Лысак В.В. Микробиология

119

энергии и углерода самый широкий набор органических и неоргани-

ческих соединений. Такая способность обусловлена различиями в на-

боре клеточных периферических ферментов или экзоферментов, ко-

торые выделяются наружу и разрушают макромолекулы исходных

субстратов на более низкомолекулярные вещества. Эти ферменты от-

носятся к классу гидролаз. Образующиеся в результате действия таких

ферментов вещества поступают в клетку бактерий и подвергаются

действию ферментов промежуточного метаболизма. Эти ферменты

называются эндоферментами, так как они локализуются внутри клет-

ки. Эндоферменты, синтезируемые микроорганизмами, относятся ко

всем известным классам ферментов – оксидоредуктазы, трансфера-

зы, гидролазы, лиазы, лигазы, изомеразы и др. Многие из эндофер-

ментов локализованы на мембранах или на рибосомах. Они называют-

ся связанными ферментами. Другие ферменты находятся в свободном,

растворённом состоянии в цитоплазме.

Набор ферментов в клетке может изменяться в зависимости от ус-

ловий, в которых находятся бактерии. По этому свойству все фермен-

ты подразделяют на 2 группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные ферменты синтезируются постоянно, независимо

от веществ субстрата. В клетке они находятся в более или менее по-

стоянной концентрации. Примером конститутивных ферментов явля-

ется ДНК-полимераза. Индуцибельные ферменты синтезируются в

ответ на появление в среде субстрата-индуктора. К индуцибельным

ферментам относится большинство гидролаз. Наличие индуцибель-

ных ферментов обеспечивает быструю приспособляемость бактерий к

конкретным условиям.

Таким образом, назначение метаболизма состоит в следующем:

- генерация энергии в молекулах АТФ или других богатых энер-

гией соединениях;

- образование субъединиц, из которых синтезируются мак-

ромолекулы основных биополимеров клетки (белков, нуклеиновых

кислот, полисахаридов, липидов);

- активация образованных субъединиц – перенос фосфатной груп-

пы с АТФ на субъединицы. При этом происходит затрата энергии.

Однако, этот процесс необходим, потому что только активированные

субъединицы способны вступать в реакции полимеризации;

- синтез специфических макромолекул из активированных

субъединиц, т.е. их полимеризация. Полимеризация активированных

субъединиц может происходить двумя способами:

120

а) реакции матричного синтеза (так синтезируются белки и нук-

леиновые кислоты);

б) простая конденсация одинаковых активированных субъединиц

(например, образование молекул крахмала из остатков глюкозы).

Теперь разберем как осуществляются основные типы энергетиче-

ского и конструктивного метаболизма у бактерий.

6.1. Энергетический метаболизм

Мы уже установили, что все микроорганизмы по отношению к

энергетическим источникам подразделяются на две группы:

фототрофы и хемотрофы.

Хемотрофные микроорганизмы используют для синтеза молекул

АТФ энергию, освобождаемую при химических реакциях, фототроф-

ные – световую энергию в процессе фотосинтеза.

Образование молекул АТФ из АДФ может происходить двумя спо-

собами:

- фосфорилирование в дыхательной или фотосинтетической элек-

тронтранспортной цепи. Этот процесс у прокариот связан с мембра-

нами или их производными, поэтому его называют мембранным фос-

форилированием. Синтез АТФ в данном случае происходит при уча-

стии фермента АТФ-синтазы:

АДФ + Ф

н

АТФ;

- фосфорилирование на уровне субстрата. При этом фосфатная

группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого

энергией, чем АТФ:

R ~ Ф + АДФ R + АТФ.

Такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фос-

форилирования. В клетке реакции субстратного фосфорилирования не

связаны с мембранными структурами и катализируются растворимы-

ми ферментами промежуточного метаболизма.

У хемотрофных бактерий генерация энергии в молекулах АТФ

сводится к двум типам биохимических реакций: окисления и

восстановления. Окисляться микроорганизмами могут самые

разнообразные органические и неорганические вещества. Эти

вещества являются донорами электронов. Поскольку электроны не

могут самостоятельно существовать, они обязательно должны быть

перенесены на молекулы, способные их воспринимать, т.е.

восстанавливаться. Такие молекулы называются акцепторами

электронов. Донором электронов не может быть предельно

окисленное вещество, а их акцептором – предельно восстановленное.

121

дельно восстановленное. Таким образом, окисление субстратов про-

исходит путём переноса электронов от донора к акцептору. При био-

логическом окислении чаще всего происходит одновременный пере-

нос двух электронов; при этом от субстрата отщепляются также два

протона (Н

+

). Такое окисление субстрата, происходящее с отщеплени-

ем двух протонов и двух электронов, называется дегидрированием.

Поэтому нередко термины донор водорода и донор электронов упот-

ребляются как синонимы.

