Лысак В.В. Микробиология

159

Как видно из таблицы щавелевоуксусная кислота представляет со-

бой отправную точку для синтеза шести аминокислот, α-

кетоглутаровая кислота является предшественником четырех, а пиро-

виноградная – трех аминокислот.

Источником азота для аминокислот у разных групп бактерий яв-

ляются нитраты, нитриты, молекулярный азот, аммиак. Но перевод

неорганического азота в органические соединения происходит всегда

через аммиак, и поэтому нитраты, нитриты, молекулярный азот пред-

варительно восстанавливается до аммиака и только после этого вклю-

чаются в состав органических соединений.

Биосинтез аминокислот происходит различными путями. Наибо-

лее простой способ – восстановительное аминирование кетокислот

аммиаком. Например, α-кетоглутаровая кислота, взаимодействуя с

аммиаком при участии фермента глутаматдегидрогеназы образует

глутаминовую кислоту:

При участии фермента аланиндегидрогеназы пировиноградная ки-

слота взаимодействует с аммиаком с образованием аланина:

Некоторые аминокислоты образуются путем амидирования. Так,

например, из глутаминовой кислоты с участием фермента глутамин-

синтетазы образуется глутамин:

аланиндегидрогеназа

CH

3

CO COOH + NH

3

+ НАД

.

Н

2

СН

3

СН СООН + Н

2

О + НАД

+

.

NH

2

глутаматдегидрогеназа

НООС (СН

2

)

2

С СООН + NH

3

+ НАДФ

.

Н

2

О

HOOC (CH

2

)

2

CH COOH + НАДФ

+

+ Н

2

О.

NH

2

160

Большинство же аминокислот получает свою аминогруппу от од-

ной из первичных аминокислот в результате трансаминирования или

переаминирования. Из свободных аминокислот в цитоплазме бакте-

рий количественно преобладает глутаминовая кислота. Она служит

донором аминогрупп при биосинтезе многих аминокислот. Так, на-

пример, глутаминовая кислота взаимодействует со щавелевоуксусной

кислотой при участии фермента аминотрансферазы с образованием

аспарагиновой кислоты. Отдав аминогруппу глутаминовая кислота

превращается в α-кетоглутаровую кислоту, которая является старто-

вым веществом для синтеза глутаминовой кислоты:

Пути биосинтеза некоторых аминокислот очень сложны. В качест-

ве примера рассмотрим путь биосинтеза ароматических аминокислот

(триптофана, фенилаланина, тирозина). Как мы отметили, стартовыми

веществами для их синтеза являются эритрозо-4-фосфат и фосфое-

нолпируват. Молекулы этих веществ конденсируются с образованием

С

7

-соединения, которое подвергается циклизации с образованием 5-

дегидрохината. 5-дегидрохинат через ряд этапов превращается в хо-

ризмовую кислоту. Хоризмовая кислота является общим промежуточ-

ным продуктом биосинтеза ароматических аминокислот. В этой точке

биосинтетический путь разветвляется на два, один из которых ведет к

триптофану через антраниловую кислоту, а другой дает префеновую

кислоту, которая является предшественником как тирозина, так и фе-

нилаланина (рис. 54).

HOOC (CH

2

)

2

CHNH

2

COOH + HOOC CH

2

CO COOH

аминотрансфераза

HOOC CH

2

CHNH

2

COOH +

+ HOOC (CH

2

)

2

CO COOH.

глутаминсинтетаза

HOOC (CH

2

)

2

CHNH

2

COOH + АТФ + NH

3

О

С (СН

2

)

2

CHNH

2

COOH АДФ + Ф

н

Н

2

О.

NH

2

161

Рис. 54. Путь биосинтеза ароматических аминокислот у микроорганизмов.

Синтезируемые внутриклеточно или поступившие из среды ами-

нокислоты полимеризуются в жизненноважные молекулы белков.

Некоторые гетеротрофные прокариоты, такие как, например, мо-

лочнокислые бактерии, не способны синтезировать все аминокислоты,

поэтому их рост возможен только на сложных обогащенных пита-

тельных средах.

