7.1 Понятие о конструктивном и энергетическом обмене
Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающих обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой.
Несмотря на физиологические и морфологические различия между микроорганизмами, обмен веществ в клетке идет тремя основными метаболическими путями:
1. Из внешней среды в клетку поступает энергия либо в виде химической энергии органических веществ, либо в виде энергии солнечного света.
2. Из веществ среды, перенесенных в клетку, собираются «строительные блоки», из которых формируются биополимеры клетки и синтезируются
белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие клеточные компоненты.
3. В клетке постоянно происходят синтез и разрушение биомолекул, выполняющих различные специфические функции. Обмен веществ можно рассматривать как сумму двух явлений:
- катаболизма(энергетического обмена), представляющего собой ферментативное расщепление крупных органических молекул с выделением свободной энергии, которая запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ;
- анаболизма(конструктивного обмена), представляющего собой синтез биополимеров клетки и протекающего с затратой энергии.
Катаболитические и анаболитические превращения осуществляются последовательно, так как продукт реакции предыдущей стадии является субстратом для последующей.
Энергетический обмен тесно связан с конструктивным (рис. 7.1.1). В ходе биологического окисления образуются разнообразные промежуточные продукты (фосфорные эфиры сахаров, пировиноградная, уксусная, щавелевоуксусная, янтарная, -кетоглутаровая кислоты), из которых вначале синтезируются монополимеры (аминокислоты, азотистые основания, моносахариды), а затем основные макромолекулы клетки. Синтез компонентов клетки идет с затратой энергии, которая образуется при энергетическом обмене. Эта энергия затрачивается также на осуществление активного транспорта веществ, необходимых для анаболизма.
| Питательные вещества среды обитания | ||
|---|---|---|
Снимок таблицы для вставки как изображение
| Биополимеры микробной клет- | |
|---|---|
Снимок таблицы для вставки как изображение
К Биополимеры Низкомолекулярные М Е е е е А С Т А А Т Б Р О Н Л Т О гидролитические ферменты И Т И А Ы, А Т У Е Д Б Продукты гидролиза А Б Л Л Я Ь О Е О М ферменты дальнейших превращений Н Ы Ы Е Л А продуктов гидролиза Л Е И З И И К Б Л Ацетил-КоА Л Е З Т З О К И К М окислительно-восстановительные М И ферменты
Цикл Кребса
СО2
АТФ
Энергия макроэргических связей
АМФ
Б
Рис.7.1.1 Схема катаболизма и анаболизма микробной клетки
А – конструктивный обмен; Б – энергетический обмен
Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена заключается и в том, что процессы биосинтеза, кроме энергии, требуют поступления извне восстановителя в виде водорода, источником которого также служат реакции энергетического обмена.
Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и «строительных блоках». Клетка очень экономно высвобождает энергию и нарабатывает строительных блоков ровно столько, сколько необходимо ей в настоящий момент. Этот принцип лежит в основе регуляции и контроля всех стадий метаболических путей в клетке.
Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д. Изучение путей регуляции определенных продуктов обмена веществ в клетке открывает неограниченные возможности для определения оптимальных условий биосинтеза микроорганизмами целевых продуктов.
7.2 Энергетический метаболизм, его сущность. Макроэргические
соединения. Типы фосфорилирования Способы получения энергии у микроорганизмов различны. Некоторые микроорганизмы (фототрофы) способны перерабатывать химическую энергию солнечного света, другие (хемотрофы) получают энергию путем окисления химических соединений.
Окислением принято считать процесс отнятия двух атомов водорода. Этот процесс носит название дегидрирование. Восстановление того или иного соединения представляет собой присоединение двух атомов водорода (гидрирование).
Окисление может быть представлено следующим образом:
АН2 А + 2Н+, В + 2Н+ ВН2 + А Суммарное уравнение: АН2 + В BH2 + А
В этой реакции АН2 – восстановитель или донор ионов водорода, а В – окислитель (акцептор), так как присоединяет ионы водорода.
Водород и электроны, отнятые от окисляемого субстрата (донора), переносятся к конечному акцептору не непосредственно, а ступенчато, поэтапно с помощью окислительно-восстановительных ферментов. К таким ферментам относятся дегидрогеназы, которые переносят водород, и ферменты цитохромной системы – цитохромы и цитохромоксидаза, которые переносят электроны. Дегидрогеназы и цитохромная система образуют дыхательную цепь.
