5. Метаболизм прокариот. Живая клетка нуждается в

5. Метаболизм прокариот.
Живая клетка нуждается в постоянном притоке энергии для поддержания
структуры. Вещества внешней среды поставляют материалы для постройки компонентов
клетки и энергию, для клеточных процессов. Энергия необходима клетке для выполнения
работы: химической, транспортной и механической. Все реакции и энергетический
эффект подчиняются законам термодинамики.
 Сохранение энергии.
 Возрастание энтропии.
Процессы, обеспечивающие воспроизводство биомассы, называются обменом
веществ, или метаболизмом. Энергетический метаболизм «катаболизм» — поток
реакций,
сопровождающийся
мобилизацией
энергии
и
преобразованием
ее
в
электрохимическую μ(н+) или химическую (АТФ) форму, которая затем может
использоваться
во
всех
энергозависимых
процессах.
Существуют
группы
прокариотических организмов, энергетический метаболизм которых не связан с
превращениями органических соединений (прокариоты с фотолито- и хемолитотрофным
типом энергетического обмена). У этих организмов функционирует только один поток
превращений органических соединений углерода — анаболический.
Конструктивный метаболизм (биосинтезы) — поток реакций, в результате
которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток «анаболизм». Это
процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в
молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.
5.1. Общая характеристика метаболизма прокариот.
Клетки прокариот содержат от 70 до 90% воды. Основную массу сухих веществ, на
долю которых приходятся остальные 10–30%, составляют белки, нуклеиновые кислоты,
липиды и полисахариды. Прокариотическая клетка в норме содержит примерно 2000—
2500 различных белков, каждый из которых представлен 400—1000 молекулами.
Более 95% сухой массы приходиться на макроэлементы: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg,
Fe. Микроэлементы: Mn (перенос фосфатных групп), Zn (активные сайты ферментов), Co
(витамин В12), Mo (ферменты азот фиксации), Ni, Cu. Металлы используются
прокариотами в форме катионов неорганических солей.
1
Основные типы органических молекул в прокариотической клетке.
Общее
количество, %
Число
Молекулярна
Количество
я масса, Да
молекул в клетке
4,7x104
2 350 000
1850
23S рРНК
1,0x106
18 700
1
16S рРНК
5,0x105
18 700
1
5S рРНК
3,9x104
18 700
1
тРНК
2,5x104
198 000
60
иРНК
1,0x106
1 380
600
1
Компонент
от
веществ
сухих
разных
видов молекул
в клетке
клетки
Белок
55,0
РНК
20,5
9
ДНК
3,1
2,5x10
2
Липиды
9,1
705
22 000 000
3,4
4070
1 430 000
1
Пептидогликан 2,5
(904)n
1
1
Гликоген
2,5
1,0x106
4 300
1
Полиамины
0,4
путресцин
88
5 600 000
1
спермидин
145
1 100 000
1
Липополисаха
риды
Метаболиты,
кофакторы,
3,5
800
ионы
Энергия для поддержания жизнедеятельности получается в ходе окислительновосстановительных реакций. Их можно связать в единый цикл процессов переноса
электронов. При окислении веществ (условные «Полимеры» на схеме), выделяются
электроны, обладающие энергией, они поступают в электронотранспортную цепь,
превращая свою энергию в энергию макроэргических связей АТФ. У фотосинтетиков
источником электронов служат молекулы пигмента, из которых высокоэнергетические
2
электроны выбиваются при попадании кванта света. Обратный процесс – восстановление
(условные «Мономеры» на схеме), требует затраты электронов для синтеза биополимеров.
Реакции катаболизма поставляют материал и энергию для синтеза клеточных
компонентов. Процессы получения и расхода энергии связываются воедино молекулой
АТФ.
3
В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду. В
зависимости от источника углерода 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.
Гетеротрофы (облигатные паразиты).
Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, относящимся к
облигатным внутриклеточным паразитам, т. е. организмам, которые могут жить только
внутри других живых клеток. К ним относятся бактерии Rickettsiae. У многих паразитов,
(пр. Chlamydiaе), редуцируются важнейшие энергитические пути синтеза АТФ и
некоторых кофакторов. Практически невозможно выращивать на ИПС.
Бактерии Rickettsiae и иксодовые клещи – их природный резервуар.
Гетеротрофы (факультативные паразиты).
Данные паразитические прокариотические
организмы удается выращивать на
искусственных средах, но состав таких сред необычайно сложен. Они содержат, как
правило, 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.
Формы, способные расти при создании подходящих условий вне клетки хозяина,
называют факультативными паразитами.
Гетеротрофы (сапрофиты).
