Энергетический метаболизм прокариот Углеводы

Энергетический метаболизм прокариот

Углеводы как источник энергии • Углеводы – основной энергетический материал, который клетки используют в первую очередь для получения химической энергии • Расщепление углеводов организмы осуществляют разными путями, в которых важнейшим промежуточным продуктом является пировиноградная кислота (пируват). Пируват занимает центральное место в метаболизме • Выделяют три основных механизма образования ПВК

Фруктозодифосфатный (гликолиз) или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса – универсальный путь • Баланс: • Максимальное количество энергии, получаемое клеткой при окислении одной молекулы углеводов гликолитическим путем, равно 2· 105 Дж. • Все реакции этого пути, за исключением трех, протекающих с участием гексокиназы, 6 - фосфофруктокиназы и пируваткиназы, полностью обратимы. На стадии образования пировиноградной кислоты заканчивается анаэробная фаза превращения углеводов.

Фруктозодифосфатный путь расщепления глюкозы

Пентозофосфатный (Варбурга-Дикенса -Хорекера) путь • Характерен также для большинства организмов (в большей степени для растений, а для микроорганизмов играет вспомогательную роль). В отличие от гликолиза ПФ путь не образует пируват • При прохождении через ПФ путь каждых шести молекул глюкозы происходит полное окисление одной молекулы глюкозо-6 -фосфата до CO 2 и восстановление 6 молекул НАДФ+ до НАДФ·Н 2. Как механизм получения энергии этот путь в два раза менее эффективен, чем гликолитический: на каждую молекулу глюкозы образуется 1 молекула АТФ • Основное назначение этого пути – поставлять пентозы, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот, и обеспечивать образование большей части НАДФ·Н 2, необходимого для синтеза жирных кислот, стероидов

Пентозофосфатный путь расщепления глюкозо-6 -фосфата

Путь Энтнера-Дудорова (кетодезоксифосфоглюконатный или КДФГ-путь) • Встречается только у бактерий. Глюкоза фосфорилируется молекулой АТФ при участии фермента гексокиназы • КДФГ путь поставляет клетке 1 молекулу АТФ и 2 молекулы НАД·Н 2. • Использование глюконовой кислоты это специфическое приспособление к разложению сахаров и самостоятельное направление эволюции

Путь Энтнера-Дудорова расщепления глюкозы

• Таким образом, основным промежуточным продуктом окислительного расщепления углеводов является пировиноградная кислота, которая при участии ферментов превращается в различные вещества. Образовавшаяся одним из путей ПВК в клетке подвергается дальнейшему окислению. Освобождающиеся углерод и водород удаляются из клетки. Углерод выделяется в форме CO 2, водород передается на различные акцепторы. Причем может передаваться либо ион водорода, либо электрон, поэтому перенос водорода равноценен переносу электрона. В зависимости от конечного акцептора водорода (электрона) различают аэробное дыхание, анаэробное дыхание и брожение

Аэробное дыхание (Окислительное фосфорилирование) • Полное уравнение : образования АТФ в процессе клеточного дыхания 2 С 3 Н 4 О 3+6 О 2+36 Н 3 РО 4+36 АДФ+2 НАД*Н+= 6 СО 2+42 Н 2 О+36 АТФ+2 НАД*Н 2+тепло Уравнение справедливо, если процесс расщепления протекает до конца. Однако это происходит не всегда. Как побочный продукт реакции образуется H 2 O 2 , поэтому аэробные прокариоты имеют фермент - каталазу, нейтрализующую перекисные соединения.

Схема цикла Кребса

Неполное окисление субстрата • Тип дыхания аэробных организмов, при котором субстрат не окисляется до СО 2 и Н 2 О (полное окисление), а в качестве продуктов обмена в среду выделяются частично окисленные органические соединения (уксусная, глюконовая, фумаровая и др. кислоты). К неполному окислению способны, например, уксуснокислые бактерии (Род Acetobacter, Gluconobacter , Гр(-) палочки, спор не образуют, подвижные), некоторые плесневые грибы. • Окисляют глюкозу, этанол и ряд других веществ. • Кроме этанола уксуснокислые бактерии могут окислять одноатомные спирты – пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый в масляную, изобутиловый в изомасляную кислоту, окисляют многоатомный спирт сорбит в сорбозу. При определенных условиях конечный выход сорбозы достигает 90 -96%. Играют важнейшую роль в биотехнологии.