Все окислительно-восстановительные реакции энергетического

метаболизма у хемотрофных микроорганизмов можно разделить на 3

типа, т.е. различают три типа энергетического метаболизма:

- аэробное дыхание или аэробное окисление,

- анаэробное дыхание,

- брожение.

Основным процессом энергетического метаболизма многих про-

кариот является аэробное дыхание, при котором донором водорода

или электронов являются органические (реже неорганические) веще-

ства, а конечным акцептором – молекулярный кислород. Основное

количество энергии при аэробном дыхании образуется в электрон-

транспортной цепи, т.е. в результате мембранного фосфорилирования.

Анаэробное дыхание – цепь анаэробных окислительно-восстано-

вительных реакций, которые сводятся к окислению органического или

неорганического субстрата с использованием в качестве конечного

акцептора электронов не молекулярного кислорода, а других неорга-

нических веществ (нитрата – NO

3

-

, нитрита – NO

2

-

, сульфата – SO

4

2-

,

сульфита – SO

3

2-

, CO

2

и др.), а также органических веществ (фумарата

и др.). Молекулы АТФ в процессе анаэробного дыхания образуется в

основном в электронтранспортной цепи, т.е. в результате реакций

мембранного фосфорилирования, но в количестве меньшем, чем при

аэробном дыхании.

Брожение – совокупность анаэробных окислительно-восстанови-

тельных реакций, при которых органические соединения служат как

донорами, так и акцепторами электронов. Как правило, доноры и ак-

цепторы электронов образуются из одного и того же субстрата, под-

вергающегося брожению (например, из углевода). Сбраживанию мо-

гут подвергаться различные субстраты, но лучше других используют-

ся углеводы. АТФ при брожении синтезируется в результате реакций

субстратного фосфорилирования.

122

Наиболее выгодным типом окислительно-восстановительных ре-

акций у бактерий, в результате которых генерируется энергия в моле-

кулах АТФ, является аэробное дыхание, так как здесь происходит

больший выход молекул АТФ. Наименее выгодным типом таких ре-

акций является брожение, сопровождающееся минимальным энерге-

тическим выходом.

Поскольку большинство микроорганизмов используют в качестве

источника энергии углеводы, и в первую очередь глюкозу, рассмот-

рим основные пути её расщепления или катаболизма.

У бактерий возможны три пути катаболизма глюкозы:

1) гликолиз или фруктозодифосфатный путь или путь Эмбдена-

Мейергофа-Парнаса (по имени исследователей, внесших большой

вклад в изучение этого процесса);

2) окислительный пентозофосфатный путь или гексозомонофос-

фатный путь или путь Варбурга-Диккенса-Хореккера;

3) 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь (КДФГ-путь) или

путь Энтнера-Дудорова.

Следует отметить, что все перечисленные пути катаболизма глю-

козы у микроорганизмов могут протекать при разных типах энерге-

тического метаболизма (аэробное дыхание, анаэробное дыхание,

брожение).

Все пути катаболизма начинаются с того, что глюкоза в клетке

сначала фосфорилируется при участии фермента гексокиназы и АТФ

как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат, который пред-

ставляет метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит

исходным пунктом для любого из трёх путей катаболизма.

Пути расщепления глюкозы состоят из многих биохимических ре-

акций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.

Наиболее распространённым путём катаболизма глюкозы у мно-

гих микроорганизмов является гликолиз. При этом глюкозо-6-фосфат

изомеризуется с помощью глюкозофасфатизомеразы и фосфорилиру-

ется далее в фруктозо-1,6-дифосфат, который затем расщепляется на

3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон.

Фосфодиоксиацетон под действием фермента триозофосфатизомера-

зы превращается в 3-ФГА. Таким образом, из одной молекулы глюко-

зы образуется 2 молекулы 3-ФГА. На эти реакции превращения глю-

козы в 3-ФГА затрачивается энергия двух молекул АТФ. Далее про-

исходит окисление каждой молекулы 3-ФГА до 1,3-дифосфоглицери-

новой кислоты (1,3-ФГК) (рис. 32).

123

1,3-ФГК – высокоэнергетическое соединение, содержащее макро-

эргическую фосфатную связь, – реагирует с АДФ (фермент фосфог-

лицераткиназа), отдавая высокоэнергетическую фосфатную группу, в

результате чего синтезируется молекула АТФ. Таким образом, энер-

гия, освободившаяся при окислении 3-ФГА, путём субстратного фос-

форилирования оказывается аккумулированной в молекуле АТФ. Об-

разуется 3-ФГК.

Глюкоза

АТФ

гексокиназа

АДФ

глюкозо-6-фосфат

глюкозофосфатизомераза

фруктозо-6-фосфат

АТФ

6-фосфофруктокиназа

АДФ

фруктозо-1,6-дифосфат

фруктозодифосфатальдолаза

3-фосфоглицериновый диоксиацетонфосфат

альдегид (3-ФГА)

триозофосфатизомераза

НАД

глицеральдегидфос-

фатдегидрогеназа

Ф

н

НАД

.