Непосредственно от других организмов не зависят, но нуждаются в готовых
органических соединениях. Используют продукты жизнедеятельности других организмов
4
или разлагают растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть
бактерий. Степень требовательности к субстрату у сапрофитов весьма различна.
Олиготрофы.
Особую группу прокариот, обитающих в водоемах, составляют олиготрофные
бактерии, способные расти при низких концентрациях в среде органических веществ.
Если у типичных сапрофитов оптимальные условия для роста создаются при содержании
в среде питательных веществ в количестве около 10 г/л, то для олиготрофных организмов
— в пределах 1—15 мг углерода/л. В средах с более высоким содержанием органических
веществ такие бактерии, как правило, расти не могут, и погибают.
Источники азота.
Необходимым условием роста микроорганизмов является включение в состав
клетки азота, серы и фосфора. Азот необходим для синтеза аминокислот, пуринов и
пиримидинов, кофакторов ферментов, многих углеводов и липидов. В расчете на сухие
вещества азота содержится около 10%. Подавляющее большинство прокариот усваивают
азот в восстановленной форме. Нитраты перед включением в органические соединения
должны быть восстановлены. Молекулы мочевины и органических соединений также
должны
быть
подвергнуты
соответствующим
ферментативным
воздействиям,
сопровождающимся высвобождением аммиака.
Восстановление нитратов до аммиака денитрификация. Восстановление нитрата
является процессом анаэробного дыхания (использования нитратов и продуктов их
частичного
восстановления
вместо
кислорода
для
окисления
веществ).
Денитрификация — процесс анаэробный и подавляется молекулярным кислородом. Азот
возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов.
Нитрификация и азотфиксация.
Нитрификация протекает в аэробных условиях в почве и природных водах. Часто
может вызывать появление в них нитратов в токсичном количестве, а поскольку
нитраты — наиболее активно мигрирующее в растворе соединение азота — происходит
их вынос из почвы в расположенные ниже по склону водоемы, что влечет за собой
уменьшение коэффициента использования азотных удобрений эвтрофикацию водоемов.
(Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus).
Азотфиксация – усвоение молекул азота азотфиксирующими бактериями с
образованием соединений азота, доступных для других организмов. Осуществляется
5
свободноживущими бактериями - азотобактером, цианобактериями, азоспириллами и
симбиотическими азотфиксаторами, живущими в симбиозе с высшими растениями
(например, клубеньковые бактерии).
Происходит с участием фермента нитрогеназы, катализирующего восстановление
N2 до NН3 в присутствии АТФ (источника энергии) и восстановителя, например,
ферредоксина.
Сера и фосфор.
Сера входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), витаминов и кофакторов
(биотин, липоевая кислота, кофермент А и др.), а фосфор — необходимый компонент
нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. В природе сера находится в форме
неорганических солей, главным образом сульфатов, в виде молекулярной серы или входит
в состав органических соединений.
5.2. Регуляция метаболизма прокариот.
Наряду с регуляцией экспрессии генов, которая может занимать до нескольких
периодов генерации, клеткам требуется более оперативный и гибкий путь координации
метаболической активности.
6
Микроорганизмы должны регулировать метаболизм для сохранения материалов и
энергии в условиях постоянно меняющейся окружающей среды. Если E.сoli выращивается
на среде с единственным источником углерода – глюкозой, все пути функционируют,
если добавить триптофан, угнетается путь его синтеза. Если перенести бактерию на среду
с лактозой – запускается путь ее метаболизма.
Регуляция синтеза у прокариот.
Пути регулирования метаболических путей:
 Компартментация.
 Аллостерическая регуляция.
 Ковалентная модификация.
Компартментация.
Цитоплазма – достаточно плотная и вязкая среда и молекулы затрачивают
некоторое время на диффузию. В клетке может формироваться разность концентраций
метаболитов. Отсутствие мембранных органоидов у прокариот значительно усложняет
регуляцию катаболических и анаболических процессов. Все они протекают в гомогенной
цитоплазме.
Компартменты прокариотической клетки:
 Цитоплазма;
7
 Плазматическая мембрана;
 Периплазматическое пространство;
 Наружная мембрана;
 Наружная поверхность и примыкающее внеклеточное пространство.
Принципы регуляции ферментов.
Ферменты катализируют химические реакции, обладая большой специфичностью.
Структура
фермента:
апоэнзим
+
кофактор
формируют
холоэнзим.
Кофактор:
простетическая группа или коэнзим. Ферменты увеличивают скорость реакции, не сдвигая
равновесия. Присоединение субстрата происходит к каталитическому сайту, увеличивая
число молекул имеющих достаточную энергию активации и число промежуточных
молекул.