Люминесценция микроорганизмов. Люминесцирующие бактерии Photobacterium phosphoreum (1) Vibrio harveyi (2), Pyrosoma atlanticum (3), австралийский гриб Pleurotus lampas (4)

Люминесценция микроорганизмов (вызывается люциферином) • Видимое свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности; наблюдается у нескольких десятков видов бактерий, низших растений (грибов) , возможно при наличии фермента - люциферазы • кроме люциферина и люциферазы, имеется ещё длинноцепочечный альдегид, т. е. соединение типа • где R прямая углеводородная цепочка содержащая от 7 до 14 атомов углерода. Упрощённая схема реакции Б. в этом случае имеет следующий вид: • (Здесь ФМН — окисленная форма флавинмононуклеотида, ФМН · H 2 — его восстановленная форма, Е — фермент люцифераза. ) Бактерии испускают зелёный свет с максимальной длиной волны около 560 нм.

Анаэробное дыхание (Субстратное фосфорилирование) • Биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной цепи в качестве конечного акцептора электронов вместо O 2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде АТФ. • Факультативные анаэробы используют акцепторы электронов с высоким окислительно-восстановительным потенциалом (NO 3−, NO 2−, Fe 3+, фумарат, диметилсульфоксид и т. д. ), у них это дыхание конкурирует с энергетически более выгодным аэробным и подавляется кислородом • Акцепторы с низким окислительно-восстановительным потенциалом ( S, SO 42 -, CO 2) применяются только строгими анаэробами, гибнущими при появлении в среде кислорода • Механизмы окисления органических субстратов при анаэробном дыхании, как правило, аналогичны механизмам окисления при аэробном дыхании. Исключением является использование в качестве исходного субстрата ароматических соединений.

Нитратное и нитритное дыхание • Прокариоты обладают возможностью использовать в качестве акцептора электрона в дыхательной электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) вместо кислорода различные окисленные соединения азота. Ферментом, катализирующим финальную стадию транспорта электрона — его перенос на нитрат-анион — является нитратредуктаза. При использовании нитритов ферментов и путей его восстановления два: • NO-образующая нитритредуктаза восстанавливает нитрит до оксида азота (II). Это одна из стадий денитрификации. • NH 3 -образующая нитритредуктаза восстанавливает нитрит до иона аммония, что является заключительной стадией диссимиляционного восстановления нитратов в аммоний.

Сульфатное дыхание • В настоящее время известен ряд бактерий, способных окислять органические соединения или молекулярный водород в анаэробных условиях, используя в качестве акцепторов электронов в дыхательной цепи сульфаты, тиосульфаты, сульфиты, молекулярную серу. Этот процесс получил название диссимиляционной сульфатредукции, а бактерии, осуществляющие этот процесс — сульфат восстанавливающих или сульфатредуцирующих. • Все сульфат восстанавливающие бактерии — облигатные анаэробы. • Сульфат восстанавливающие бактерии получают энергию в процессе сульфатного дыхания при переносе электронов в электрон- транспортной цепи. Перенос электронов от окисляемого субстрата по электронтранспортной цепи сопровождается возникновением электрохимического градиента ионов водорода с последующим синтезом АТФ. • Сульфатвосстанавливающие эубактерии широко распространены в анаэробных зонах водоёмов разного типа, в иле, в почвах, в пищеварительном тракте животных. Наиболее интенсивно восстановление сульфатов происходит в соленых озерах и морских лиманах, где почти нет циркуляции воды, и содержится много сульфатов. Сульфатвосстанавливающим эубактериям принадлежит ведущая роль в образовании сероводорода в природе и в отложении сульфидных минералов

Фумаратное дыхание, ацетатное дыхание • В качестве акцептора электронов может использоваться фумарат • Фумарат, как правило, отсутствует в природных местообитаниях и образуется самими микроорганизмами из аспартата, аспарагина, сахаров, малата и цитрата. В виду этого большинство бактерий, способных к фумаратному дыханию содержат фумаразу, аспартат: аммиак-лиазу и аспарагиназу. • Строго анаэробные ацетогенные бактерии родов Acetobacterium, Clostridium, Peptostreptococcus и др. способны получать энергию, окисляя водород углекислым газом. При этом две молекулы CO 2 образуют ацетат. Энергия при этом запасается в виде трансмембранного градиента протонов (Clostridium sp. ) или ионов натрия (Acetobacterium woodi).

