Описанные выше процессы конструктивного обмена – синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматическую мембрану и многие другие процессы жизни – протекают с затратой энергии. Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.

У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия, улавливаемая фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию, обеспечивающую энергетические потребности клетки.

Источником энергии для биосинтеза клеточных веществ из СО2 у хемоавтотрофов служит химическая энергия, получаемая при окислении неорганических соединений (NH3, H2S и др.).

Хемогетеротрофы получают энергию в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы хемогетеротрофами, но не всеми. Одни способны окислять многие органические вещества, другие – лишь небольшой набор их. Имеются и такие, которые проявляют большую специфичность по отношению к энергетическому материалу.

Поскольку все микроорганизмы: и возбудители порчи пищевых продуктов, и используемые при переработке пищевого сырья – относятся к хемогетеротрофам, ниже рассматриваются именно их энергодающие процессы.

Биологическое окисление (в клетках) органических веществ происходит чаще путем дегидрогенирования – отнятием атомов водорода. Так как атом водорода состоит из протона (Н+) и электрона (е-), перенос водорода включает и перенос электрона. Отнятый от окисляемого вещества водород (электрон) переносится на другое вещество, которое при этом восстанавливается. Процесс этот протекает при участии ферментов дегидрогеназ.

Вещество, отдающее водород (электроны), называют донором, а вещество, присоединяющее его, – акцептором.

В зависимости от природы конечного акцептора водорода микроорганизмы делятся на две группы:

• аэробы – окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода, который и является конечным акцептором водорода;
• анаэробы – в энергетических процессах не используют кислород. Конечным акцептором водорода служат органические или неорганические соединения.

Аэробные микроорганизмы

Многие аэробные микроорганизмы, к которым относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии, подобно высшим организмам (растения, животные), окисляют органические вещества полностью до углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.

В качестве энергетического материала в процессе дыхания микроорганизмы часто используют углеводы. При этом сложные (ди-, три-, полисахариды) ферментативным путем гидролизуются до моносахаридов, которые и подвергаются окислению.

Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением окисления глюкозы:

C6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2,87·106 Дж.

Как видно из уравнения, при полном окислении глюкозы освобождается вся потенциальная (свободная) энергия молекулы глюкозы.

Приведенное уравнение характеризует процесс в суммарном виде, показаны лишь исходный и конечные продукты окисления. Однако процесс этот многоэтапный, протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов. Обязательным промежуточным продуктом в процессе биологического окисления глюкозы является пировиноградная кислота.

Известно несколько путей расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты. Одним из таких путей распада этого важнейшего промежуточного продукта является гликолитический путь (гликолиз)1 (рис. 28). Он довольно универсален и свойственен многим аэробным и анаэробным микроорганизмам.

• Первый этап – активирование глюкозы путем фосфорилирования при участии АТФ и фермента фосфотрансферазы (гексокиназы). К молекуле глюкозы от АТФ присоединяется концевой фосфатный остаток, обладающий макроэргической (~) связью. Образуется глюкозо-6-фосфат, а АТФ превращается в АДФ.
• Глюкозо-6-фосфат путем изомеризации при участии фермента глюкозофосфатизомеразы превращается во фруктозо-6-фосфат.
• Фруктозо-6-фосфат затем фосфорилируется за счет АТФ при участии соответствующей фосфотрансферазы (фосфофруктокиназы). Образуется фруктозо-1,6дифосфат, а АТФ превращается в АДФ.
• Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется при участии фермента альдолазы на две молекулы фосфотриоз. Одна из них – фосфодиоксиацетон, другая – фосфат глицеринового альдегида. Оба эти вещества легко могут превращаться друг в друга.

Дальнейшему превращению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, так как фосфат диоксиацетона под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид.

• Следующий этап, важнейший с энергетической стороны, - является окисление 3фосфоглицеринового альдегида. Эта реакция катализируется дегидрогеназой, коферментом которой является НАД. В окислении участвует фосфорная кислота.

Молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет фосфат, а водород переносится на кофермент НАД, восстанавливающийся в НАД·Н2. Освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида энергия «сосредоточивается» в макроэргической связи (~) образующейся 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

• В дальнейшем фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, имеющая макроэргическую связь, при участии фермента фосфоглицераткиназы переносится на молекулу аденозиндисфосфорной кислоты. Образуется 3-фосфоглицериновая кислота, а АДФ превращается в АТФ.

Таким образом свободная энергия окисления альдегидной группы запасается в молекуле АТФ. Этот процесс синтеза АТФ называют фосфорилированием на уровне субстрата.

• 3-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту.
• Под действием фермента энолазы 2-фосфоглицериновая кислота, теряя воду, переходит в энольную форму фосфопировиноградной кислоты. При этом происходит перераспределение внутримолекулярной энергии, большая часть ее сосредоточивается в форме макроэргической фосфатной связи фосфоэнолпировиноградной кислоты.
• Фосфоэнолпировиноградная кислота дефосфорилируется. Богатая энергией фосфатная группа при участии фермента пируваткиназы передается на молекулу АДФ. В результате образуется пировиноградная кислота (ПВК), а АДФ превращается в АТФ.

Из вышеизложенного видно, что гликолитическое расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты происходит без участия кислорода и заканчивается выходом двух молекул пировиноградной кислоты, двух молекул НАД·Н2 и двух молекул АТФ. Синтезируется четыре молекулы АТФ, две из которых расходуются на фосфорилирование новой молекулы глюкозы.

Пировиноградная кислота занимает центральное положение в промежуточном метаболизме, служит исходным веществом в дальнейших процессах расщепления, преобразования и синтеза.

В процессе дыхания многих аэробных микроорганизмов пировиноградная кислота подвергается полному окислению до СО2 и Н2О. Сначала она при участии пируватдегидрогеназной системы [комплекса ферментов и коферментов, в том числе и кофермента А(КоА=SH)] окисляется до СО2 и ацетилкофермента А (СН3СО = S = КоА). Последний вступает в сложный цикл реакций, называемый циклом трикарбоновых кислот (цикл Кребса, рис. 29), с образованием три-и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (с отщеплением 2Н) и декарбоксилирующихся (с отщеплением СО2).

Рис. 29. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

На рис. 29 видно, что окисление одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается выделением трех молекул СО2 и пяти пар водородных атомов. Водород, отнятый от окисляемых кислот, посредством коферментов (НАД и ФАД) соответствующих дегидрогеназ передается по так называемой дыхательной цепи, состоящей из комплекса ферментов, к конечному акцептору – молекулярному кислороду.

Важными компонентами дыхательной (называемой также электротранспортной) цепи, участвующими в окислении водорода, являются флавиновые ферменты, хиноны, цитохромы.

Из приведенной схемы дыхательной цепи видно, что водород восстановленного НАД·2Н переносится на кофермент (ФАД) флавинового фермента, который восстанавливается в ФАД·2Н. С восстановленной флавиновой дегидрогеназы водород передается на убихинон – кофермент Q (KoQ), который в свою очередь передает водород на цитохром цитохромной системы. Атом водорода при этом расщепляется на ион водорода (Н+) и электрон (е-). Цитохромы способны воспринимать только электроны. 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. Завершает реакцию окисление восстановленной цитохромоксидазы молекулой кислорода, в результате чего образуется вода. На этом и заканчивается полное окисление исходного органического вещества при дыхании большинства аэробных микроорганизмов.

Энергия, освобождающаяся при переносе электронов, в отдельных участках дыхательной цепи частично затрачивается при участии фермента АТФ-синтазы на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т.е. запасается в форме богатой энергией фосфатной связи АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием (см. схему дыхательной цепи – рис. 30).

Рис. 30. Схема дыхательной цепи

Компоненты дыхательной цепи у прокариотов локализованы в цитоплазматической мембране и мезосомах, у эукариотов – в мембране митохондрий.

Некоторые аэробные гетеротрофные микроорганизмы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ при этом в среде накапливаются недоокисленные продукты, преимущественно органические кислоты.