Ферменты ускоряют реакции до 10 млрд. раз. Скорость оборота от 1 до 10 000 в с.,
ДНК полимераза I – 15, лактатдегидрогеназа – 1000. Ферменты чувствительны к
температуре, концентрации субстрата, кислотности среды, денатурирующим химическим
агентам. У микроорганизмов обнаружены также рибозимы, выполняюшие функции
сплайсинга РНК.
Регуляция активности ферментов осуществляется по нескольким механизмам:

Конкурентное ингибирование ферментов – блокирование активного сайта. Может
использоваться в антибактериальной терапии (сульфаниламид блокирует синтез
фолиевой кислоты). Неконкурентное – связывание с другими участками
(аллостерический) с изменением конфигурации (тяжелые металлы, ртуть).

Аллостерическая регуляция – за счет конформационных изменений молекулы
фермента в результате связывания с определенным (не активным) центром.

Ковалентная модификация осуществляется путем фосфорилирования, протеолиза,
метилирования,
ацетилирования,
аденилирования,
ацилирования жирными кислотами.
8
уридинилирования
или
Конкурентное/неконкурентное ингибирование.
Аллостерическая регуляция.
Аллостерические
ферменты имеют 2 активных
сайта
–
каталитический
аллостерический.
и
Связывание
молекулы-регулятора
аллостерическим
с
сайтом
вызывает
изменение
конформации
фермента,
каталитический
сайт
получает
или теряет способность связывать
молекулу субстрата.
9
Ингибирование по типу обратной связи (конечным продуктом).
Характерный механизм для анаболических реакций. Конечный продукт в
некоторых случаях может связываться с аллостерическим сайтом первого специфического
фермента пути. Накопление продукта – сигнал о прекращении его синтеза, что позволяет
избежать накопления промежуточных продуктов. У E. сoli, треонин – изолейцин, продукт
– ингибирует первую реакцию, когда он истощается, реакция запускается.
Обратная связь.
Ковалентная модификация белков.
Как правило, происходят обратимые изменения ферментов. Фосфорилирование
белков – наиболее распространенный механизм модификации. В нем участвуют
протеинкиназы, фосфопротеинфосфатазы, которые переносят фосфатн агистидин,
цистеин, тирозин, аспартат, треонин и серин. Другой распространенный механизм
модификации ферментов -- аденилирование (Белок + АТФ = ФФ + Белок-АМФ).
Адаптация бактерий.
В отличие от растений и животных, большинство бактерии живут в постоянно
изменяющихся условиях среды. Они способны реагировать на изменения, корректируя
структурные протеины, транспортные белки, токсины, ферменты. Например E.сoli не
продуцирует фимбрии, когда свободно живет в толще воды.
Vibrio cholerae не
продуцирует холерный токсин, вне ЖКТ. Bacillus subtilis не синтезирует фермент для
10
синтеза триптофана если в среде есть его предшественники. Neisseria gonorrhoeae
развивает сложную систему поглощения и транспорта железа, если его не хватает в среде.
Хемотаксис.
Ферменты также могут участвовать в контроле поведения. У E. coli имеется два
типа движения: прямое (жгутик против часовой стрелки) и колебательное (по часовой
стрелке). В гомогенной среде клетка двигается случайно без определенного направления.
При наличии химического градиента, частота колебаний снижается если клетка
приближается к аттрактанту.
Механизм
включает
хеморецептор,
определяющий
наличие
субстрата.
Фосфорилирующая система (сенсорная киназа и регулятор ответа), воздействует на мотор
жгутика. Положительный таксис увеличивает число прямых движений, отрицательный –
колебательных.
5.3. Биосинтез прокариот.
Клетки используют энергию для синтеза. Пути метаболизма организованы так,
чтобы максимально экономить материалы и энергию. Многие пути – амфиболические.
Использование разных ферментов для регуляции 2 направлений амфиболических реакций,
позволяет независимо регулировать оба направления.
Биосинтез углеводов. Если источник углерода — одно-, двух- или трехуглеродные
соединения, то необходимые сахара (в первую очередь, C6) бактерии синтезируют из
имеющихся в среде источников углерода. У подавляющего большинства автотрофов на
среде с CO2 в качестве единственного источника углерода сахара синтезируются в
11
реакциях цикла Кальвина. Процесс, обеспечивающий синтез углеводов из неуглеводных
предшественников, например, аминокислот, глицерина, молочной кислоты, получил
название глюконеогенеза. Таким путем, сочетающим использование имеющегося в клетке
катаболического
аппарата
и
специальных
реакций,
служащих
только
для
биосинтетических целей, решается прокариотами проблема биосинтеза необходимых
моносахаров.