6.2.2. Биосинтез нуклеотидов

Нуклеотиды являются исходным материалом для биосинтеза нук-

леиновых кислот. Кроме того, нуклеотиды входят в состав многих ко-

ферментов и участвуют в активации и переносе аминокислот, углево-

дов, компонентов клеточной стенки и липидов. Нуклеотиды по хими-

ческой природе являются сложными соединениями и состоят из азо-

тистых оснований (ими являются производные пурина – аденин, гуа-

фосфоенолпируват эритрозо-4 фосфат

С

7

-соединение

Ф

5-дегидрохинат

Ф

шикимат

Ф

хоризмат

глутамин Ф Ф

антранилат префенат

Ф Ф

Ф

Ф Ф Ф

Ф тирозин фенилаланин

серин Ф

триптофан

162

нин и пиримидина – цитозин, тимин ), углеводов типа пентоз (рибоза

и дезоксирибоза) и остатка фосфорной кислоты.

Большинство микроорганизмов способны синтезировать нуклео-

тиды из низкомолекулярных соединений. Если же нуклеотиды есть в

питательной среде или они образуются при распаде нуклеиновых ки-

слот, то клетка их не синтезирует, а использует в готовом виде.

Синтез пиримидиновых нуклеотидов. Предшественниками пи-

римидиновых оснований служат карбамоилфосфат и аспартат.

Карбамоилфосфат синтезируется из аммиака и углекислоты:

Фермент аспартат-транскарбамоилаза конденсирует эти соедине-

ния с образованием карбамоиласпартата. Карбамоиласпартат подвер-

гается циклизации, в результате образуется 4,5-дигидрооротат. Затем

в результате дегидрирования этого соединения происходит образова-

ние оротата – первого промежуточного продукта, содержащего

пиримидиновое кольцо.

Прежде чем превратиться в одно из пиримидиновых оснований

оротат связывается с рибозо-5-фосфатом, который является исходным

соединением для образования пентозного компонента нуклеотидов.

Как известно, рибозо-5-фосфат может синтезироваться двумя путями:

- окислительным – из глюкозо-6-фосфата через окислительный

пентозофосфатный путь;

- неокислительным – из фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицерино-

вого альдегида в результате реакций, катализируемых трансальдола-

зой и транскетолазой.

Для синтеза нуклеотидов рибозо-5-фосфат используется в высо-

коэнергетической форме – в виде фосфорибозилпирофосфата

(ФРПФ).

Карбамоилфосфат

аспартат-транскарбамоилаза

+ карбамоиласпартат

аспартат

2Н

циклизация

4,5-дигидрооротат оротат.

NH

3

+ CO

2

+ 2АТФ H

2

N CO O PO

3

H

2

+ АДФ + Ф

н

.

163

Фосфорибозилпирофосфат взаимодействует с оротатом, в резуль-

тате образуется оротидинмонофосфат, который декарбоксилируется в

уридинмонофосфат или уридиловую кислоту:

Из уридиловой кислоты путем аминирования образуется цитиди-

ловая кислота (нуклеотид, содержащий азотистое основание цитозин),

путем метилирования – тимидиловая кислота (нуклеотид, содержа-

щий азотистое основание тимин).

Синтез пуриновых нуклеотидов. Начальной стадией синтеза пу-

риновых нуклеотидов является взаимодействие фосфорибозилпиро-

фосфата (ФРПФ) с глутамином с образованием фосфорибозиламина,

который через ряд последовательных ферментативных реакций пре-

вращается в инозиновую кислоту (пуриновый нуклеотид гипоксан-

тин). Инозиновая кислота служит исходным продуктом для синтеза

других нуклеотидов – адениловой и гуаниловой кислот.

Мы рассмотрели синтез рибонуклеотидов, так как в качестве пен-

тозы использовалась рибоза или точнее рибозо-5-фосфат.

При синтезе дезоксирибонуклеотидов происходит восстановление

рибозы до дезоксирибозы. Это происходит на стадии рибонуклеоти-

дов, т.е. синтезируются рибонуклеотиды, а затем происходит восста-

новление их до дезоксирибонуклеотидов.

Синтезированные клеткой или усвоенные из среды нуклеотиды

при участии РНК- и ДНК-полимераз полимеризуются в полинуклео-

тиды – молекулы РНК и ДНК.

СО

2

Оротат

+ оротидинмонофосфат уридинмонофосфат

ФРПФ (уридиловая кислота).

ФРПФ

+ фосфорибозиламин

глутамин

адениловая кислота

инозиновая кислота

(гипоксантин)

гуаниловая кислота.

164

6.2.3. Биосинтез липидов

Липиды в клетке бактерий представлены химическими соедине-

ниями различной природы. Это: триглицериды, жирные кислоты,

фосфолипиды, гликолипиды, воска. К липидам бактерий относятся

также соединения, молекула которых содержит изопреновые фраг-

менты:

Из изопреновых фрагментов (путем их полимеризации) построены

молекулы каротиноидов, хлорофиллов, хинонов. К липидам относятся

и некоторые витамины и их производные.

