Энергетический метаболизм. Механизм биологического окисления.

В процессе жизнедеятельности бактерии постоянно нуждаются в энергии, она используется для переноса в клетку питательных веществ, необходимых для воспроизводства клеточных структур, для синтеза многих соединений, расходуется при движении и размножении бактерий.

Большинство бактерий получает энергию путем биологического окисления.

Биологические окисление – окисление органических или неорганических веществ живыми организмами, происходит путем дегидрирования, т.е. отнятия атомов водорода (электронов) от окисляемого вещества (донора) с последующим переносом на другое вещество (акцептор), которое при этом восстанавливается.

В результате высвобождается энергия, которая накапливается в виде макроэргических соединений: АТФ (аденозинтрифосфат), ГТФ (гуанозинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат), ФЕП (фосфоенолпируват), УТФ (уридинтрифосфат), дТТФ (дезокситимидинтрифосфат), ацетилфосфат, креатинфосфат, ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА). Среди них наиболее важен АТФ, т.к. это – термодинамически неустойчивая молекула и последовательно отщепляет фосфат с образованием аденозиндифосфата (АДФ) или аденозинмонофосфата (АМФ). Это позволяет АТФ выполнять функции переносчика химической энергии, необходимой для обеспечения энергетических потребностей бактериальных клеток. При образовании фосфатных связей АТФ требуется энергия, но при их разрыве она выделяется в еще больших количествах.

Схема биологического окисления:

Донор Н⁺ АДФ АТФ Акцептор Н⁺

электроны

Образование АТФ происходит в процессе фосфорилирования. Фосфорилирование – это процесс переноса фосфатной группы с образованием макроэргических связей.

Виды фосфорилирования:

Ø фотофосфорилирование (фотосинтез);

Ø субстратное фосфорилирование (брожение);

Ø окислительное фосфорилирование (дыхание).

Фотосинтез – это процесс преобразования световой энергии в клетках фототрофных бактерий в биохимическую доступную энергию (протонный градиент, который с помощью фермента АТФ-синтетазы консервируется в виде АТФ). У бактерий аналог хлоропластов растительных клеток – хроматофоры, содержащие хлорофилл и каротиноидные пигменты.

Субстратное фосфорилирование (брожение)– это способ получения энергии, при котором происходит сопряженное окисление-востановление субстрата без участия кислорода (в строго анаэробных условиях).

Это наиболее примитивный способ получения энергии, т.к. из субстрата извлекается лишь незначительная часть содержащейся в нем энергии.

Брожение было известно человеку давно, однако биологическая сущность доказана в работах Л. Пастера, который установил, что изменения в органическом субстрате – результат жизнедеятельности микроорганизмов.

Процесс брожения протекает в две фазы:

1. Начальная (окисление) – расщепление углеводов до пировиноградной кислоты (пирувата) тремя путями:

Ø гликолитический (гликолиз, путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, фруктозо-1,6-дисфосфатный путь) – 2 АТФ и 2 НАДН₂;

Ø пентозофосфатный (путь Варбурга-Диккенса-Хорекера-Рэкера, фосфоглюконатный путь) – 2 АТФ, 2 НАДФН, пентозофосфат и СО₂;

Ø 2-кето-3дезокси-6-фосфоглюконатный (путь Энтнера-Дудорова, отличается тем, что глюкоза без фосфорилирования окисляется в глюконовую кислоту, последняя превращается в 2-кето-З-фосфоглюконовую кислоту, которая расщепляется на два C₃-фрагмента: ПВК и глицериновый альдегид) – наблюдается только у бактерий рода Pseudomonas, Alcaligenes, у высших организмов отсутствует – 1 АТФ, 1 НАДФ и 1 НАДН₂;

2. Конечная (восстановление) – происходит присоединение атомов водорода для восстановления пировиноградной кислоты, при этом образуются разные продукты, в зависимости от которых выделяют разные типы брожения.

Схема субстратного фосфорилирования (брожения):

Питательный субстрат ПВК ^{дегидразы} конечный продукт

(глюкоза)

Типы брожения:

Процесс субстратного фосфорилирования (брожения) имеет свои достоинства и недостатки.

Достоинства брожения:

v освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности бактерий;

v образование веществ, необходимых для жизнедеятельности человека;

Недостатки брожения:

v неполное окисление субстрата;

v при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется только 2 молекулы АТФ;

v в качестве донора и акцептора электронов служат только органические вещества;

v происходит в строго анаэробных условиях.

Окислительное фосфорилирование (дыхание)– это процесс образования АТФ при переносе электронов от донора к акцептору через дыхательную цепь.

