Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 24Следующая ⇒

Слайд №3 Конструктивный метаболизм - это совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом.

Слайд №4Для удобства понимания конструктивный и энергетический обмены рассматриваются, как правило, по отдельности. Однако разграничить процессы получения энергии и процессы, связанные с конструктивным метаболизмом, крайне сложно, так как они тесно взаимосвязаны. Особенно трудно произвести это разделение в том случае, когда одно и то же вещество потребляется и для построения клетки и как энергетический субстрат. Связующие звенья процессов распада и биосинтеза — продукты неполного окисления, поскольку они используются не только для получения энергии, но и как строительный материал. Поэтому иногда даже не возникает необходимость в глубоком окислении субстрата для получения возможно большего количества энергии. Бактериальная клетка всегда поддерживает гибкий (в зависимости от условий внешней среды) баланс между реакциями катаболизма и анаболизма (рисунок 1).

Слайд №5 Образование аденозинтрифосфата (АТФ) представляет собой основной механизм, с помощью которого запасается и перераспределяется некоторое количество свободной энергии; большая часть энергии рассеивается в виде тепла. АТФ может служить донором фосфатной группы для множества промежуточных продуктов обмена (интермедиатов), переводя их в активированную форму. Стандартная свободная энергия (∆ G) интермедиатов при этом повышается настолько, что позволяет им в фосфорилированной форме участвовать в термодинамически выгодных процессах (-∆ G). В то же время подобная реакция с участием нефосфорилированной формы реагирующего вещества была бы термодинамически невыгодной (+∆ G). Фосфорилирование гексоз — первый этап как в процессах синтеза полимерных углеводов, так и при катаболическом разложении сахаров.

Таким образом, фосфорилированный углевод может быть трансформирован в компонент цитоплазмы (полисахарид), либо ферментирован на более простые вещества. Эти разнонаправленные превращения ключевых интермедиатов в фосфорилированной форме позволяют клетке сбалансированно регулировать пути катаболизма и биосинтеза.

1.2 Участие отдельных химических элементов в конструктивном метаболизме

Слайд №6 1.2.1 Азот. Наряду с углеродом, водородом и кислородом, азот является одним из четырех основных элементов, участвующих в построении клетки. В расчете на сухие вещества в клетках его содержится приблизительно 10%. Природный азот бывает в окисленной, восстановленной и молекулярной формах. Подавляющее большинство прокариот усваивают азот в восстановленной форме. Это соли аммония, мочевины, органические соединения (аминокислоты или пептиды). Окисленные формы азота, главным образом нитраты, также могут потребляться многими прокариотами. Так как азот в конструктивном клеточном метаболизме используется в форме аммиака, нитраты перед включением в органические соединения должны быть восстановлены.

Слайд №7 Восстановление нитратов до аммиака осуществляется посредством последовательного действия двух ферментов: нитрат- и нитритредуктазы. Нитратредуктаза катализирует НАД-Н₂ (никотинамидадениндинуклеотид) - зависимое восстановление нитрата до нитрита, а затем нитритредуктаза катализирует восстановление NO₂^-до NH_3.

Молекулы мочевины и органических соединений также должны быть подвергнуты соответствующим ферментативным воздействиям, сопровождающимся высвобождением аммиака.

Известна способность некоторых видов микроорганизмов использовать молекулярный азот атмосферы. Этим свойством обладают многие прокариоты, принадлежащие к разным группам: эу- и архебактерий, аэробы и анаэробы, фототрофы и хемотрофы, свободноживущие и симбиотические формы. Фиксация молекулярного азота также приводит к восстановлению его до аммиака.

Слайд №8 1.2.2 Сера и фосфор. Сера входит в состав аминокислот (цистин, цистеин, метионин), витаминов и кофакторов, некоторых ферментов (биотин, липоевая кислота, кофермент А и др.), а фосфор является компонентом нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. В природе сера находится в форме неорганических солей, главным образом сульфатов, в виде молекулярной (элементной) серы или входит в состав органических соединений. Большинство прокариот для биосинтетических целей потребляют серу в форме сульфата, который при этом восстанавливается до уровня сульфида. Основной формой фосфора в природе являются фосфаты, которые используются прокариотами.

Слайд №9 1.2.3 Ионы мeталлов. Всем микроорганизмам необходимы металлы, которые используются в форме катионов неорганических солей. Некоторые из них (магний, кальций, калий, железо) нужны в достаточно высоких концентрациях, потребность в других (цинк, марганец, натрий, молибден, медь, ванадий, никель, кобальт)- невелика. Роль перечисленных выше металлов определяется тем, что они входят в состав основных клеточных метаболитов и, таким образом, участвуют в осуществлении жизненно важных функций микроорганизма.