При неполном окислении энергетического материала высвобождается соответственно меньшее количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остается в продуктах неполного окисления. Например, некоторые мицелиальные грибы в определенных условиях окисляют сахар с образованием воды и различных органических кислот – глюконовой, молочной, лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды:

С2Н5ОН + О2 → СН3СООН + Н2О + 0,48·106 Дж.

В молекуле спирта заключено энергии 1,37·106 Дж. Как видно из уравнения, освобождается только часть энергии, много ее остается в уксусной кислоте.

Анаэробные микроорганизмы

Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые дрожжи, получают необходимую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения. Этот энергодающий процесс протекает также путем сопряженного окислениявосстановления, но без участия в нем кислорода.

Конечным акцептором водорода, отнятого от окисляемого органического вещества, служат органические вещества – промежуточные продукты распада используемого субстрата.

Анаэробные микроорганизмы подразделяют на облигатные, или безусловные, анаэробы, для которых кислород не только не нужен, но и вреден, и факультативные, или условные, анаэробы, среди которых различают два типа. Одни из них лучше развиваются в анаэробных условиях, хотя могут жить в присутствии кислорода, но не способны его использовать (например, молочнокислые бактерии). Другие факультативные анаэробы (например, дрожжи) способны в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.

Энергетическим материалом при брожении чаще служат углеводы, из них в наибольшей степени используется глюкоза.

Превращение глюкозы до образования пировиноградной кислоты протекает чаще, как и у аэробов, по гликолитическому пути (см. выше); эта стадия превращения углерода и является энергодающим этапом.

Дальнейшее превращение образующихся пировиноградной кислоты и промежуточного переносчика водорода НАД·Н2 у анаэробов иное, чем у аэробов. Пировиноградная кислота в бродильных процессах является предшественником разнообразных продуктов брожения (спиртов, органических кислот и др.).

У одних анаэробов она непосредственно служит конечным акцептором водорода от НАД·Н2 и восстанавливается в продукт брожения — молочную кислоту; при этом НАД·Н2 окисляется в НАД. У других анаэробов из пировиноградной кислоты образуются различные промежуточные продукты, которые служат затем акцепторами водорода от НАД·Н2. Последний регенерируется, а акцептировавшие водород восстановленные органические соединения, являющиеся конечными продуктами брожения, выделяются в окружающую среду. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, и сам процесс брожения имеет соответствующее название.

Примерами такого типа получения энергии могут служить следующие виды брожения.

Спиртовое брожение, которое осуществляется многими дрожжами в анаэробных условиях:

C6H12O6 → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 0,118·106 Дж.

Молочнокислое брожение – это процесс получения энергии молочнокислыми бактериями:

С6Н1206 → 2СН3СНОНСООН + 0,094·106 Дж.

Маслянокислое брожение вызывается облигатно-анаэробными маслянокислыми бактериями:

С6Н12Об → С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 0,063·106 Дж.

Как видно из уравнений, среди конечных продуктов брожения всегда имеются продукты неполного окисления, сохраняющие значительное количество потенциальной энергии.

Известно много и других брожений, отдельные типы которых различаются составом конечных продуктов, характер которых зависит от свойств возбудителя брожения и от комплекса его ферментов (рис. 31).

Рис. 31. Некоторые продукты анаэробного расщепления пировиноградной кислоты

Многие бродильные процессы применяются в промышленности или являются причиной порчи пищевых продуктов. Подробнее эти процессы рассматриваются в главе 3.

В анаэробных условиях некоторые микроорганизмы при окислении органических веществ в качестве конечного акцептора водорода (в процессе транспорта электронов, поставляющем энергию) могут использовать окисленные неорганические соединения так называемые вещества – «носители кислорода». Следовательно, для этих микроорганизмов роль окислителя играет не свободный, а «связанный» кислород. Такого рода получение энергии в принципе сходно с дыханием аэробов. Но поскольку процесс осуществляется в анаэробных условиях, его называют анаэробным дыханием.

Этой способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, использующие в качестве конечного акцептора электронов нитраты, восстанавливая их до молекулярного азота, – нитратное дыхание.

