Процессы расщепления питательных веществ с целью извлечения энергии называются катаболизмом. B качестве источника углеродсодержащих питательных веществ в подавляющем большинстве случаев используются углеводы, хотя некоторые микроорганизмы могут также утилизировать аминокислоты, углеводороды и другие соединения. Иллюстрацией разнообразия мира микробов может служить тот факт, что практически любой углевод или родственное соединение может усваиваться тем или иным микроорганизмом. Большинство микроорганизмов, способных утилизировать углеводы, может перерабатывать и наиболее распространенный моносахарид глюкозу. B следующем разделе мы изучим основные пути деградации глюкозы. Существует по меньшей мере семь различных путей катаболизма глюкозы. Природа микроорганизма определяет, какой из этих механизмов реализуется и какие конечные продукты образуются. При этом основное внимание мы будем уделять участию рассмотренных выше процессов переноса энергии и электронов, общей стехиометрии метаболического пути, а также идентификации важнейших на данном пути промежуточных соединений.

5.3.1. Метаболический путь
Эмбдена — Мейергофа — Парнаса

Изображенный на рис. 5.1 метаболический путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса (ЭМП) включает десять катализируемых ферментами стадий, исходным веществом для которых является глюкоза, а конечным продуктом последовательности реакций— пируват (рис. 5.4). B настоящем разделе мы рассмотрим этот наиболее детально изученный путь катаболизма углерода, обращая особое внимание на энергетику и процессы восстановления.

РИС. 5.4. Путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса (ЭМП). Обратите внимание на то, что из каждой
шестиуглеродной молекулы субстрата (глюкозы) образуются два промежуточных соединения
с тремя атомами углерода, каждое из которых претерпевает последовательные превращения,
изображенные на правой стороне рисунка.

Анализ приведенной на рис. 5.4 последовательности реакций пути ЭМП показывает, что каждая стадия представляет собойпростую реакцию изомеризации, расщепления кольца или миграции небольших групп, например, атомов водорода или фосфатной группировки. B конечном счете из одного моля глюкозы образуются два моля пирувата. Первая и третья реакции осуществляются совместно с гидролизом ATP; спонтанно в необходимом направлении эти реакции не протекают. Две другие стадии связаны с высвобождением свободной энергии, достаточной для фосфорилирования ADP; эти две реакции осуществляются дважды в ходе превращения каждой молекулы исходной глюкозы, поэтому конечным итогом пути ЭМП является фосфорилирование ADP. Как показано на рис. 5.4, дегидрирование глицеральдегид-З-фосфата сочетается с восстановлением NAD+, причем эта реакция происходит дважды в ходе превращения каждой молекулы глюкозы. Таким образом, общую стехиометрию путй метаболизма ЭМП можно выразить следующим уравнением:

C₆H₁₂О₆+2P_i-2ADP+2NAD⁺ → 2C₃H₄O₃+2ATP+2(NADH+H⁺)     (5.12)

B результате превращения глюкозы в пировиноградную кислоту клетки обеспечиваются резервами химической энергии и восстанавливающих эквивалентов. Накапливание энергии за счет превращения этого или какого-либо другого субстрата называется фосфорилированием на уровне субстрата.

Метаболический путь ЭМП выполняет и другую важную функцию, связанную со снабжением исходными веществами ряда биосинтетических последовательностей реакций. B качестве биосинтетических субстратов (предшественников) используется не только пируват, но и ряд промежуточных веществ этого пути метаболизма (см. рис. 5.1). По этой причине метаболический путь ЭМП называют (как и некоторые другие пути метаболизма) амфиболическим, подразумевая при этом, что он обеспечивает клетку как источниками энергии, так и исходными веществами.

