаболизм – распад органических веществ на более простые фрагменты;

2.амфиболизм – реакции промежуточного обмена, в результате которых простые вещества превращаются в ряд органических кислот, фосфорных эфиров и пр.;

3.анаболизм – этап синтеза мономеров и полимеров в клетке.

Метаболические пути формировались в процессе эволюции.

Основным свойством бактериального метаболизма является пластичность и высокая интенсивность, обусловленная малыми размерами организмов.

К метаболическим путям у прокариот относятся брожение, фотосинтез и хемосинтез.

Хемосинтез – способ питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат процессы окисления различных неорганических и неорганических веществ. Хемосинтез часто сравнивают с дыханием, у микроорганизмов дыхание может быть аэробным и анаэробным.

При аэробном дыхании образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота в конечном итоге полностью окисляется кислородом до СО2 и воды. В первой фазе пировиноградная кислота расщепляется с образованием СO2 и водорода. Этот процесс протекает в матриксе митохондрий и включает в себя последовательность реакций, называемую циклом Кребса. Во второй фазе отщепившийся водород через ряд окислительно-восстановительных реакций — в так называемой дыхательной цепи — окисляется в конечном счете молекулярным кислородом до воды. Это происходит на так называемых кристах (гребневидных складках внутренней мембраны митохондрий).

Анаэробное дыхание – это энергодающий клеточный процесс, в котором конечным акцептором электронов служит окисленное органическое или неорганическое вещество, отличное от кислорода.

Анаэробное дыхание сопряжено с функционированием электрон-транспортной цепи и является в эволюции энергетических процессов в клетках живых организмов переходным звеном от субстратного фосфорилирования к аэробному дыханию.

Акцептор электронов	Восстановленный продукт	Процесс	Микроорганизмы, которые осуществляют данный процесс
NO3-	NO2-	«Нитратное дыхание» - диссимиляционная нитратредукция	Бактерии семейства Enterobacteriaceae, рода Bifidobacteriaceae
NO3-	NO2- àN2OàN2	«Нитратное дыхание» - денитрификация	Pseudomonas, Bacillus
CO2	CH4	«Карбонатное дыхание» – метаногенез	Метаногенные археи
CO2	Ацетат	«Карбонатное дыхание» – ацетогенез	Гомоацетогенные бактерии (Clostridium, Sporomusa, Acetobacterium, Peptostreptococcus, Eubacterium)
Fe3+	Fe2+	«Железное дыхание»	Geobacter
2[H+] + фумарат	Сукцинат	«Фумаратное дыхание»	Энтеробактерии, вибрионы и пропионовые бактерии

Большинство аэробных организмов окисляет питательные вещества в процессе дыхания до углекислого газа и воды.

Поскольку в молекуле СО2 достигается наивысшая степень окисления углерода, процесс называется полным окислением.

При неполном окислении в качестве продуктов обмена выделяются частично окисленные органические соединения, такие как уксусная, фумаровая, лимонная, яблочная, молочная кислоты. Субстратом в данном случае становятся углеводы и органические спирты.

Полное окисление может происходить при использовании цикла трикарбоновых кислот с участием дегидрогеназ никотинамиддинуклеотида, флавинамиддинуклеотида и коэнзима ацетилирования

Этот метаболический путь не только приводит к полному окислению питательных веществ, но играет значительную роль в биосинтетических процессах. В результате поступления протонов на АТФ-регенирирующую систему дыхательной цепи активируется АТФ-синтетеза и образуется АТФ для обеспечения клетки энергией. В дыхательной цепи главная роль отводится ферментам – цитохромам, флавопротеинам и железосерным белкам. В процессе дыхания аэробных микроорганизмов пировино­градная кислота подвергается полному окислению до CO2 и H2O, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н2) и декарбоксилирующихся (отщепляется СО2).

+Гидроксидный радикал (ОН') возникает при радиолизе воды и при взаимодействии супероксиданиона с перекисью водорода (Н2О2), катализируемом железосодержащими соединениями, всегда имеющимися в клетках и превосходит О2 по окислительной активности и токсичности.Н2О2 + Fe2+ Fe3+ + ОН' + ОН'

Гидроксидные радикалы даже при низких концентрациях являются самыми сильными из всех известных окислителей, вызывающим радиационные повреждения многих типов биополимеров.

+ Перекись водорода образуется при переносе 2 электронов на О2. Катализаторами в реакциях выступают оксидазы прокариот флавиновой природы и некоторые цитохромы. Перекись водорода образуется у всех аэробов и факультативных анаэробов, растущих в аэробных условиях, так что ее возникновение в клетках прокариот – естественный процесс. Перекись водорода – наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления О2, но и наименее реакционноспособный. У большинства аэробных прокариот Н2О2 быстро разлагается с помощью гемсодержащих ферментов каталазы и пероксидазы. В отсутствие их Н2О2 может накапливаться в летальных для организма концентрациях.