Фиксация углерода. Для автотрофов единственным источником углерода является
СО2. Из 4 путей фиксации самым распространенным является цикл Кальвина
(восстановительный пентозофосфатный цикл). ЦК составляют 3 фазы: карбоксилирование
(присоединение к рибулозо-1,5-дифосфату молекулы СО2 и Н2О с образованием 2
молекул 3-фосфоглицерата), восстановление (с затратой АТФ и НАДФН 2 молекулы 1,3фосфоглицерата образуют глицеральдегид-1,3-фосфата) и регенерации (из 10 молекул С3
– 6 молекул С5).
Глюконеогенез.
Полисахаридные капсулы в цитоплазме или включения полимеров глюкозы или
других С6 сахаров. Клеточная стенка синтезируется на основе глюкозофосфата.
Моносахариды синтезируются из глюкозо- и фруктозо-6-фосфата. Важную роль в
метаболизме играет уридин дифосфат глюкоза (УДФГ), с ее помощью осуществляется
синтез крахмала и гликогена. Нуклеозиддифосфатные сахара также участвуют в синтезе
пептидогликанов.
Биосинтез липидов.
Липиды:
жиры
(сложные
эфиры
глицерина
и
жирных
кислот),
высокомолекулярные жирные кислоты, воска (сложные эфиры высших жирных кислот и
спиртов). К липидам относятся также соединения, молекула которых содержит
изопреновые фрагменты: —CH2-C=CH-CH2-, каротиноиды. Изопреновые компоненты
входят в состав молекул хлорофиллов и хинонов. К липидам относятся и некоторые
витамины, и их производные. У прокариот липиды входят в состав клеточных мембран и
клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами пигментных
систем и цепей электронного транспорта.
Биосинтез нуклеотидов.
Центральное место в биосинтезе мононуклеотидов занимает синтез пуриновых и
пиримидиновых азотистых оснований. Большинство прокариот способно к синтезу этих
соединений de novo из низкомолекулярных предшественников. Синтез пуриновых и
пиримидиновых мононуклеотидов осуществляется независимыми путями. Многие
12
прокариоты способны использовать содержащиеся в питательной среде готовые
пуриновые и пиримидиновые основания.
Общая схема наиболее важных метаболических путей прокариотической клетки.
13
5.4.Энергетический метаболизм.
Ключевые понятия: Энергия и работа. Энергия – способность совершать работу.
Химическая работа – способность синтеза сложных молекул. Транспортная работа –
поглощение питательных частиц, поддержание концентрации ионов, удаление отходов.
Механическая работа – подвижность клетки и ее структур.
Свободная энергия клетки (dG) представляет часть энергии системы, которая
может быть превращена в работу.
dG = dH – T*dS
Энтальпия (dH) – энергия, которая может быть переведена в теплоту. Энтропия (S)
мера неупорядоченности системы. Отрицательная свободная энергия в экзотермических
реакциях, положительная в эндотермических.
Общие черты метаболизма:

Использование АТФ в качестве хранилища энергии экзотермических
реакций, используется для проведения эндотермических реакций АТФ + H2O = АДФ + Ф.

Организация метаболических реакций в пути и циклы.

Катализ реакций с помощью ферментов.

Главную роль играют реакции окисления и восстановления.
Получение энергии клеткой происходит в реакциях 2 типов:
 Реакции первого типа – перенос фосфатной группы от молекулы-донора на
АДФ. Пример – субстратное фосфорилирование на пути анаэробного
превращения сахаров.
 Реакции второго типа – перенос энергии на промежуточный
реакции, сопряженный с образованием молекулы АТФ.
14
продукт
Синтез АТФ в реакциях 2го типа, связанных с переносом энергии на
промежуточные продукты происходит при помощи фермента АТФазы.
Схема работы АТФазы. Протоны движутся внутрь клетки по каналу АТФазы,
перемещение 3-х протонов соответствует синтезу 1 молекулы АТФ.
Электрохимический градиент.
В 60-х гг. английский биохимик Питер Митчелл разработал хемиосмотическую
теорию энергетического сопряжения, преобразующуюся в энергию фосфатной связи. При
переносе электронов по цепи ферментов происходит неравномерное распределение
протонов по обе стороны мембраны. Во внешней среде происходит накопление
избыточного положительного заряда – трансмембранный электрохимический градиент
15
ионов водорода. На сопрягающих мембранах прокариот разность потенциалов достигает
200 – 250 мВ.
Хемиосмотическая теория.
16
Окисление питательного субстрата (на рисунке обозначен АН2) приводит к
поступлению электрона, обладающего запасом свободной энергии в цепь белков
переносчиков – электронотранспортную цепь (ЭТЦ). Белки ЭТЦ перекачивают протоны
(Н+) наружу от цитоплазматической мембраны. Снаружи возникает избыток протонов
(электрохимический градиент).