B клетках мышечных тканей и молочнокислых бактериях, а также в ряде других клеток путь ЭМП не завершается на этапе пирувата, а удлиняется еще на одпу стадию:

C₃H₄O₃+NADH+H⁺ → С₃Н₆О₃+NAD⁺

Вся последовательность реакций, начинающаяся с глюкозы и завершающаяся молочной кислотой, называется гликолизом. Интересно сравнить изменение свободной энергии в гликолизе:

Глюкоза+2P_i+2ADP → 2лактат+2АТР+2Н₂О
ΔС^oi= — 32 400 кал/моль     (5.13)

с изменением свободной энергии расщепления одной глюкозы

Глюкоза → 2 молочная кислота
ΔG^of = — 47 000 кал/моль…..(5.14)

Из уравнений (5.13) и (5.14) следует, что в виде высокоэнергетических фосфатов сохраняется энергия, равная 14,6 ккал/моль глюкозы (или 7,3 ккал/моль ATP). Кажущаяся эффективность переноса свободной энергии равна 14/47X100≈31 %. Введение поправок на реальные концентрации и преобладающие in vivo pH (см. табл. 5.3) показывает, что эта оценка существенно занижена и истинная эффективность составляет около 53%. Причина столь существенного различия между кажущейся и действительной эффективностями становится понятной после коррекции приведенных в табл. 5.3 величин ΔG°' в соответствии с реальными концентрациями (см. упражнение 5.4); результаты коррекции показывают, что ΔG' примерно равно нулю для всех стадий, за исключением трех (превращение глюкозы в G6P, F6P в FDP и PEP в Руг; расшифровка сокращений дана в табл. 5.3). Таким обра-зом, большинство элементарных реакций в последовательности ЭМП являются практически равновесными и, следовательно, обратимыми. Значение неравновесных стадий для всего процесса мы поймем' после изучения ферментативной регуляции пути ЭМП (разд. 5.7.2).

Таблица 5.3. Концентрации промежуточных веществ, участвующих в процессе гликолиза в эритроцитах человека,
и соответствующие изменения стандартной свободной экергии. Обратите внимание на то, что концентрации
всех вешеств существенно отличаются от значения 1M, используемого при определении стандартной свободной энергии.
Значения ΔG°' соответствуют стадиям, в которых участвует указанное в данной строке промежуточное соединение^a

5.3.2. Другие пути катаболизма углеводов

Прежде всего рассмотрим две другие последовательности реакций, в которых осуществляется катаболизм глюкозы. Пентозофосфатный цикл или пентозофосфатный путь (называемый также гексозомонофосфатным путем или шунтом) начинается с окисления глюкозофосфата:

Глюкозо-6-фосфат+NADP⁺ → 6-фосфоглюконат+NADPH+H⁺

Основной задачей пентозофосфатного пути является обеспечение клетки NADPH, выполняющим роль переносчика электронов в биосинтетических реакциях. Схема всех происходящих на этом пути реакций довольно сложна (см. стр. 456 в работе [1]), но в целом стехиометрию пентозофосфатного пути можно выразить следующим довольно простым уравнением:

Глюкозa + 12NADP⁺ + 7H₂O+ATP → 6CO₂+P_i+12(NADPH+H⁺)+ADP     (5.15)

Таким образом, конечным результатом пентозофосфатного пути является полное окисление глюкозо-6-фосфата до CO₂ с передачей всех электронов (H) NADP.

B указанном пути потребляется ATP. Чтобы обеспечить клетку ATP, пентозофосфатный цикл может быть прерван на стадии, когда общая стехиометрия процесса выражается уравнением

3 Глюкозa +6NADP⁺+ATP → 2 фруктозо-6-фосфат+глицеральдегид-3-фосфат+ЗСO₂+6(NADPH+H⁺) + ADP+P_i     (5.16)

Если дальнейшие превращения фруктозо-6-фосфата и глице- ральдегид-З-фосфата до пирувата будут осуществляться по пути ЭМП, то на этом пути произойдет и фосфорилирование 6 молекул ADP (в расчете на 3 молекулы глюкозы). B результате из моля глюкозы образуется 5/3 моля ATP, но общий выигрыш в энергии будет все же меньше, чем в метаболичесйом пути ЭМП.

