Метаболизм, превращение энергии

А) Конструктивный метаболизм.

Обязательной фазой питания бактерий является усвоение питательных веществ, то есть включение их в изменённом или модифицированном виде в синтетические реакции по воспроизведению клеточных компонентов и структур.

Белковый обмен у бактерий может протекать в 3 фазы: первичный распад белка, вторичный распад и синтез белка. Первичный распад белковых молекул до пептонов осуществляют экзоферменты – экзопротеазы, выделяемые бактериями в окружающую среду. Вторичный распад происходит под действием эндоферментов (эндопротеаз), которые имеют все бактерии. Этот процесс протекает внутри бактериальной клетки и заключается в расщеплении пептидов до составляющих их аминокислот. Последние могут быть использованы в неизменённом виде или быть подвергнуты химическим преобразованиям (дезаминирование, декарбоксилирование и др.), в результате которых появляются аммиак, индол, сероводород, кетокислоты, спирт, углекислый газ и др. Обнаружение указанных соединений имеет в бактериологии диагностическое значение.

Наряду с реакциями расщепления белков, происходят реакции их синтеза. Одни бактерии образуют белки из готовых аминокислот, полученных в результате внешнего питания, другие бактерии самостоятельно синтезируют аминокислоты из простых соединений, содержащих азот и углерод. Синтез аминокислот может осуществляться в реакциях аминирования, переаминирования, амидирования, карбоксилирования. Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. Особенностью биосинтеза аминокислот является использование общих биосинтетических путей: цикл трикарбоновых кислот, гликолиз, окислительный пентозо-фосфатный путь и др. Основным исходным соединением для синтеза аминокислот является пируват и фумарат.

Углеводный обмен у автотрофов и гетеротрофов имеет отличия (схема 1). Бактерии-автотрофы все необходимые углеводы синтезируют из углекислого газа. Сырьём для образования углеводов у бактерий-гетеротрофов могут служить: (1) одно-, двух- и трёхуглеродные соединения; и (2) полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза). Для расщепления последних многие бактерии-гетеротрофы имеют экзоферменты (амилаза, пектиназа и др.), которые проводят гидролиз полисахаридов до образования глюкозы, мальтозы, фруктозы и пр.

У бактерий-автотрофов в цикле Кальвина из углекислого газа образуется рибулозофосфат-фосфорно-глицериновая кислота, которая включается в реакции гликолиза, идущие в обратном направлении. Конечным продуктом обратного синтеза является глюкоза.

Бактерии-гетеротрофы образуют глюкозу из одно-, двух- и трёхуглеродных соединений, также включая их в реакции обратного гликолиза. Ввиду того, что некоторые реакции гликолиза необратимы, у гетеротрофов сформировались специальные ферментативные реакции, позволяющие обходить необратимые реакции катаболического пути.

При расщеплении бактериями-гетеротрофами полисахаридов образующиеся дисахариды поступают внутрь клеток и под влиянием мальтозы, сахарозы, лактозы подвергаются гидролизу и распаду на моносахара, которые затем сбраживаются либо включаются в реакции взаимопревращения сахаров.

Липидный обмен. Исходными материалами для образования липидов у бактерий могут служить как экзогенные липиды, так и амфиболиты межуточного обмена. Экзогенные липиды подвергаются действию бактериальных липаз и других липолитических ферментов. Многие виды бактерий усваивают глицерин, который служит источником пластического материала и энергии. Эндогенными источниками для синтеза липидов могут быть ацетилкоэнзим А, пропионил-АПБ, малонил-АПБ (АПБ – ацетилпереносящий белок), фосфодиоксиацетон и др.

Исходным субстратом для синтеза жирных кислот с чётным числом углеродных атомов служит ацетилкоэнзим А, для жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов – пропионил-АПБ и малонил-АПБ. Образование двойных связей в молекуле кислоты у аэробных прокариот происходит при участии молекулярного кислорода и фермента десатуразы. У анаэробных прокариот двойные связи вводятся на ранних этапах синтеза в результате реакции дегидратации. Исходным субстратом для синтеза фосфолипидов служит фосфодиоксиацетон (промежуточное соединение гликолитического пути), восстановление которого приводит к образованию 3-фосфороглицерина. К последнему затем присоединяются 2 остатка жирных кислот в виде комплекса с АПБ. Продуктом реакции является фосфатидная кислота, активирование которой с помощью ЦТФ и последующее присоединение к фосфатной группе серина, инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу соответствующих фосфолипидов.

Ауксотрофные и гипотрофные по жирным кислотам микроорганизмы (например, микоплазмы) получают их в готовом виде из клеток хозяина или питательной среды.

Мононуклеотидный обмен. Пуриновые и пиримидиновые мононуклеотиды являются важнейшими компонентами ДНК и РНК. Многие прокариоты способны как использовать содержащиеся в питательной среде готовые пуриновые и пиримидиновые основания, их нуклеозиды и нуклеотиды, так и синтезировать их из низкомолекулярных веществ. Бактерии располагают ферментами, катализирующими следующие этапы взаимопревращений экзогенных пуриновых и пиримидиновых производных: азотистое основание – нуклеозид – нуклеотид (моно- – ди- – трифосфат).