У десульфатирующих (сульфатредуцирующих) бактерий конечным акцептором водорода (электронов) служат сульфаты, восстанавливающиеся при этом до сероводорода, – сульфатное дыхание.

Таким образом, различие между аэробным и анаэробным процессом получения энергии у хемогетеротрофов заключается в природе конечного акцептора водорода (окислителя).

Рассмотренные выше процессы (дыхание, брожение) следует расценивать не только как процессы, обеспечивающие организм энергией. Многие промежуточные продукты распада углеводов служат исходным материалом для синтеза многих компонентов клетки (белков, нуклеиновых кислот, липидов и др.)

Важным поставщиком веществ для биосинтетических процессов является цикл Кребса (рис. 29). Образующиеся в этом цикле ди-и трикарбоновые кислоты путем аминирования и переаминирования далее превращаются в различные аминокислоты, из которых синтезируются белки.

Использование энергии микроорганизмами

Свободная энергия, освобождаемая в процессах дыхания и брожения, не может быть непосредственно использована клеткой. Она должна быть преобразована в биологически доступную форму – в химическую энергию макроэргических фосфатных связей фосфорорганических соединений, главным из которых является АТФ.

АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между реакциями, доставляющими энергию, и реакциями, потребляющими ее. АТФ называют «энергетической валютой» клетки. Из этого своеобразного аккумулятора организм черпает энергию для удовлетворения своих потребностей.

АТФ локализуется в особых структурах клетки – в мезосомах или в митахондриях. В энергетическом отношении дыхание – значительно более выгодный процесс, чем брожение.

Как указывалось ранее, в процессе брожения синтез АТФ происходит лишь путем субстратного фосфорилирования. Полезный эффект состоит в образовании двух молекул АТФ. Макроэргическая фосфатная связь АТФ содержит энергии около 4,2·104 Дж. Следовательно, при использовании одного моля глюкозы (потенциальный запас энергии 2,87·106 Дж) в клетках анаэробов запасается всего лишь около 0,09·106 Дж. Большая часть энергии остается в выделяемых в среду органических веществах – конечных продуктах брожения, часть теряется и в форме тепловой энергии.

У аэробов в процессе дыхания при полном окислении одного моля глюкозы синтезируется значительно больше АТФ.

Установлено, что при продвижении по дыхательной цепи пары атомов водорода (пары электронов) к атому кислорода – при образовании молекулы воды – синтезируется три моля АТФ (рис. 30).

Из приведенной схемы цикла Кребса (рис. 29) видно, что окисление одного моля пировиноградной кислоты сопровождается отнятием пяти пар атомов водорода. В процессе окисления участвует два моля пировиноградной кислоты. Кроме того, при гликолизе глюкозы до пировиноградной кислоты (рис. 28) образуется 2НАД·Н2. Следовательно, в дыхательную цепь поступает 12 пар атомов водорода – синтезируется 12·3 = 36 молей АТФ. Два моля АТФ образуется еще при гликолизе в реакциях фосфорилирования на уровне субстрата. Всего, таким образом, синтезируется 38 молей АТФ, т.е. резервируется около 1,6·106 Дж.

Аэробы полезно используют около 50% энергии (заключенной в моле глюкозы) и около 50% теряется в виде тепла. Этим и объясняется явление самосогревания навоза, зерна, круп, рыбной муки, клубней картофеля, когда вследствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы.

При самосогревании зерновая масса приобретает не свойственные здоровому зерну запах и цвет. Происходит потеря массы, значительно снижаются всхожесть, технологические качества зерна и может быть полностью потеряна потребительская ценность продукта.

Самосогревание торфа, недостаточно просушенного сена, хлопка и других материалов, возникающее при массовом развитии микроорганизмов, иногда приводит к самовозгоранию.

У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение неиспользованной энергии в форме световой. Такой способностью обладают некоторые бактерии, грибы, протисты. Свечение морской воды, сгнившего дерева, рыбы объясняется присутствием в них светящихся микроорганизмов.