Набором окислительно-восстановительных ферментов объясняется отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду. В зависимости от способа получения энергии и от конечного акцептора водорода микроорганизмы можно разделить на три физиологические группы:
- облигатные аэробы –микроорганизмы, которые не могут существовать без кислорода. Энергию эти микроорганизмы получают в результате окисления веществ в присутствии кислорода воздуха (дыхания). У этих микроорганизмов в клетках имеется полный набор окислительновосстановительных ферментов, осуществляющих перенос протона водорода и электронов на кислород. Примером микроорганизмов этой группы являются микроскопические грибы и уксуснокислые бактерии ;
- облигатные анаэробы– микроорганизмы, для которых кислород является ядом. Такие микроорганизмы получают энергию в процессе брожения. В составе клеток облигатных анаэробов имеются специфические дегидрогеназы и отсутствуют цитохромы и цитохромоксидаза. Представителями облигатных анаэробов являются маслянокислые бактерии рода Clostridium, бифидобактерии;
- факультативные анаэробы –микроорганизмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (осуществляют как дыхание, так и брожение). В клетках факультативных анаэробов присутствуют кроме окислительно-восстановительных ферментов, переносящих водород и электроны на кислород (участвуют в процессе дыхания) специфические ферменты (участвуют в процессе брожения). К факультативным анаэробам относятся дрожжи, молочнокислые, пропионовокислые бактерии и другие микроорганизмы.
Энергия, образуемая при энергетическом обмене, трансформируется в энергию макроэргических связей молекул АТФ. Процесс образования АТФ называется фосфорилированием.
Механизм образования АТФ у разных групп микроорганизмов неодинаков. Поэтому различают субстратное, окислительное и фотофосфорилирование.
Фотофосфорилирование – образование АТФ при поглощении квантов света молекулами хлорофилла. В результате от молекулы хлорофилла отрываются электроны, которые, проходя по цепи переноса электронов, отдают свою энергию системе АДФ-АТФ, в результате чего энергия света трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.
Субстратное фосфорилирование – образование АТФ непосредственно на молекуле субстрата. Протекает в анаэробных условиях на стадиях превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоэнолпировиноградной кислоты в пировиноградную кислоту (в процессе гликолиза).
Окислительное фосфорилирование – образование АТФ одновременно с процессом переноса протонов и электронов по дыхательной цепи ферментов. На каждые 2 атома водорода, поступившие в дыхательную цепь, синтезируются 3 молекулы АТФ. Окислительное фосфорилирование осуществляется аэробными и факультативно-анаэробными микроорганизмами.
7.3 Энергетический
метаболизм хемоорганогетеротрофов, использующих процессы брожения Брожение – окислительно-восстановительный процесс, проходящий в анаэробных условиях и приводящий к образованию АТФ, в котором роль донора и акцептора атомов водорода (или соответствующих электронов) играют органические соединения. Образование молекул АТФ при брожении происходит путем субстратного фосфорилирования.
Чаще всего в процессах брожения микроорганизмы используют углеводы.
Существует несколько типов брожения, названия которых даются по конечному продукту: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, ацетонобутиловое, маслянокислое и т.д.
Первый этап окисления углеводов в процессе брожения (рис. 7.2) включает гидролиз углеводов до простых сахаров и изомеризацию их до глюкозы.
На втором этапе глюкоза через ряд последовательных реакций окисляется в пировиноградную кислоту. Этот процесс называется гликолизом. Основными стадиями гликолиза являются присоединение фосфатных групп от молекулы АТФ и превращение во фруктозо-1,6-дифосфат. Далее фруктозо-1,6дифосфат превращается в фосфоглицериновый альдегид, который через ряд последовательных реакций превращается в пировиноградную кислоту. При этом образуется свободная энергия, достаточная для образования 4 молекул АТФ. Так как 2 АТФ затрачиваются на активацию глюкозы, то энергетическая ценность любого брожения – образование из одной молекулы глюкозы двух молекул АТФ (энергетическая ценность брожения). Следует отметить также, что при гликолизе восстанавливается дегидрогеназа (2 НАДН2).