Далее протоны, двигаясь по градиенту концентрации, проходят по каналу АТФазы,
вращая ее субъединицы, перемещение 3 Н+ соответствует зарядке 1 молекулы АТФ.
Электроны, пройдя все белки ЭТЦ, завершают свой путь на молекуле – акцепторе
(молекула В на рисунке).
В+2Н++2е- = ВН2
17
В результате молекула В (окислитель) восстанавливается (ВН2), а молекула
питательного субстрата (АН2) окисляется (восстановитель).
Перенос протонов через цитоплазматическую мембрану осуществляется в
результате передачи электронов по электронотранспортной цепи, источником которой
может быть как фотосинтез, так и хемосинтез или непосредственный перенос протона
молекулой пигмента – бактериородопсина, механизм, который встречается только у
Архебактерий. Избыток протонов формирует более кислую среду с наружной стороны
ЦПМ по сравнению с цитоплазмой.
Особенности
формирования
протонного
градиента,
находят
отражение
в
экологических особенностях некоторых групп экстремофильных бактерий. Известны
многие экстремальные ацидофильные и термофильные бактерии освоившие биотопы с
кислотностью до рН=0, в условиях экстремальной кислотности концентрация протонов
избыточна, и для формирования градиента клетке достаточно лишь немного уменьшить
кислотность цитоплазмы. Напротив, в щелочных биотопах избыток ОН- ионов в среде
приводит к значительным трудностям при формировании градиента, если выкачивать
протоны наружу, они будут нейтрализованы гидроксильными группами. Экстремальные
алкалофилы вынуждены пользоваться особой Na-зависимой АТФазой, перекачивая
наружу ионы натрия.
Фототрофные
хемотрофных
организмы
организмов,
пользуются
источником
аналогичной
высокоэнергетичных
ЭТЦ.
В
отличие
электронов
от
являются
молекулы фотопигмента, переходящие в возбужденное состоянии при попадании кванта
света. Создание электрохимического градиента является универсальной формой энергии,
которой пользуются все живые организмы, за исключением процессов брожения и
связанного с ним субстратного фосфорилирования. Второй вид энергии используемый для
совершения клеточной работы – химическая и самая распространенная ее форма АТФ.
Взаимосвязь электрохимического градиента и химической энергии представлена на схеме,
предложенной В.П. Скулачевым.
18
Энергетический
эффект
определяется
разностью
окислительно-
восстановительных потенциалов окислителя и восстановителя. Кислород является
наиболее мощным окислителем и самым электроотрицательным элементом, доступным
живым клеткам, поэтому использование О2 для окисления органических и неорганических
(сероводород, аммиак, нитриты, водород, метан и др.) субстратов наиболее эффективно. В
бескислородных условиях бактерии могут использовать другие вещества в качестве
конечного акцептора электронов (сульфаты, нитраты, Fe3+ и др. ). Наименее энергетически
эффективно использование переноса электронов с одних органических молекул на другие.
Такой процесс, при котором окислителем и восстановителем служат органические
молекулы, называется брожение. Процессы, протекающие с использование внешнего
акцептора электронов (окислителя) называют дыхание (аэробное и анаэробное).
Типы жизни прокариот.
Рассматривая энергетические процессы клетки, можно выделить 3 условия
функционирования живых клеток:
19
1.
Источник
энергии:
свет
(Фототрофия),
энергия
химических
связей
(Хемотрофия).
2.
Источник углерода: органические вещества (Гетеротрофы), углекислый газ
(Автотрофы).
3.
Донор электронов: неорганические вещества (водород,
сероводород, аммиак,
железо) (Литотрофы), органические вещества (Органотрофы).
В соответствии с данной схемой, для поддержания энергетических процессов
клетки необходимо выполнение каждого из этих 3 условий. Всего, перебирая возможные
сочетания, можно предположить 8 типов энергетических процессов (23). Все они
обнаружены в природе среди бактериальных видов. В таблице приведены все 8 типов
энергетических процессов и примеры бактериальных видов.
Большая часть организмов относиться к хемоорганогетеротрофам. Облигатные
организмы могут существовать, используя только один тип питания, факультативные –
осуществление данного типа не является облигатным (обязательным). Миксотрофы –
способные использовать два источника углерода.
20
21
5.5. Хемоорганотрофные прокариоты.
К
хемоорганотрофам
относятся
организмы,
использующие
энергию,
выделяющуюся при окислении органических веществ. Органика (восстановитель)
окисляется, теряя электроны. Электроны переносятся по цепям транспорта (ЭТЦ) на
конечный акцептор. Если имеется внешний акцептор, такой процесс называют дыханием.
Если акцептор один из метаболитов, такой процесс называется брожением.
Дыхание.
Аэробное дыхание – акцептор кислород.