Общими свойствами липидов является их нерастворимость в воде

и растворимость в органических растворителях.

У прокариот липиды входят в состав клеточных мембран и кле-

точной стенки, служат запасными веществами, являются компонента-

ми пигментных систем и цепей электронного транспорта.

Наиболее универсальными липидными компонентами бактерий

являются жирные кислоты и фосфолипиды. Рассмотрим как они син-

тезируются.

Синтез жирных кислот. Жирные кислоты бывают с четным и

нечетным числом атомов углерода. Исходным субстратом для синтеза

жирных кислот с четным числом углеродных атомов служит ацетил-

КоА.

На первом этапе происходит перенос ацетильной группы от аце-

тил-КоА на молекулу особого белка, называемого ацилпереносящим

белком (АПБ):

Ацетил-АПБ выполняет функцию затравки, к которой присоеди-

няется С

2

-фрагмент. Донором С

2

-фрагмента служит молекула мало-

нил-АПБ, синтезирующаяся также из ацетил-КоА. В результате при-

соединения С

2

-фрагмента к ацетил-АПБ образуется ацетоацетил-АПБ:

ацетил-АПБ + малонил-АПБ ацетоацетил-АПБ + СО

2

+ АПБ.

ацетил-КоА + АПБ ацетил-АПБ + КоА.

СН

2

С СН СН

2

СН

3

165

Затем с помощью серии ферментативных реакций происходит восста-

новление окисленных углеродных атомов ацетоацетил-АПБ, приво-

дящее к образованию бутирил-АПБ:

В результате конденсации бутирил-АПБ с новой молекулой мало-

нил-АПБ и последующего восстановления продукта реакции образу-

ется молекула С

6

-жирной кислоты (капроил-АПБ). Последовательное

наращивание С

2

-остатков приводит и синтезу жирных кислот, содер-

жащих обычно 16 – 18 углеродных атомов.

Жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов образу-

ются в результате начальной конденсации пропионил-АПБ с малонил-

АПБ.

В клетках бактерий компонентами липидов являются в основном

насыщенные жирные кислоты или содержащие одну двойную связь

(мононенасыщенные). Полиненасыщенные жирные кислоты, содер-

жащие две и более двойных связей, найдены до сих пор только у циа-

нобактерий.

Синтез фосфолипидов. Исходным субстратом служит фосфоди-

оксиацетон (промежуточное соединение гликолитического пути).

Фосфодиоксиацетон восстанавливается и образуется 3-

фосфоглицерин:

3-фосфоглицерин взаимодействует с двумя остатками жирных кислот

в виде комплекса с белком АПБ. Образуются фосфатидная кислота:

Присоединение к фосфатной группе фосфатидной кислоты серина,

инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу фос-

фатидилсерина, фосфатидилинозита и фосфатидилглицерина соответ-

ственно.

6.2.4. Биосинтез углеводов

Если микроорганизмы являются автотрофами, то исходным веще-

ством для синтеза углеводов является СО

2

. Синтез углеводов проис-

ходит у большинства автотрофов в цикле Кальвина (восстановитель-

3-фосфоглицерин + 2Ацил-АПБ фосфатидная кислота + 2 АПБ.

фосфодиоксиацетон + НАДФ

.

Н

2

3 фосфоглицерин + НАДФ

+

.

- 2Н - Н

2

О + 2Н

Ацетоацетил – АПБ бутирил-АПБ.

166

ный пентозофосфатный цикл), который функционирует так же как и у

растений. Для цикла Кальвина характерны два специфических фер-

мента, не участвующие в других метаболических путях. Это:

- фосфорибулокиназа, превращающая рибулозо-5-фосфат, при

участии АТФ в рибулозо-1,5-дифосфат, который затем выступает в

качестве акцептора СО

2

;

- рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, катализующая реакцию

фиксации СО

2

рибулозо-1,5-дифосфатом с образованием двух моле-

кул 3-фосфоглицериновой кислоты. Последняя подвергается серии

последовательных ферментативных превращений, ведущих к образо-

ванию молекулы глюкозы.