+ Синглетный кислород возникает в определенных условиях, когда молекула О2 переходит в одно из возбужденных состояний (*О2). У большинства живых клеток в темноте основным источником синглетного кислорода служит спонтанная дисмутация супероксидных анионов. Синглетный кислород может возникать также при взаимодействии двух радикалов и вызывает структурные и иные клеточные повреждения.

Дыхательная цепь или электрон-транспортная система у прокариот расположена на цитоплазматической мембране (у эукариот – во внутренней мембране митохондрий). Главная функция этой системы – перекачивание протонов, поэтому ее часто называют «протонным насосом».

Через мембрану протоны транспортируются таким образом, что между внутренней и внешней сторонами мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда возникает благодаря определенному расположению компонентов дыхательной цепи в мембране и служит движущей силой для процесса регенерации АТФ (или других процессов, требующих затрат энергии).

Водород восстановленного НАД2Н передается на кофермент (ФАД) флавинового фермента, который восстанавливается в ФАДх2Н. С восстановленной флавиновой дегидрогеназы водород передается на цитохром цитохромной системы, при этом атом водорода расщепляется на ион водорода и электрон. Цитохром из окисленной формы превращается в восстановленную. Восстановленный цитохром передает электроны следующему цитохрому 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 кофермент. Завершающей реакцией является окисление восстановленной цитохромоксидазы молекулой кислорода. Кислород за счет передачи ему (с цитохромоксидазы) электронов активируется и приобретает способность соединяться с ионами водорода, в результате чего образуется вода. На этом и заканчивается у аэробов полное окисление исходного органического вещества.

Освобождающаяся при переносе электронов в дыхательной цепи энергия затрачивается на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата под воздействием АТФ-синтетазы, локализующейся на мембране. Такой синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов через мембрану называется окислительным фосфорилированием.

В механизме дыхания особо важны следующие три участка:

*компоненты дыхательной цепи;

*их оксилительно-восстановительные потенциалы;

*их взаиморасположение в мембране.

Компоненты дыхательной цепи – это ферментные белки с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами, погруженные в двойной липидный слой. Важнейшие из них – флавопротеины, железосерные белки, хиноны и цитохромы.

Флавопротеины – ферменты, содержащие в качестве простетических групп ФАД, выполняют функцию переносчиков водорода.

Железосерные белки – это оксилительно-восстановительные системы, переносящие электроны. Они содержат атомы железа, связанные с серой цистеина и с неорганической сульфидной серой. Таким образом, Fe-S-центры являются простетическими группами белков. Железосерные белки участвуют также в процессе азотфиксации. Некоторые белки имеют название, связанное с их происхождением или с функциями: ферредоксин, путидаредоксин, рубредоксин, адренодоксин.

Хиноны – липофильные соединения, локализующиеся в липидной фазе мембраны, способны переносить водород и электроны. Обычно содержатся в мембране в избытке и случат сборщиками водорода, получая его от коферментов, передают цитохромам. У грамотрицательных бактерий содержится убихинон (кофермент Q), у грамположительных – нафтохиноны, в хлоропластах растений – пластохиноны.

Цитохромы – системы, переносящие только электроны, водород не транспортируют. В качестве простетической группы цитохром содержит гем. Центральный атом железа геминового кольца участвует в переносе электронов, изменяя свою валентность. Цитохромы окрашены и различаются по видам а, а3, в, с, о и т.д.

Оксилительно-восстановительный потенциал – это количественная мера способности тех или иных соединений или элементов отдавать электроны. Водородный полуэлемент – платинированный или платиновый электрод, погруженный в раствор кислоты и обтекаемый газообразным Н2 при давлении 1,012 бар и рН 0, имеет потенциал, равный нулю.

Эта величина Е0. Е` – измеряемый потенциал окислительно-восстановительной системы, значение его тем более отрицательно, чем меньше отношение концентрации окисленной формы к концентрации восстановленной формы.

Уникальной способностью к биолюминесценции обладает несколько групп бактерий. К светящимся бактериям относят грамотрицательные палочковидные морские бактерии, хемоорганотрофные, галофильные, психрофильные, факультативно-анаэробные, свободноживущие или симбиотические, например Photobacterium rhosphoreum и P. leiognathi, живущие в светящихся органах у рыб.

В аэробных условиях микроорганизмы осуществляют процесс аэробного дыхания и свечения.

У них имеется обычная дыхательная цепь и работает цикл Кребса.

Свечение зависит от окисления длинноцепочечного альдегида с 13 – 18 атомами углерода в молекуле.

Светится возбужденный флавин под действием люциферазы – двухсубъединичного фермента типа монооксигеназы. К свечению способны бактерии родов Photobacterium, Beneckia, Vibrio, Photorhabdus.