Анаэробное – акцептор нитрат-ион, сульфат-ион, углекислый газ, железо, селенитион.
Эндогенный
акцептор
(например,
пируват)
используется
для
окисления
органического субстрата, в этом случае АТФ синтезируется только в ходе субстратного
фосфорилирования.
22
Аэробное дыхание.
Процесс аэробного дыхания можно условно разделить на 3 стадии:
1.
Гидролиз больших молекул питательных веществ.
2.
Малые молекулы метаболитов – ацетил-Коа, пируват и др.
3.
В ЦТК происходит окисление до углекислого газа, сопряженное с образованием
АТФ, НАДН, ФАДН2.
Эффективность
микроорганизмов
достигается
сведением
большого
числа
питательных субстратов к небольшому числу метаболитов и нескольким путям их
окисления. Многие пути являются амфиболическими и поставляют материал для
анаболизма.
Анаэробное дыхание.
Возможные акцепторы электронов: нитраты, сульфаты, СО2.
Многие бактерии могут использовать оба типа дыхания.
Нитрат редукторы и
денитрификаторы восстанавливают азот, метаногены восстанавливают СО2, Desulfovibrio
восстанавливают сульфаты с образованием сероводорода.
23
Брожение.
Многие организмы лишены компонентов электронотранспортной цепи или
находятся в анаэробных условиях. Гликолиз приводит к образованию восстановленного
НАД. АТФ формируется только путем субстратного фосфорилирования.
Типы брожения:
Алкогольное – этанол и СО2.
24
Молочнокислое – лактат.
Смешанное кислотное – окисление муравьиной кислоты до СО2 и Н2.
Спиртовое брожение.
Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и
грибы. В Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces, в Южной
Америке — бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии — мукоровые грибы. При спиртовом
брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и
углекислоту. От пирувата отщепляется СО2 и образуется уксусный альдегид, который
затем присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт.
Молочнокислое брожение.
Молочнокислое брожение применяется для сквашивания молока, приготовления
простокваши, кефира, квашение овощей. Осуществляется с помощью молочнокислых
бактерий: гомоферментативные, образующие из сахара только молочную кислоту, и
гетероферментативные, образующие также этанол, уксусную кислоту, углекислый газ.
Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и
стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6-ю (гексозы) или 5-ю (пентозы)
углеродными атомами, некоторые кислоты.
Гетероферментативное
молочнокислое
брожение
вызывают
бактерии
рода
Lactobacterium и рода Streptococcus. Одни бактерии образуют, помимо молочной кислоты,
этиловый
спирт
и
углекислоту,
другие
—
уксусную
кислоту;
некоторые
гетероферментативные молочнокислые бактерии могут образовывать различные спирты,
глицерин, маннит.
Маслянокислое брожение.
Маслянокислые бактерии, (Clostridium) могут сбраживать
углеводы, спирты и
кислоты, даже высокомолекулярные углеводы — крахмал, гликоген, декстрины. Наряду с
масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная
и уксусная кислоты. Некоторые образуют ацетон, бутанол и изопропиловый спирт.
Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских
масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен
25
доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокислых бактерий разлагаются
огромные количества органического вещества.
5.6.Хемолитотрофные прокариоты.
Хемолитотрофы – группы почвенных и водных организмов, использующих в
качестве источника энергии, восстановленные неорганические соединения. Многие
используют кислород в качестве акцептора электронов. Также возможно использование
нитратов, нитритов, сульфатов, бикарбонатов. Источником углерода служит СО2, в
некоторых случаях – органические соединения.
Особенности метаболизма хемолитотрофов.
Выход АТФ в сравнении с окислением глюкозы невелик и организмам приходится
окислять большой объем неорганического материала. Восстановленные неорганические
соединения (Н2, Н2S, NH4+, Fe2+) являются продуктом анаэробного разложения органики
бактериями. Н2S и Fe2+ могут иметь геологическое происхождение. Некоторые
хемолитотрофы способны окислять водород.
Известны многие факультативно хемолитоавтотрофные и хемолитогетеротрофные
виды (миксотрофы). Пример: нитрифицирующие бактерии, водородокисляющие и
бесцветные серобактерии.
Для таких организмов характерно явление диауксического
роста. Типичное местообитание – граница раздела кислородной и бескислородной зон,
там присутствуют органика, кислород и окисленные/восстановленные неорганические
соединения.
На
рисунке
представлена
хемолитотрофов.
26
схема
энергетического
метаболизма
Источники энергии хемолитотрофов.