Третий этап. Пировиноградная кислота при серии последовательных реакций претерпевает превращения, характер которых зависит от ферментативных особенностей того или иного возбудителя. Так, в клетках дрожжей
имеются специфические ферменты – пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа, осуществляющие превращение ПВК в этиловый спирт.
7.4 Энергетический
метаболизм хемоорганогетеротрофов, использующих процесс дыхания Аэробное дыхание – окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ, при котором роль доноров водорода (электронов) играют органические соединения, а роль акцептора выполняет молекулярный кислород.
Процесс протекает в аэробных условиях, а конечными продуктами дыхания являются СО2 и Н2О.
Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов выражается уравнением:
С6Н12О6 + 6 О2 6 СО2 + 6 Н2О + 2820 кДж глюкоза Начальная стадия превращения углеводов, вплоть до образования пировиноградной кислоты, полностью идентична ферментативным реакциям окисления в процессе брожения (см. п.7.3).
В клетках аэробов ПВК может быть окислена полностью в цикле Кребса через промежуточное соединение – ацетил КоА. При этом водород, отнятый дегидрогеназами, в цикле передается в дыхательную цепь ферментов, которая у аэробов, кроме НАД, включает ФАД, систему цитохромов и конечный акцептор водорода - кислород. При этом на каждые 2 атома водорода, поступающие в дыхательную цепь, синтезируются 3 молекулы АТФ.
Таким образом, суммарный энергетический эффект процесса окисления одной молекулы глюкозы теоретически составляет 38 молекул АТФ, причем 2 молекулы АТФ образуются в результате субстратного фосфорилирования, а 36 АТФ – при окислительном фосфорилировании. Следует учитывать, что часть энергии, образуемой при окислительном фосфорилировании, теряется и количество образуемой энергии меньше теоретически возможного выхода.
Окисление питательных веществ не всегда идет до конца. Некоторые аэробы окисляют органические соединения частично, при этом в среде накапливаются промежуточные продукты окисления. Такие окислительновосстановительные процессы, протекающие в аэробных условиях, называются неполным окислением или окислительным брожением.
Примерами неполных окислений являются окисление углеводов до органических кислот (щавелевой, глюконовой, итаконовой, уксусной, лимонной) аэробными микроорганизмами – микроскопическими грибами и уксуснокислыми бактериями.
Так, окисление глюкозы в лимонную кислоту можно представить следующим суммарным уравнением:
2С6Н12О6 + 3О2 2С6Н8О7 + 4Н2О + Е глюкоза лимонная кислота Продуцентом лимонной кислоты является гриб Aspergillus niger. Вопросы для самопроверки
1. Что такое «анаболизм»?
2. В чем сущность энергетического обмена?
3. В чем состоит взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена?
4. Что такое «фосфорилирование»?
5. Какие типы фосфорилирования Вы знаете?
6. Что понимается под «биологическим окислением?
7. Что такое «брожение»?
8. Как называется процесс аэробного окисления глюкозы до углекислого газа и воды?
9. Что такое «неполные окисления» или «окислительные брожения»? Привести примеры.
10. Чем «типичные брожения» отличаются от «окислительных брожений»?
11. Какие ферменты принимают участие в энергетическом обмене аэробов, факультативных анаэробов, облигатных анаэробов?
12. Что подразумевается под «амфиболитическими путями»?
13. Что такое гликолиз? 14.Какие микроорганизмы могут получать энергию путем окислительного фосфорилирования?
15. Каков энергетический эффект процесса дыхания?
16. Какое количество молекул АТФ образуется при анаэробном окислении одной молекулы глюкозы?
17. Перечислить основные этапы анаэробного окисления глюкозы.
18. Перечислить основные этапы аэробного окисления глюкозы.
19. Привести суммарную реакцию процесса дыхания.
20. На какие группы делятся микроорганизмы в зависимости от отношения к кислороду?
21. Какие окислительно-восстановительные ферменты имеются в клетках облигатных анаэробов?
22. Привести примеры микроорганизмов, которые относятся к факультативным анаэробам.
23. Какое вещество является акцептором протонов водорода при дыхании?
24. Какие специфические ферменты принимают участие в процессе превращения пировиноградной кислоты в этиловый спирт?