Получение энергии в результате брожения (Субстратное фосфорилирование ) • Наиболее примитивным способом получения энергии, присущим определенным группам эубактерий, являются процессы брожения. • По своей биологической сути брожение – это способ получения энергии, при котором АТФ синтезируется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования. • При брожении продукты расщепления одного органического субстрата могут одновременно служить и донорами, 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. • Это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины и др. Химическое вещество может быть подвергнуто сбраживанию, если оно содержит неполностью окисленные или восстановленные углеродные атомы.

Брожение • В процессе брожения происходит окисление анаэробного типа. Многие организмы, осуществляющие брожение – облигатные анаэробы, а некоторые – факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием. • Продуктами брожений являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, а также СО 2 и Н 2. Обычно в процессе брожения образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, различают молочнокислое, спиртовое, маслянокислое и другие виды брожений.

Спиртовое брожение • Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением • С 6 Н 12 О 6 = 2 СО 2 + 2 С 2 Н 5 ОН + 2 АТФ • Энергетический выход спиртового брожения составляет две молекулы АТФ на одну молекулу катаболизированной глюкозы • Типичными возбудителями спиртового брожения являются некоторые виды дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, Schizosaccharomyces pombe и др. ) и бактерий (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Кроме того, этанол образуют такие мезофильные бактерии, как Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia, а также термофильные бактерии Thermoanaerobacterethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, C. thermocellum. • Спиртовое брожение широко используется для получения технического и пищевого спирта, вина, пива, а также в хлебопечении. В последнем случае значение имеет не образующийся спирт, а углекислый газ, который выделяется в большом количестве и вызывает разрыхление, подъем теста и его специфический запах.

Схема спиртового брожения

Изменения и нарушения спиртового брожения • Эффект Пастера - превалирование дыхания над гликолизом под влиянием кислорода. Это явление впервые отметил Л. Пастер при спиртовом брожении • Эффект Крэбтри - репрессия глюкозой, процесс торможения дыхания и активации брожения, наблюдаемый у винных дрожжей при сбраживании высокосахаристых сред. Явление противоположно эффекту Пастера • Шаптализация, технологический прием, заключающийся в подсахаривании сусла. Применяется в годы с неблагоприятными для созревания винограда условиями при выработке столовых сухих и шампанских виноматериалов. Для повышения спиртуозности на 1% об. необходимо добавлять сахарозу в количестве 1, 7 г/100 см 3. • Шампанизация, процесс насыщения вина естественной двуокисью углерода, связанный с биохимическими и физико-химическими превращениями, происходящими в вине как в период вторичного брожения, так и при последующей выдержке шампанизируемого вина на дрожжах.

Молочнокислое гомо- и гетероферментативное брожения • Различают два типа молочнокислого брожения: гомоферментативное и гетероферментативное. • При гомоферментативном молочнокислом брожении синтезируется практически одна молочная кислота (≈ 90 % всех продуктов брожения). • Гомоферментативное молочнокислое брожение идет по следующему • суммарному уравнению • С 6 Н 12 О 6 + 2 Фн + 2 АДФ → 2 СН 3 - СНОН – СООН + 2 АТФ • • Возбудителями гомоферментативного молочнокислого брожения являются, например, бактерии Streptococcus cremoris, S. lactis, Lactobacillus bulgaricus, L. lactis и др.

Схема гомоферментативного молочнокислого брожения

Молочнокислое брожение • Гетероферментативное молочнокислое брожение приводит к образованию разнообразных продуктов: молочной и уксусной кислот, этилового спирта, углекислого газа и глицерина. При этом типе брожения расщепление углеводов происходит по пентозофосфатному пути. • 2 С 6 Н 12 О 6 = СН 2 СНОН-СООН + СООН-СН 2 СООН + • СН 3 СООН + СН 3 СН 2 ОН + СО 2 + Н 2 + х ккал • • Возбудителями гетероферментативного молочнокислого брожения являются бактерии видов Leuconostoc mesenteroides, Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus brevis и др.

Молочнокислое брожение • Молочнокислые бактерии входят в состав нормальной микрофлоры человека и животных. • Многие представители патогенны. • Молочнокислые бактерии находят широкое применение в различных отраслях хозяйственной деятельности человека в процессе приготовления кисломолочных продуктов, сырокопченых колбас, квашения овощей и фруктов, в хлебопечении, для силосования кормов, биологической выделки кож и т. п. • Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах. Молочная кислота находит применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в кондитерской промышленности, для приготовления безалкогольных напитков и т. д.