Бактерия
Донор е
Акцептор е
Продукт
Alcaligenes,
H2
O2
H2O
Nitrobacter
NO2-
O2
NO3-, H2O
Nitrosomonas
NH4+
O2
NO2-, H2O
Thiobacillus
S, H2S
O2
SO42-, N2
Fe2+, S, H2S
NO3-
Fe3+, H2O, H2S
Pseudomonas spp.
denitrificans
Thiobacillus
ferrooxidans
Окисление соединений азота хемолитотрофами.
Нитрифицирующие
бактерии
окисляют
аммиак
(Nitrosomonas).
Окисление
восстановленного азота включает 2 этапа:
1 этап: окисление аммония до нитрита нитрозобактериями.
2 этап: окисление нитритов до нитратов нитробактериями.
В смешанных культурах нитрозо- и нитро- бактерии растут лучше, нежели в
чистой, что затрудняет их изучение.
Местообитания нитрификаторов – водоемы и почвы, их рост усиливается при
внесении аммонийных удобрений. Монооксигеназа, окисляющая аммоний проявляет
неспецифическую активность, окисляя метан, СО, этилен, циклогексан и фенол, что
открывает перспективы использования этих микроорганизмов для биодеградации
загрязнений. Одно из применений нитробактерий – очистка сточных вод, загрязненных
азотом (аммоний и нитраты).
Очистка сточных вод:
1) Денитрификаторы (NO3 = N2 + NH3+ NO2) – нитратное дыхание
2) Окисление остаточной органики.
3) Окисление аммония, и нитритов до нитратов.
27
Роль нитробактерий в сельском хозяйстве.
Внесение азота в почвы происходит, главным образом, в виде солей аммония.
Аммоний (удобрения) – хорошо связывается с минеральными частицами и гуминовыми
кислотами. Деятельность бактерий – нитрификаторов приводит к образованию нитритов
(нитрат) как продуктов окисления аммония. Нитраты лучше усваиваются растениями,
однако легко вымываются из почвы. Избыточное поступление аммиака приводит к
возникновению кислоты = разрушение известняка и закисление почвы. Окисление солей
аммония, содержащихся в органических отходах использовали для получение селитры в
Средние века.
Окисление серы.
Известно несколько групп организмов, окисляющие серу (Thiobacillus, Sulfolobus
(Aрхеи), Thiosphaera). Бесцветные серные бактерии окисляют серу, сероводород и
тиосульфат,
используют
окислительное,
и,
в
редких
случаях,
субстратное
фосфорилирование (с образованием аденозин-5- фосфосульфата). Бактерии Sulfolobus
способны аэробно окислять серу, при необходимости переходить к анаэробному дыханию.
Сероводород образуется при анаэробном разложении органических остатков и в
процессах сульфат редукции. Хемолитотрофы окисляют H2S до сульфатов, конечным
продуктам является серная кислота, поэтому многие серобактерии – ацидофилы. Для
окисления молекулярной серы S8 бактерии переводят ее в растворимую форму
полисульфида, который подвергается действию оксидоредуктаз или оксигеназ.
Образование аденозин-5-фосфосульфата, который используется для синтеза
молекул
АТФ,
реакция
представляет
собой
фосфорилирования.
28
уникальную
форму
субстратного
Обратный поток электронов.
Многие хемолитотрофы не способны восстанавливать НАД напрямую. В отличии
от органотрофов, у которых НАД*Н2 синтезируется как продукт при окислении
органических молекул, окисление неорганических субстратов (например, нитритов до
нитратов), не сопровождается синтезом НАД*Н2. Это привело к использованию обратного
потока
электронов
в
транспортной
цепи
для
восстановления
НАД*Н
для
биосинтетических целей.
5.7. Фототрофные прокариоты.
Фототрофы потребляют первичную энергию – солнечный свет. Механизм передачи
световой энергии общий для всего живого:
Различные группы фотосинтетиков среди эукариот и прокариот.
Эукариоты
Прокариоты
Растения
Цианобактерии
Многоклеточные
зеленые,
бурые
и Зеленые серные и несерные бактерии
красные водоросли
Одноклеточные
(эвгленовые,
простейшие Галобактерии (Археи)
динофлагелляты,
диатомовые)
Пурпурные серные и несерные бактерии
Prochloron
29
Сравнительная характеристика разных групп фотосинтетиков.
Свойство
Эукариоты
Цианобактерии
Зеленые,
пурпурные
и
Галобактерии
Пигмент
Хлорофилл а
Хлорофилл а
Фотосистема II
Есть
Есть
Нет
Донор электронов
H2O
H2O
H2,
H2S,
S,
органика
Кислород
Оксигенный
Основной продукт АТФ+NADPH
Оксигенный
Аноксигенный
АТФ+NADPH
АТФ
СО2
Органика
преобразования
энергии
Источник углерода
СО2
и/или
СО2
Фотосинтетический аппарат состоит из трех основных компонентов:

Светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и передающих ее в
реакционные центры;

Фотохимических
реакционных
центров,
где
происходит
трансформация
электромагнитной энергии в химическую;

Фотосинтетических
электронтранспортных
систем,
обеспечивающих
перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ.