B то же время пентозофосфатный путь имеет и свои преимущества, обусловленные прежде всего тем обстоятельством, что в нем в качестве промежуточных веществ образуются рибозо-5-фосфат и эритрозо-4-фосфат, являющиеся важными предшественниками в синтезе пуринов и пиримидинов в клетке. B метаболическом пути ЭМП такие соединения не образуются. По этой причине микроорганизмы типа молочнокислых бактерий, располагающие для катаболизма углеводов только путем ЭМП, в анаэробных условиях могут расти только на сложных питательных средах, в состав которых входят пентозы, пурины и пиримидины. Напротив, бактерия E. coli даже в анаэробных условиях способна расти и на более простых средах, поскольку в ней реализуются одновременно и путь ЭМП, и пентозофосфатный путь (в некоторых условиях, например, 75% углеводов катаболизируется по пути ЭМП, а 25%—по пентозофосфатно- му пути). Этот факт является иллюстрацией общего принципа, согласно которому клетки могут катаболизировать данное питательное вещество несколькими путями одновременно, что, по всей вероятности, обеспечивает их оптимальный рост за счет удовлетворения потребностей как в энергии, так и в веществах- предшественниках.

Последний из рассматриваемых здесь путей катаболизма глюкозы называется путем Энтнера — Дудорова (ЭД). Общая стехиометрия этой последовательности реакций выглядит следующим образом:

Глюкоза + ATP+NADP⁺ → глицеральдегид-З-фосфат+пировиноградная кислота+ADP+NADPH+H⁺     (5.17)

Если учесть, что последующее превращение глицеральдегид-3- фосфата, в пируват по той же схеме, что и в пути ЭМП, сопровождается фосфорилированием двух молекул ADP, то становится очевидным, что с энергетической точки зрения путь ЭД, в котором образуется моль ATP из моля глюкозы, не очень выгоден. Прежде чем перейти к изучению катаболизма других питательных веществ, следует подчеркнуть, что описанные выше основные пути катаболизма глюкозы далеко не исчерпывают возможности бактерий.

Ранее мы упоминали, что в качестве источников углерода микроорганизмы могут утилизировать различные соединения. C детальным анализом этой проблемы читатель может ознакомиться в работе [3]; мы же ограничимся несколькими примерами, иллюстрирующими только основные пути катаболизма отличных от глюкозы веществ.

Утилизация других сахаров часто начинается с их превращения с помощью одной или нескольких реакций в глюкозу или в одно из промежуточных соединений в путях ее катаболизма. B качестве одного из примеров на рис. 5.5 приведена последовательность реакций, посредством которых E. coli начинает ассимиляцию дисахарида лактозы. Особенность этого пути катаболизма заключается в специфическом механизме, обеспечивающем утилизацию галактозы. Обратите внимание на циклический характер утилизации уридиндифосфата (UDP), который выполняет таким образом функции катализатора. B качестве второго примера можно привести утилизацию фруктозы некоторыми бактериями; в этом случае в результате двух катализируемых ферментами реакций фруктоза превращается в соответствующий 1,6-дифосфат, который затем может быть включен в путь ЭМП. Утилизация бактериями пентоз обычно начинается с последовательности реакций, в результате которых образуется ксилулозо-5-фосфат; последний может быть включен в пентозофосфатный путь, а может претерпевать расщепление по фосфокетолазному пути (рис. 5.6).

РИС. 5.5. Катаболизм лактозы E. coli (UDPG — уридиндифосфатглюкоза;
UDPGal — уридиндифосфатгалактоза).

РИС. 5.6. Упрощенная схема катаболизма рибозы по фосфокетолазному пути.

Чрезвычайно интересны и разнообразны процессы утилизации микроорганизмами и других органических соединений, в частности углеводородов; любопытны и происходящие при этом химические превращения. Здесь мы ограничимся упоминанием о существовании в мире микроорганизмов ферментных систем, способных окислять углеводороды с изменением илибез изменения их углеродного скелета, превращать углеводородные субстраты в аминокислоты, липиды, витамины, другие компоненты микробных клеток и иные соединения. Более того, некоторые микроорганизмы способны расщеплять токсичные вещества, например фенолы и полихлорбифенилы.Очевидно, такие микроорганизмы и синтезируемые ими ферменты потенциально очень важны как катализаторы специфических химических превращений, которые могут оказаться полезными в решении ряда проблем охраны окружающей среды. Введение в биохимию путей метаболизма углеводородов и соответствующих ферментов дано в превосходной книге Доуэлла.