Маслянокислое брожение • Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и осуществляют его облигатно- анаэробные бактерии рода Clostridium • Основной продукт брожения – масляная кислота. • Глюкоза сбраживается согласно уравнению: • Глюкоза = Бутират + 2 СО 2 + 2 Н 2 • На одну молекулу сбраживаемой глюкозы образуется 3, 3 молекулы АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения.

Схема маслянокислого брожения

Маслянокислое брожение • Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, заболоченных почвах, илах, и в местах, куда ограничен доступ кислорода. В результате деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества. • Маслянокислое брожение имеет практическое применение для получения масляной кислоты, используемой в парфюмерной промышленности. Для ее производства используют картофель, зерно, мелассу (отходы сахарного производства). • Маслянокислые бактерии нередко причиняют вред, вызывая порчу продуктов – прогоркание масла, сметаны, квашеных овощей, силоса, а также при недостаточной стерилизации – порчу консервированных грибных и мясных продуктов.

Пропионовокислое брожение • Основным продуктом, образующимся при пропионовокислом брожении, является пропионовая кислота. Кроме нее, синтезируются уксусная кислота и СО 2. • 1, 5 Глюкоза → 2 Пропионат + СО 2 + Ацетат • Поскольку пропионовокислые бактерии развиваются, как правило, в тех же субстратах, что и молочнокислые (рубец и кишечник жвачных животных), то предпочтительным субстратом для окисления является молочная кислота, синтезирующаяся в результате молочнокислого брожения: • 3 Лактат → 2 Пропионат + 2 Ацетат + СО 2

Пропионовокислое брожение • Существуют два метаболических пути образования пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий: • 1) акрилатный путь, в котором лактат в ходе ряда последовательных реакций восстанавливается до пропионата • Акрилатный путь присущ, по-видимому, только нескольким видам микроорганизмов (Clostridium propionicum, Bacteroides ruminicola, Megasphaera elsdenii). Субстратами для данного метаболического пути могут служить L-, D-, или LD- формы лактата. • Выход АТФ составляет одну молекулу на три молекулы потребленного в этом случае лактата.

Акрилатный путь пропионовокислого брожения

Пропионовокислое брожение • 2) сукцинат-пропионатный путь, в котором лактат превращается в пропионат через стадии образования пирувата и сукцината • Сукцинат-пропионатный тип брожения функционирует у большинства микроорганизмов, образующих пропионат. • Сукцинат в этом пути синтезируется как промежуточный продукт, но может продуцироваться также в качестве конечного продукта в малых или больших количествах • Синтезируемый в реакции оксалоацетат восстанавливается до сукцината с образованием промежуточных продуктов малата и фумарата. На этапе превращения фумарата в сукцинат происходит субстратное фосфорилирование, в результате чего образуется молекула АТФ.

Сукцинат-пропионатный тип брожения

Пропионовокислое брожение • Пропионовокислое брожение используется в сыроделии при созревании твердых сыров, которое длится два-три месяца. Источником пропионовокислых бактерий служит сычужный фермент – водный экстракт телячьих желудков. Пропионовокислые бактерии превращают молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты, придающие сыру острый вкус, а благодаря выделению углекислого газа в сырной массе образуются поры ( «глазки» ). В связи с тем, что пропионовокислые бактерии способны накапливать в своих клетках большие количества витамина В 12, их также используют для его промышленного получения.

Брожение смешанного типа: муравьинокислое брожение и бутандиоловое брожение • Этот вид брожения характерен для энтеробактерий, входящих в семейство Enterobacteriaceae (Escherichia coli, Proteus vulgaris, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens, Erwinia amylovora, Salmonella typhi, Shigella dysenteriae, Yersinia pestis и др). • Энтеробактерии являются факультативными анаэробами: при наличии воздуха они осуществляют аэробное дыхание, а в анаэробных условиях – брожение, продуктами которого являются уксусная, муравьиная, янтарная и молочная кислоты, этанол, ацетоин, 2, 3 -бутандиол, СО 2 и молекулярный водород.