Синтез пуриновых и пиримидиновых мононуклеотидов de novo осуществляется независимыми путями. При синтезе пуриновых нуклеотидов в результате последовательных ферментативных реакций образуется инозиновая кислота, из которой путём химических модификаций пуринового кольца синтезируются адениловая (АМФ) и гуаниловая (ГМФ) кислоты. Синтез пиримидиновых нуклеотидов начинается с образования оротидиловой кислоты, декарбоксилирование которой даёт уридиловую кислоту (УМФ). Из последней образуется УТФ, ацилирование которого приводит к возникновению ЦТФ.

Дезоксирибонуклеотиды образуются в результате восстановления соответствующих рибонуклеотидов на уровне дифосфатов или трифосфатов. Синтез специфического для ДНК нуклеотида – тимидиловой кислоты происходит путём ферментативного метилирования дезоксиуридиловой кислоты.

Ионный обмен. Минеральные соединения – ионы, NH₃⁺, К⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, SO₄^2-, PO₄^3- и другие бактерии получают из окружающей среды как в свободном, так и в связанном с другими органическими веществами состоянии. Катионы и анионы транспортируются в бактериальную клетку различными способами, описанными в § 3. На скорость проникновения ионов в бактериальную клетку влияют рН среды и физиологическая активность самих микроорганизмов.

Б) Дыхание бактерий (энергетический метаболизм).

Все процессы жизнедеятельности энергозависимы, поэтому добывание энергии является крайне важной стороной метаболизма прокариот. Они получают энергию при анаэробном и аэробном дыхании.

Дыхание, или биологическое окисление – это катаболический процесс переноса электронов от вещества-донора на вещество-акцептор, сопровождающийся накоплением энергии в макроэргических соединениях. Дыхание осуществляется в процессе катаболических реакций, в результате которых сложные органические вещества, расщепляясь, отдают энергию и превращаются в простые соединения. Аккумулированная в макроэргических веществах (АТФ, ГТФ, УТФ и др.) энергия используется в анаболических реакциях.

По способу дыхания микроорганизмы подразделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.

Облигатные аэробы нуждаются в свободном кислороде. Донорами электронов у патогенных для человека аэробов-хемоорганотрофов являются органические соединения (углеводы, жиры, белки), акцептором электронов – молекулярный кислород. Запасание энергии в виде АТФ у аэробов-хемоорганотрофов происходит при окислительном фосфорилировании доноров электронов. Аэробы обладают цитохромами (участвуют в переносе электронов), а также ферментами (каталаза, супероксиддисмутаза, пероксидаза), инактивирующими токсические кислородные радикалы, образующиеся при дыхании. Супероксиддисмутаза инактивирует наиболее токсичный метаболит – супероксидрадикал в Н₂О₂. Фермент каталаза превращает Н₂О₂ в Н₂О и О₂.

Особую группу аэробов составляют микроаэрофильные бактерии, которые хотя и нуждаются в кислороде для получения энергии, лучше растут при повышенном содержании СО₂, например, бактерии родов Campylobacter и Helicobacter.

Облигатные анаэробы не нуждаются в свободном кислороде, напротив, даже в малых количествах кислород оказывает на них токсическое действие. Донорами электронов у патогенных для человека анаэробов-хемоорганотрофов служат различные органические соединения (преимущественно углеводы). Акцептором электронов у анаэробов-хемоорганотрофов являются органические кислородсодержащие соединения – кислоты или кетоны, то есть акцептор электрона - связанный с органическим фрагментом кислород. Запасание энергии у этих прокариот происходит при субстратном фосфорилировании. Облигатные анаэробы, как правило, не имеют цитохромов и ферментов, инактивирующих кислородные радикалы (каталазо- и супероксидисмутазоотрицательны).

У непатогенных для человека анаэробов хемолитотрофов акцептором электронов являются неорганические кислородсодержащие соединения – нитраты, сульфаты, карбонаты.

Особую группу анаэробов составляют аэротолерантные бактерии, которые способны расти в присутствии атмосферного кислорода, но не используют его в качестве акцептора электронов (например, молочнокислые бактерии). Аэротолерантные прокариоты каталазо- и супероксиддисмутазопозитивны.

Факультативные анаэробы способны существовать как в кислородной, так и в бескислородной средах. Донорами электронов у них являются органические вещества; акцепторами электронов, в зависимости от условий среды – молекулярный или связанный в органических и неорганических соединениях кислород. Энергия факультативными анаэробами может аккумулироваться как при окислительном, так и при субстратном фосфорилировании. Как и аэробы, данная группа бактерий имеет цитохромы и ферменты антиоксидантной защиты.

Основным субстратом для получения энергии являются углеводы, которые у разных по типу дыхания хемогетеротрофных прокариот могут катаболизироваться до ацетилкоэнзима А («активированная уксусная кислота»). В качестве энергетических субстратов могут выступать липиды и белки, поскольку ацетилкоэнзим А также является одним из промежуточных продуктов их метаболизма (схема 2).

Катаболизм углеводов у хемоорганотрофных прокариот включает: (а) анаэробные процессы – гликолиз, пентозофосфатный путь и кетодезоксифосфоглюконатный путь; (б) аэробный процесс – цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Анаэробные процессы имеют место у всех прокариот, тогда как аэробный процесс характерен только для облигатных аэробов и факультативных анаэробов. В основе получения энергии анаэробными путями лежит субстратное фосфорилирование, в основе аэробного процесса – окислительное фосфорилирование.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