1.3 Углеродные соединения, используемые в реакциях биосинтеза

Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы низкомолекулярные соединения (например, сахара или аминокислоты). Мономеры, необходимые для построения основных клеточных компонентов, могут быть синтезированы клеткой или поступать в готовом виде из окружающей среды. При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтетические процессы. Однако гораздо чаще бактериям приходится самим синтезировать большую часть молекул предшественников из доступных исходных продуктов.

Слайд №10 На рисунке 2 представлена общая схема биосинтеза клеточного материала из глюкозы, показывающая основные направления получения из низкомолекулярных веществ (мономеров) макромолекулярных соединений (белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот), которые являются важными структурными микробной клетки.

1 . 3.1 Использование углеродабактериями с различным типом питания для биосинтеза компонентов клетки

В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду, поскольку все соединения, из которых построены живые организмы, — это соединения углерода. Прокариоты способны использовать любое известное углеродное соединение в своем метаболизме.

Слайд №11 В зависимости от источника углерода, необходимого для конструктивного метаболизма, все прокариоты делятся на две группы:

автотрофы, к которым принадлежат организмы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты, и

гетеротрофы, источником углерода для конструктивного метаболизма которых служат органические соединения. (Термин " автотрофия" означает питающийся самостоятельно, " гетеротрофия" — питающийся другими; от греческих слов: autos—сам, heteros— другой, trophe — пища).

Понятия " авто-" и " гетеротрофия" характеризуют тип конструктивного метаболизма микроорганизмов.

Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, относящимся к облигатным внутриклеточным паразитам, т.е. организмам, которые могут жить только внутри других живых клеток. Паразитический образ жизни привел к редукции некоторых метаболических путей у этих видов микроорганизмов.

Паразитические прокариоты можно выращивать на богатых питательных средах. Эти среды, как правило, содержат белки или продукты их неглубокого гидролиза (пептиды), полный набор витаминов, фрагменты нуклеиновых кислот и т. д. Для приготовления питательных сред такого состава используют мясные гидролизаты, цельную кровь или ее сыворотку. Виды, способные расти при создании подходящих условий на искусственных питательных средах, а не только в организме хозяина, называют факультативными паразитами.

Следующую группу прокариот составляют так называемые сапрофиты — гетеротрофные организмы, которые в отличии от других микроорганизмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях. (Термин " сапрофиты" происходит от греческих слов sapros — гнилой и phyton— растение).

Они используют продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть бактерий. Степень требовательности к субстрату у сапрофитов весьма различна. В эту группу входят организмы, которые могут расти только на достаточно сложных субстратах (молоко, гниющие растительные остатки), т.е. им нужны в качестве обязательных элементов питания углеводы, органические формы азота в виде набора аминокислот, пептидов, белков, все или часть витаминов, нуклеотиды или готовые компоненты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот (азотистые основания, пятиуглеродные сахара). Чтобы удовлетворить потребность этих гетеротрофов в элементах питания, их обычно культивируют на средах, содержащих мясные гидролизаты, автолизаты дрожжей, растительные экстракты, молочную сыворотку.

Особую группу гетеротрофных прокариот, обитающих в водоемах, составляют олиготрофные бактерии, способные расти при низких концентрациях в среде органических веществ. Организмы, предпочитающие высокие концентрации питательных веществ, относят к копиотрофам. (Термины происходят от греческих слов: oliaos — малый и trophe — пища, латинского copia — изобилие).

1.4 Пировиноградная кислота - ключевой метаболит катаболических и анаболических (синтетических) процессов

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту у аэробов и анаэробов катализируется ферментами гликолиза. Обратный процесс — превращение пировиноградной кислоты в глюкозу — центральный путь биосинтеза моно- и полисахаридов. Таким образом, пировиноградная кислота занимает центральное место в обмене веществ у бактерий. Особую ценность имеет свойство пирувата постепенно высвобождать энергию в ходе последовательных реакций катаболизма. При этом пировиноградная кислота служит энергетическим субстратом не только при распаде углеводов, но и белков, так как окислительное дезаминирование аминокислот приводит к образованию кетокислот, а также пирувата.

Слайд №12 В пластическом обмене пируват служит источником синтеза углеводов, белков, жиров и других соединений. Таким образом, пировиноградная кислота или любое соединение, превращение которого ведёт к образованию пирувата, может быть единственным органическим веществом, обусловливающим рост и развитие бактерий.

2. Синтез структурных компонентов микробной клетки

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒
Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 597; Нарушение авторского права страницы