Метаболизм микроорганизмов

Метаболизм – это совокупность биохимических процессов, протекающих в клетке и обеспечивающих ее жизнедеятельность. Клеточный метаболизм складывается из двух противоположно направленных процессов: энергетического метаболизма (катаболизма) и конструктивного метаболизма (анаболизма).

Энергетический метаболизм (катаболизм) – это совокупность реакций окисления различных восстановленных органических и неорганических соединений, сопровождающихся выделением энергии, аккумулируемой клеткой в форме фосфатных связей.

Конструктивный метаболизм (анаболизм) – это совокупность реакций биосинтеза, в результате которых за счет веществ, поступающих извне, и промежуточных продуктов, образующихся при катаболизме, синтезируется вещество клеток. Этот процесс связан с потреблением свободной энергии, запасенной в молекулах АТФ или других богатых энергией соединениях.

Конструктивный и энергетический метаболизм состоит из ряда последовательных ферментативных реакций, протекание которых условно можно представить следующим образом. На начальном этапе воздействию подвергаются молекулы химических веществ, которые служат исходными субстратами для метаболизма обоих типов. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к синтезу промежуточных продуктов. Образующиеся на последних этапах конечные продукты конструктивных путей используются для построения вещества клеток, а энергетических – выделяются в окружающую среду.

Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. У большинства прокариот они тесно связаны между собой. В процессе анаболизма синтезируются многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом метаболизме. С другой стороны, в реакциях катаболизма образуется не только энергия для биосинтетических целей, но и многие промежуточные продукты, которые необходимы для синтеза веществ, входящих в состав клеточных структур.

Метаболизм прокариот, как энергетический, так и конструктивный, отличается чрезвычайным разнообразием. Это является результатом того, что бактерии в качестве источников энергии и углерода могут использовать самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных периферических ферментов, или экзоферментов, относящихся к классу гидролаз, которые выделяются наружу и разрушают макромолекулы исходных субстратов до веществ с низкой молекулярной массой. Образующиеся в результате действия таких ферментов вещества поступают в клетку бактерий и подвергаются действию ферментов промежуточного метаболизма.

Общая характеристика энергетического метаболизма.По отношению к энергетическим источникам все микроорганизмы подразделяются на две группы: хемотрофные и фототрофные. Синтез молекул АТФ из АДФ и фосфатов может происходить двумя способами:

• фосфорилированием в дыхательной или фотосинтетической электронтранспортной цепи. Этот процесс у прокариот связан с мембранами или их производными, поэтому его называют мембранным фосфорилированием. Синтез АТФ в данном случае происходит при участии АТФ-синтазы:

• фосфорилированием на уровне субстрата. При этом фосфатная группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого энергией, чем АТФ: Такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфорилирования В клетке реакции субстратного фосфорилирования не связаны с мембранными структурами и катализируются растворимыми ферментами промежуточного метаболизма.

Все окислитсльно-восстановитсльныс реакции энергетического метаболизма у хемотрофных микроорганизмов можно разделить на три типа:

• аэробное дыхание, или аэробное окисление;

• анаэробное дыхание;

• брожение.

Основной процесс энергетического метаболизма многих прокариот аэробное дыхание, при котором донором водорода или электронов являются органические (реже неорганические) вещества, а конечным акцептором - молекулярный кислород. Основное количество энергии при аэробном дыхании образуется в электрон-транспортной цепи, т.е. в результате мембранного фосфорилирования. Окислительному фосфорилированию предшествует гликолиз и цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Анаэробное дыхание – цепь анаэробных окислителыю-восстановительных реакций, которые сводятся к окислению органического или неорганического субстрата с использованием в качестве конечного акцептора электронов не молекулярного кислорода, а других неорганических веществ (нитрата, нитрита, сульфата, сульфита, СО: и др.), а также органических веществ (фумарата и др.). Молекулы АТФ в процессе анаэробного дыхания образуются в основном в электрон-транспортной цепи, т.е. в результате реакций мембранного фосфорилирования, но в меньшем количестве, чем при аэробном дыхании.

При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи являются неорганические или органические соединения. Например, если конечным акцептором электронов является SO₄^2-, то процесс называют сульфатным дыханием, а бактерии – сульфатвосстанавливающими или сульфитредуцирующими. Если конечным акцептором электронов служит NO₃^- или NО₂^-, то процесс называется нитратным дыханием или денитрификацией, а бактерии, осуществляющие этот процесс, – денитрифицирующими. В качестве конечного акцептора электронов может выступать СО₂, процесс соответственно называют карбонатным дыханием, а бактерии – метаногенными (метанобразующими). Одним из немногих примеров, когда конечным акцептором служит органическое вещество, является фумаратное дыхание.

Бактерии, способные к анаэробному дыханию, имеют укороченные электронтранспортные, или дыхательные, цепи, т.е. они не содержат всех переносчиков, характерных для дыхательных цепей, функционирующих в аэробных условиях. Кроме того, в дыхательных цепях анаэробов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. У строгих анаэробов не функционирует цикл Кребса или же он разорван и выполняет только биосинтетические, но не энергетические функции. Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования.

Брожение – совокупность анаэробных окислительно-восстановительных реакций, при которых органические соединения служат как донорами, так и акцепторами электронов. Как правило, доноры и акцепторы электронов образуются из одного и того же субстрата, подвергающегося брожению (например, из углевода). Сбраживанию могут подвергаться различные субстраты, но лучше других используются углеводы. АТФ при брожении синтезируется в результате реакций субстратного фосфорилирования.

По своей биологической сути брожение – это способ получения энергии, при котором АТФ образуется в результате анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования. При брожении продукты расщепления одного органического субстрата могут одновременно служить и донорами, и акцепторами электронов.

При сбраживании углеводов и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие продукты, как этанол, молочная, муравьиная, янтарная кислоты, ацетон, СО₂, Н₂ и др. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, муравьинокислое, маслянокислое, пропионовокислое и другие типы брожения.

Наиболее выгодным типом окислительно-восстановительных реакций у бактерий, в результате которых генерируется наибольший запас энергии в виде молекул АТФ, является аэробное дыхание. Наименее выгодным типом энергодающих реакций является брожение, сопровождающееся минимальным выходом АТФ.