Н

2

1,3-дифосфоглицериновая

кислота

ф

фосфоглицераткиназа АДФ

АТФ

3-фосфоглицериновая

кислота

фосфоглицеромутаза

2-фосфоглицериновая

кислота

енолаза

Н

2

О

фосфоенолпируват

пируваткиназа АДФ

АТФ

Пируват

Рис. 32. Гликолитический путь

расщепления глюкозы.

124

O

׀׀

C – O ~Ф

׀

Н- С – ОН

׀

СН

2

О-Ф

______________

1,3-ФГК

+ АДФ

фосфоглице-

раткиназа

O

׀׀

C – OН

׀

Н- С – ОН

׀

СН

2

О-Ф

______________

3-ФГК

+ АТФ.

Далее 3-ФГК под действием фермента фосфоглицеромутазы пре-

вращается в 2-ФГК, из которой в результате отщепления воды образу-

ется фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП). Это также высоко-

энергетический фосфат, с которого богатая энергией фосфатная груп-

па переносится пируваткиназой на АДФ, образуется молекула АТФ и

пировиноградная кислота (ПВК). Это второе фосфорилирование на

уровне субстрата:

СOОН

׀

C – O ~Ф

׀׀

СН

2

____________

ФЕП

+ АДФ

пируваткиназа

СОOН

׀

C = O

׀

С Н

3

___________

ПВК

+ АТФ.

Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется

четыре молекулы АТФ, в которых аккумулируется освободившаяся

при гликолизе энергия. Поскольку в самом начале процесса на акти-

вирование глюкозы были израсходованы две молекулы АТФ, чистый

выход АТФ на одну молекулу глюкозы составляет 2 молекулы. Сум-

марное уравнение гликолиза можно записать следующим образом:

С

6

Н

12

О

6

+ 2 АДФ + 2Ф

н

+ 2 НАД 2С

3

Н

4

О

3

+ 2 АТФ + 2 НАД

.

Н

2

.

Второй, пентозофосфатный путь расщепления углеводов, харак-

терен для некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae, а

также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некото-

рых маслянокислых бактерий.

125

В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путём активиро-

вания глюкозы молекулой АТФ, превращается через ряд промежуточ-

ных реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается

окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-

фосфата, СО

2

и НАДФ

.

Н

2

. Рибулозо-5-фосфат включается в сложный

цикл, приводящий к образованию из его трёх молекул двух молекул

глюкозо-6-фосфата и одной молекулы 3-фосфоглицеринового альде-

гида. Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл. А 3-ФГА

превращается гликолитическим путём в пировиноградную кислоту.

С энергетической точки зрения этот путь катаболизма углеводов в

два раза менее эффективен, чем гликолитический, так как на 1 моле-

кулу глюкозы образуется только 1 молекула АТФ. Однако большое

значение этого пути в том, что он обеспечивает клетки бактерий пен-

тозами (рибулозо-5-фосфат), которые являются предшественниками

нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, в этом цикле обра-

зуются 2 молекулы НАДФ

.

Н

2

, которые необходимы клетке для вос-

становительных реакций биосинтеза.

Путь Энтнера-Дудорова встречается у прокариот реже, чем дру-

гие. Он характерен в основном для псевдомонад и уксуснокислых

бактерий. От пентозофосфатного пути он отличается тем, что 6-

фосфо-глюконовая кислота превращается в пировиноградную кислоту

и 3-ФГА. 3-ФГА гликолитическим путём также превращается в пиро-

виноградную кислоту. Из 1 молекулы глюкозы в этом пути синтези-

руется 1 молекула АТФ, 1 молекула НАДФ

.

Н

2

и 1 молекула НАД

.

Н

2

.

Следует подчеркнуть, что путь Энтнера-Дудорова является самым

кратчайшим механизмом расщепления углеводов до пировиноградной

кислоты.

Энергетическую значимость различных путей катаболизма глюко-

зы можно представить из схемы (рис. 33).

Таким образом, рассмотрев пути катаболизма глюкозы, мы можем

заключить, что важнейшим продуктом, образующимся в них, является

пировиноградная кислота, которая подвергается дальнейшим превра-

щениям. Пируват занимает центральное положение в промежуточном

метаболизме и может служить предшественником многих продуктов.

Что же происходит с пировиноградной кислотой при различных

типах энергетического метаболизма: аэробном дыхании, анаэробном

дыхании и брожении?