Схема окислительного фосфорилирования (дыхания):

белки глюкоза жиры

^{гликолиз}

полипептиды пируват β-окисление

^{дезаминирование}

аминокислоты ацетил-КоА

8H⁺

O₂ + 2H⁺ --- H₂O

НАД 2НАДН₂ → убихинон → система ^аэробы

ФАД ФАДН₂ цитохромов NO₃^- --- NH₃

НАДФ НАДФН₂ SO₄^2- --- H₂S

^{анаэробы}

Донором электронов могут служить органические (углеводы, жирные кислоты, аминокислоты) и неорганические вещества: H₂S, Fe³⁺ («сероводородное дыхание», «железное дыхание»). Акцептором электронов – только неорганические вещества, которые восстанавливаются. В зависимости от конечного акцептора электронов различают аэробное и анаэробное дыхание.

При аэробном дыхании конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород, который преобразуется в высокотоксичные для клетки соединения: перекись водорода и супероксидный радикал. Аэробные и аэротолерантные (устойчивые к кислороду) прокариоты обладают специальными ферментами, супероксид-дисмутазой и каталазой, катализирующими превращение токсических форм кислорода в воду.

В клетках облигатных анаэробов эти ферменты отсутствуют, поэтому кислород губительно действует на данные бактерии. При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов служат неорганические вещества, содержащие «связанный кислород» (нитраты, нитриты, сульфаты, карбонаты): нитраты восстанавливаются до молекулярного азота или аммиака («нитратное дыхание»), а сульфаты восстанавливаются до сероводорода («сульфатное дыхание»).

Процесс переноса электронов от донора к акцептору при дыхании включает следующие этапы:

1. Окисление субстрата с переносом электронов на внутренний акцептор клетки (НАД, ФАД, НАДФ) через ЦТК (в результате одного оборота цикла происходит 2 декарбоксилирования, 4 дегидрирования и 1 субстратное фосфорилирование);

2. Перенос электронов по дыхательной цепи с образованием АТФ;

3. Перенос электронов на внешний акцептор и возвращение дыхательной цепи в исходное состояние.

Отличия дыхания от брожения:

v полное окисление субстрата;

v освобождение энергии и запасание ее в больших количествах (окисление 1 молекулы глюкозы дает клетке 38 молекул АТФ);

v в качестве донора электронов служат органические и неорганические вещества;

v акцептором электронов являются только неорганические вещества;

v идет с участием электронно-транспортной сети (дыхательной цепи);

v происходит в аэробных и анаэробных условиях;

v процесс дыхания происходит на отсеках ЦПМ и мезосом, а брожение – в растворе.

Классификация микроорганизмов по конечному акцептору электронов:

Ø строгие (облигатные) аэробы – микроорганизмы, у которых акцептором электронов является свободный кислород, а способ получения энергии – аэробное дыхание (пример: дифтерийная палочка, холерный вибрион);

Ø строгие (облигатные) анаэробы – микроорганизмы, у которых конечным акцептором электронов служат:

v органические кислоты, способ получения энергии – брожение, (пример: клостридии);

v неорганические вещества, содержащие «связанный кислород» (сульфаты, нитраты), способ получения энергии – анаэробное дыхание (пример: десульфатирующие и денитрифицирующие бактерии);

Ø факультативные анаэробы (аэробы) – микроорганизмы, у которых в присутствии O₂ происходит аэробное дыхание (конечный акцептор электронов – кислород), при отсутствии O₂ – брожение (конечный акцептор – органические кислоты) (большинство патогенных микроорганизмов);

Ø микроаэрофиллы– конечным акцептором электронов является небольшое количество O₂ (2%), энергию получают путем аэробного дыхания (пример: спирохеты, актиномицеты), некоторые микроаэрофилы лучше растут при повышенном содержании СО₂ – «капнофилы» (пример: нейссерии, бруцеллы);

Ø аэротолерантные – не погибают под действием O₂, но и не используют для получения энергии, конечным акцептором являются органические кислоты, способ получения энергии – брожение (пример: молочнокислые бактерии).

Конструктивный метаболизм.

Анаболизм (конструктивный/пластический метаболизм/ассимиляция)– это реакции, в результате которых синтезируются сложные соединения и структурные компоненты клеток за счет поступающих извне простых веществ, идущие с потреблением энергии, полученной в процессе энергетического метаболизма.

Ø Биосинтез аминокислот осуществляется из пирувата (образуется в гликолитическом цикле), α-кетоглурата и фумарата (из ЦТК), при образовании аминокислот азот вводится в молекулу предшественника на последних этапах биосинтеза при помощи реакций аминирования и переаминирования.

Ø Биосинтез нуклеиновых кислот – строительными блоками являются пуриновых и пиримидиновых нуклеотиды.

Ø Биосинтез углеводов:

v автотрофы, для которых единственным источником углерода является СО₂, усваивают его в реакциях цикла Кальвина;

v гетеротрофы синтезируют углеводы из С₂-С₃ соединений путем гликолиза в обратном направлении.

Ø Биосинтезе жирных кислот происходит путем карбоксилирования ацетил-КоА.