Клетки выделяют в среду множество различных соединений. Bo многих случаях эти соединения образуются в результате процессов, сопровождающихся выделением энергии. Типичными примерами конечных продуктов метаболизма являются спирты и органические кислоты. Другие продукты метаболизма, например антибиотики, токсины, алкалоиды и факторы роста, представляют собой более сложные соединения, выполняющие определенные функции в жизнедеятельности клетки. Такие соединения, наличие которых не является необходимым для роста культуры клеток в чистой питательной ореде, называют вторичными метаболитами. B настоящем разделе мы вкратце рассмотрим некоторые пути метаболизма, ведущие от промежуточных метаболитов к конечным продуктам метаболизма, а также типы последних в зависимости от природы продуцирующих их клеток и условий культивирования.
5.9.1. Продукты анаэробного метаболизма (брожения)
Прежде всего рассмотрим различные конечные продукты анаэробного метаболизма глюкозы. Многие организмы перерабатывают глюкозу в пируват по путям Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, Энтнера — Дудорова или по пейтозофосфатному шунту. Дальнейшие пути от пирувата к конечным продуктам метаболизма могут существенно различаться. Экономически наиболее важен процесс превращения пирувата в этанол (спиртовое брожение), осуществляющийся последующей схеме:
B этих реакциях, как и в рассматриваемых ниже других процессах брожения углеводов, образующийся в ходе биосинтеза пирувата iNADH вновь окисляется. Поскольку в отличие от дыхания при анаэробном метаболизме электроны не переносятся к внешнему акцептору, то процессы утилизации субстратов и образования продуктов брожения могут быть описаны обычными уравнениями окислительно-восстановительных реакций. Другим примером участия NADH в образованиипродуктована- эробного метаболизма является молочнокислое брожение, в ходе которого пируват в одну стадию превращается в лактат:
B табл. 5.7 перечислены другие типы анаэробного метаболизма углеводов, начинающиеся с превращения в пируват по пути ЭМП, а на рис. 5.26 приведена схема соответствующих последовательностей реакций. Следует подчеркнуть, что природа и относительные количества конечных продуктов брожения зависят как от самого организма, так и от условий его культивирования. Например, при спиртовом брожении 5%-ного раствора глюкозы в присутствии дрожжей Saccharomyces ce- revisiae изменение pH от 3,0 до 7,0 приводит к снижению выхода этанола от 171,5 до 149,5 ммоль (в расчете на 100 ммоль исходной глюкозы) и к повышению выхода глицерина с 6,16 до 22,2 ммоль (также из 100 ммоль глюкозы). При добавлении к питательной среде сульфита выход глицерина повышается еще больше; основанный на этом типе брожения способ получения глицерина широко применялся в годы первой мировой войны.
Таблица 5.7. Конечные продукты метаболизма углеводов в бактериях
по пути Эмбдена — Мейергофа — Парнасаа
РИС. 5.26. Конечные продукты (обведены кружком) анаэробного метаболизма йирувата в микроорганизмах.
Буквами обозначены микроорганизмы, осуществляющие указанные реакции:
A — молочнокислые бактерии (Streptococcus, Lactobacillus), B — Clostridlum propionicum;
С — дрожжи, уксуснокислые бактерии, Zymomonas, Sarclna ventrlculi, Erwtnia amyloOora;
D — энтеробактерии. (аэрогенные колибактерии); E — клостридии; F— аэробактерии;
G — дрожжи; H — клостридии (виды butyricum, acetobutylicum); I – пропионовокислые бактерии.
B заключение этого краткого обзора процессов брожения следует отметить, что некоторые организмы способны превращать находящиеся в питательной среде аминокислоты в другие органические соединения. Подобные процессы метаболизма играют важную роль в производстве спиртных напитков, поскольку образующиеся из азотсодержащих соединений высшие алифатические спирты придают напиткам соответствующие вкус и аромат.
5.9.2. Частичное окисление и его конечные продукты
B аэробных микроорганизмах в большинстве случаев конечными продуктами дыхания являются вода и диоксид углерода. B то же время некоторые аэробные микроорганизмы, а также любые другие аэробы в аномальных условиях окисляют органические вещества неполностью; в таких случаях в клетках или в среде накапливаются продукты частичного окисления. Поскольку ряд процессов частичного микробиологического окисления используется в промышленном масштабе, мы виратце рассмотрим здесь некоторые из них.
Иногда направление частичного окисления определяется составом питательной среды микроорганизма. Так, в разд. 1.3.3 мы уже упоминали о способе производства лимонной кислоты с помощью плесени A. niger. Выход лимонной кислоты может быть значительно увеличен путем повышения концентрации сахара и снижения концентрации ионов железа (кофактора фермента, Использующего в качестве субстрата лимонную кислоту) (табл. 5.8). Выращивая другие грибы и аэробные бактерии в аномальных условиях, можно получать другие промежуточные соединения цикла TKK, например α-кетоглутаровую и фумаровую кислоты.
Таблица 5.8. Зависимость выхода лимонной кислотыа, образующейся из сахара
в погруженной культуре Aspergillus nlger, от концентрации солей железаб
Хорошо известна склонность уксуснокислых бактерий к неполному окислению. Бактерии родов Aeetobacfer и Glucono- baeter окисляют этанол до уксусной кислоты, а в отсутстние этанола бактерии Aeetobaeter могут окислять уксусную кислоту далее до CO2. Напротив, бактерии Gluconobacter не способны метаболизировать уисусную кислоту; известно, что у некоторых видов этих бактерий отсутствуют ферменты, участвующие в цикле TKK. Образующийся из этанола под действием Acetobac- ter конечный продукт (раствор уксусной кислоты) называется винным уксусом. B табл. 5.9 перечислены другие конечные продукты метаболизма в уксуснокислых бактериях.
Таблица 5.9. Находящие практическое применение частично окисленные
продукты метаболизма уксуснокислых бактерийа
5.9.3. Синтез вторичных метаболитов
B соответствующих условиях микроорганизмы и другие клетки синтезируют вторичные метаболиты. Обычно во время быстрого роста клеток эти вещества в сколько-нибудь значительных количествах не образуются. Известно множество вторичных метаболитов, имеющих самое разнообразное строение и различные биологические активности. B настоящее время идентифицировано, например. около 6000 различных антибиотиков. Как Bacillus subtilis, так и Streptomyces griseus продуцируют более 50 антибиотиков!
Ha рис. 5.27 изображены различные вторичные метаболиты инаиболее общие пути их биосинтеза. Нетрудно видеть, что исходными веществами здесь являются первичные метаболиты. Кроме того, первичные метаболиты и энергетический заряд клетки служат важнейшими регуляторами путейбиосинтеза вторичных метаболитов. Мы еще вернемся к этой теме в ходе изучения катаболитной рецрессии в гл. 6 и 7. Другим важным параметром регуляции биосинтеза вторичных метаболитов является средний уровень концентрации фосфатов.
РИС. 5.27. Схема путей метаболизма, Ведущих к вторичным метаболитам. Жирными стрелками выделены
катализируемые ферментами последовательности реакций, в результате которых образуются вторичные метаболиты.