126

ГЛЮКОЗА

АТФ

АДФ

АДФ АТФ глюкозо-6-фосфат

фруктозо-1,6-дифосфат 6-фосфоглюконовая 6-фосфоглюконовая

кислота кислота

3-фосфоглицериновый 3-ФГА + пировиног-

альдегид (3-ФГА) радная кислота

рибулозо-5-фосфат + СО

2

2 АТФ 2НАД

.

Н

2

3-ФГА +2 глюкозо-6-фосфат

2

пировиноградная кислота

АТФ НАД

.

Н

2

АТФ 2НАДФ

.

Н

2

НАДФ

.

Н

2

пировиноградная кислота пировиноградная кислота

А Б В

Рис. 33 . Схема путей катаболизма глюкозы в клетках прокариот:

А – гликолиз; Б – путь Энтнера-Дудорова; В – пентозофосфатный путь.

6.1.1. Аэробное дыхание

Пировиноградная кислота, образующаяся одним из трех вышепе-

речисленных путей катаболизма глюкозы, окисляется до ацетил-КоА.

В данном процессе работают ферменты пируватдегидрогеназы:

CH

3

-CO-COOH + KoA-SH + HAД

+

CH

3

-CO~KoA + НАД

.

Н

2

+ CO

2.

Ацетил-КоА является исходным субстратом цикла трикарбоновых

кислот (цикла Кребса).

В цикл Кребса включается одна молекула ацетил-КоА, которая со-

единяется с оксалоацетатом. Этот процесс катализируется цитратсин-

тетазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свобод-

ный коэнзим А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы

превращается в цис-акотиновую и изолимонную кислоты. Изолимон-

ная кислота через щавелевоянтарную кислоту превращается в

α-кетоглутаровую кислоту, которая подвергается дальнейшему декар-

боксилированию.

127

В конечном счете окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых

кислот (ЦТК) даёт: 2 молекулы СО

2

, 1 молекулу АТФ и 8 атомов во-

дорода, из них 6 атомов водорода на уровне пиридиннуклеотидов и 2

атома – на уровне флавопротеинов (рис. 34).

Рис. 34. Цикл Кребса.

Таким образом, цикл трикарбоновых кислот выполняет функцию

конечного окисления органических веществ. Но, кроме этого, цикл

трикарбоновых кислот обеспечивает биосинтетические процессы

клетки различными предшественниками, такими как оксалоацетат,

сукцинат, α-кетоглутарат и др.

У некоторых бактерий цикл трикарбоновых кислот «разорван».

Наиболее часто отсутствует ферментативный этап превращения

α-кетоглутаровой кислоты в янтарную. В таком виде ЦТК не может

функционировать в системе энергодающих механизмов клетки. Ос-

новная функция «разорванного» ЦТК – биосинтетическая.

НАД

.

Н

2

и ФАД

.

Н

2

,

образовавшиеся на разных этапах окисления

органических веществ, поступают в дыхательную цепь, которая у бак-

терий находится в цитоплазматической мембране, а у эукариот в мем-

бране митохондрий. В дыхательной цепи НАД

.

Н

2

и ФАД

.

Н

2

вновь

окисляются до НАД и ФАД, а отщепившийся от них водород переда-

ётся не менее через пять переносчиков к концу цепи, где соединяется

с молекулярным кислородом, образуя воду (рис. 35).

128

Переход водорода по дыхательной цепи состоит из ряда окисли-

тельно-восстановительных реакций. В некоторых из этих реакций вы-

деляется достаточно энергии для образования АТФ, и такой процесс

носит название окислительного фосфорилирования. В реакциях

окислительного фосфорилирования принимает участие специальный

фермент АТФ-синтаза, который катализирует превращение АДФ в

АТФ.

Дыхательные цепи микроорганизмов состоят из следующих важ-

нейших локализованных в мембране переносчиков атомов водорода

или электронов: флавопротеины, железосерные белки, хиноны и ци-

тохромы.

Флавопротеины – коферменты, в состав которых входит витамин

В

2

. В качестве простетических групп в них выступают флавинмоно-

нуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД). Флавопро-

теины осуществляют перенос атомов водорода, т.е. являются дегидро-

геназами. Дегидрогеназа, содержащая в качестве простетической

группы ФМН, является НАДФ

.

Н

2

-дегидрогеназой. Это стартовый пе-

реносчик дыхательной цепи, она осуществляет перенос водорода с

НАДФ

.

Н

2

на последующие компоненты дыхательной цепи. Дегидро-

геназа, содержащая в качестве простетической группы ФАД, действу-

ет как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной

ГЛЮКОЗА

АТФ + пировиноградная кислота + НАД

.

Н

2

НАД

СО

2

НАД

.

Н

2

Ацетил-КоА

цикл

Кребса

2 СО

2

+ 1 АТФ + 3 НАД

.

Н

2

1 ФАД

.

Н

2

АТФ

Дыхательная цепь

О

2

Н

2

О

Рис. 35 Схема аэробного дыхания.

Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.