Реакционные центры и электронтранспортные системы – всегда локализованы в
ЦПМ. Светособирающие пигменты у пурпурных бактерий, гелиобактерий и прохлорофит
интегрированы в мембраны. В клетках зеленых бактерий и цианобактерий – находятся в
особых структурах (хлоросомах зеленых бактерий и фикобилисомах цианобактерий).
Фотофизические процессы фотосинтеза.
В темноте молекула хлорофилла находится в стабильном невозбужденном
состоянии, а ее электроны – на основном энергетическом уровне. Энергия кванта света
поглощается одним из электронов, который переходит на новый, более богатый энергией
уровень, а молекула хлорофилла переходит при этом в возбужденное состояние.Квант
синего света поднимает электрон на второй синглетный уровень, квант красного света –
на первый. Время жизни молекулы хлорофилла в возбужденных синглетных состояниях
30
очень коротко (на втором – 10-12 – 10–13с, на первом – 10–9 – 10–7с), после чего молекула
возвращается в исходное стабильное состояние, и энергия, поглощенная электроном,
теряется им в виде тепла, флюоресценции или фосфоресценции.
Пигмент = антенна, улавливающая световую энергию. Большая часть пигментных
молекул служит антеннами. Фотохимические реакции происходят в реакционном
центре. Реакционный центр включает: Донор, первичный акцептор и несколько
вторичных акцепторов электронов.
Фотохимические процессы фотосинтеза.
Циклический транспорт электронов – восстановитель не образуется, е,
покинувший молекулу хлорофилла, вновь возвращается к ней.
Нециклический транспорт электронов – в молекуле хлорофилла возникает
электронная «вакансия», которую необходимо заполнить, чтобы молекула пигмента могла
функционировать.
Для заполенения «вакансий» в молекулах пигмента необходим донор (органика,
восстановленные соединения серы, водород) – вещество, которое будет подвергаться
31
окислению, отдавая электроны на молекулы пигмента. Природа решила проблему донора,
создав дополнительную пигментную систему, фотосистема II.
Известны две группы эубактерий, у которых фотосистема II уже сформировалась.
Это цианобактерии и прохлорофиты. Фотосистема II делает возможным использование
воды в качестве донора электронов. Побочный продукт этого процесса – молекулярный
кислород. Фотосинтез, при помощи двух фотосистем с выделением O2 из воды, стал
одним из основных типов энергетического метаболизма и занимает доминирующее
положение в энергетической системе живого мира.
32
Кислородный фотосинтез.
Кислородный фотосинтез осуществляется, главным образом, цианобактериями.
Пигментами служат хлорофиллы а и в, аналогичные пигментам высших растений.
Донором электронов является вода, при этом в качестве побочного продукта выделяется
кислород.
По 4 кванта света для каждой из фотосистем необходимо для транспорта 4
электронов на НАДФ+. Поскольку соотношение АТФ и НАДФ необходимое для
фиксации СО2 3:2, циклическое фотофосфорилирование обеспечивает дополнительные
молекулы АТФ.
Реакции темновой фазы фотосинтеза:
33
Бескислородный фотосинтез.
Пигментами служат бактериохлорофиллы, их максимумы поглощения сдвинуты
в инфракрасную область, в сравнении с хлорофиллами. У таких бактерий действует одна
фотосистема, (циклический перенос электронов). НАДФ*Н синтезируется в процессе
обратного тока электронов. Электроны замещаются при помощи донора (серы,
сероводорода
у
серных
бактерий,
либо
фотосинтезирующих бактерий).
Фотосинтез пурпурных несерных бактерий.
Фотосинтез зеленых серных бактерий.
34
сукцината,
фумарата
у
несерных
Родопсиновый фотосинтез.
Некоторые архебактерии способны к родопсиновому фотосинтезу. Halobacterium
salinarum способна к аэробному дыханию и питанию органикой. В условиях низкой
концентрации
кислорода
и
высокой
интенсивности
света,
синтезируется
бактериородопсин (БР), темно-пурпурный пигмент близкий к каротиноидам. БР
фукционирует
подобно
протонному
насосу,
поглощая
свет,
он
претерпевает
конформационные изменения и переносит протон через мембрану.
Градиент протонов используется для синтеза АТФ. Организмы могут переносить
низкое содержание кислорода, в аэробных условиях возвращаясь к хемотрофии. Без
кислорода невозможен синтез пигмента и анаэробное дыхание. Фототрофия подобного
типа протекает без транспорта электронов.
35