У бактерий-гетеротрофов на среде с неуглеводными предшествен-

никами, например, аминокислотами, глицерином, молочной кислотой

синтез углеводов осуществляется с использованием реакций гликоли-

тического пути, идущих в обратном направлении. Этот процесс назы-

вается глюконеогенезом. Но некоторые ферментативные реакции гли-

колитического пути необратимы (реакции, катализируемые гексоки-

назой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой). Поэтому в клетках

гетеротрофных прокариот, способных использовать двух- и трехугле-

родные соединения, сформировались специальные ферментативные

реакции, позволяющие обходить необратимые реакции гликолитиче-

ского пути. Одной из таких обходных реакций у бактерий E.coli и

других бактерий является превращение пирувата в фосфоенолпируват

(ФЕП) под действием фосфоенолпируватсинтетазы:

Образовавшиеся таким образом углеводы используются на синтез

олиго- и полисахаридов. Биосинтез полисахаридов осуществляется

путем трансгликозилирования, т.е. путем переноса остатков моноса-

харидов на конец растущей цепи полисахарида. Этот процесс всегда

сопровождается затратой энергии.

фосфоенолпируватсинтетаза

Пируват + АТФ + Н

2

О ФЕП + АМФ.

167

Глава 7. ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ

Генетика – это наука о наследственности и изменчивости живых

организмов. В отличие от классической генетики генетика бактерий –

относительно молодая отрасль науки, первые работы появились вна-

чале 40 годов прошлого столетия. Генетика бактерий использует все

термины и определения характерные для классической генетики. С

момента возникновения и до сих пор генетика бактерий завоевала не-

обычайную популярность. Такой успех обусловлен двумя главными

причинами:

- во-первых, основные принципы генетики бактерий в равной сте-

пени применимы ко всем животным и растительным организмам не-

зависимо от того многоклеточные они или одноклеточные. Это выра-

жается в том, что все живые организмы обладают сходными по ряду

свойств детерминантами наследственных признаков. Это сходство

распространяется на природу самих детерминантов (гены), их место-

расположение (ДНК), передачу потомству, стабильность, а также и на

способ контроля процессов, приводящих к развитию определенных

признаков;

- во-вторых, в исследованиях наследственности бактерии в зна-

чительной степени заменили такие излюбленные объекты, как плодо-

вая мушка, мышь, кукуруза, поскольку они очень быстро размножа-

ются и образуют огромные популяции; кроме того, культивирование

их относительно просто. Иными словами, генетический анализ можно

проводить в короткие сроки на огромном числе особей и они не тре-

буют много места. Кроме того, бактерии позволяют изучать биологи-

ческие явления на клеточном уровне и избежать тем самым сложных

взаимодействий и взаимозависимостей, типичных для высших орга-

низмов.

7.1. Мутации у бактерий. Доказательства существования

мутаций у бактерий

Термин «мутация» введен Г. Де Фризом (1901), изучавшим измен-

чивость и наследственность у растений и определившим мутацию как

«скачкообразное изменение наследственного признака». Это понятие

М.Бейеринк (1912) позднее распространил и на бактерии.

Мутация – событие редкое и обычно происходит с частотой

1

.

10

-4

– 1

.

10

-10

. Это означает, что мутантной является одна клетка из

10 000 или 10 млрд. клеток. Мутантная клетка несет измененную ин-

168

формацию и, следовательно, формирует на питательной среде му-

тантные клоны.

В результате ряда экспериментов были получены доказательства

относительно того, что у бактерий мутации носят спонтанный и нена-

правленный характер. К ним относятся эксперименты С.Лурия,

М.Дельбрюка, Г.Ньюкомба и супругов Е. и Дж. Ледерберг. Рассмот-

рим эти эксперименты.

В 1943 году С.Луриа и М.Дельбрюк экспериментально доказали

спонтанное возникновение бактериальных мутантов с помощью флук-

туационного теста. В эксперименте использовали бактериофаг Т1,

который обладал высокой степенью вирулентности в отношении бак-

терий E.coli. Изучалось возникновение резистентности у бактерий

E.coli к данному фагу.

Культуру бактерий E.coli, выделенную из одной колонии (т.е. чис-

тую культуру, без примесей), чувствительную к бактериофагу Т1, вы-

ращивали до определенной концентрации и делили на 2 части. Далее

одну порцию распределяли по 1 мл на 100 пробирок. Вторую порцию

оставляли целой. Все пробирки помещали в одинаковые условия. По-

сле равного срока выращивания на чашки с фагом Т1 производили

высев культур из каждой пробирки (одинаковое количество – по 1 мл)

(рис. 54).

Рис. 54. Флуктуационный тест С.Луриа и М.Дельбрюка

100 шт.

1 мл

Чашки с

ф

агом Т1

Чашки с

ф

агом Т1

100 шт.

Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.