• Брожение получило название муравьинокислого, потому что характерным, хотя и не главным продуктом брожения, является муравьиная кислота. Наряду с муравьиной кислотой выделяются и другие продукты, поэтому такой тип брожения еще называют брожением смешанного типа • При брожении смешанного типа гексозы используются в основном по гликолитическому пути, и только у незначительной части микроорганизмов – по пентозофосфатному пути. Катаболизм глюконата проходит по пути Энтнера – Дудорова. • В зависимости от того, какие продукты образуются при брожении смешанного типа, различают две его разновидности.

• 1. Брожение, характерное для бактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia, при котором образуются главным образом кислоты (молочная, уксусная, янтарная, муравьиная). Кроме органических кислот, выделяются газообразные продукты СО 2 и Н 2 (в соотношении 1: 1), образуется этанол и совсем не синтезируется 2, 3 - бутандиол. • Выход АТФ в этом случае составляет 2– 2, 5 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Кроме двух молекул АТФ, образующихся в процессе гликолиза, еще некоторое количество АТФ синтезируется в реакции, катализируемой ацетаткиназой

Брожение смешанного типа, характерное для бактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia

• 2. Брожение, характерное для бактерий родов Enterobacter, Serratia, Pantoea, Erwinia. При таком брожении органических кислот синтезируется значительно меньше, чем в брожении первого типа, однако больше образуется СО 2 и этанола. Кроме того, основным продуктом такого брожения является 2, 3 -бутандиол и, соответственно, этот тип брожения называют иначе бутандиоловым • Ацетоин образуется из двух молекул пирувата. Процесс его образования включает двукратное декарбоксилирование и поэтому в бутандиоловом брожении СО 2 выделяется намного больше, чем в предыдущем случае. Но в этом брожении синтезируется меньше кислот, так как образование бутандиола конкурирует за промежуточный продукт – пируват. Выход АТФ – две молекулы на одну молекулу глюкозы

Бутандиоловое брожение, характерное для бактерий родов Enterobacter, Serratia, Pantoea, Erwinia

Фотосинез прокариот (фотосинтетическое фосфорилирование) • У прокариот известны три типа фотосинтеза: • - I - зависимый от бактериохлорофилла (c, d, e) бескислородный фотосинтез, осуществляемый группами зеленых бактерий , пурпурных бактерий и гелиобактерий ; • - II - зависимый от хлорофилла (a 1, a 2) кислородный фотосинтез, свойственный цианобактериям и прохлорофитам ; • - III - зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез, найденный у экстремально галофильных архебактерий.

• В основе фотосинтеза I и II типа лежит поглощение солнечной энергии различными пигментами, приводящее к разделению электрических зарядов, возникновению восстановителя с низким и окислителя с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Перенос электронов между этими двумя компонентами приводит к выделению свободной энергии. • Аноксигенный фотосинтез характерен для пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий, в клетках которых содержатся пигменты для функционирования только одной фотосистемы, а в процессе фотосинтеза кислород не выделяется, хотя фотореакции у них различаются. • Оксигенный фотосинтез характерен для цианобактерий и прохлорофит. При оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы, включающиеся последовательно. • В фотосинтезе III типа окислительно-восстановительные переносчики отсутствуют. В этом случае энергия в доступной для организма форме возникает в результате светозависимого перемещения Н+ через мембрану.

Фиксация азота • Некоторые виды бактерий и архебактерий способны к фиксации азота. Фиксацию азота осуществляют около 250 видов и штаммов эубактерий: азотобактерии, клостридии и др. • Примерно половина азота, входящего в состав живых организов, фиксируется бактериями. • Азотфиксация, то есть превращение атмосферного азота в различные соединения, осуществляется ферментом нитрогеназой. Фиксация азота – один из наиболее дорогих биохимических процессов: на фиксацию одной молекулы азота расходуется 16 молекул АТФ (иногда до 35 молекул АТФ). • Фиксировать азот могут только прокариотические организмы. Все микроорганизмы, способные фиксировать азот, имеют сходные ферменты нитрогеназы. Нитрогеназа способна работать только в анаэробных условиях, в присуствии кислорода фермент инактивируется и фиксация азота останавливается.

Железобактерии • Железобактерии — бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трёхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов. Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах, играют большую роль в круговороте железа в природе. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца. Окисление протекает следующим образом: • 4 Fe(HCO 3)2 + 6 H 2 O + O 2 = 4 Fe(OH)3 + 4 H 2 CO 3 + 4 CO 2 • При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактерии окисляют большое количество двухвалентного железа. •

Железовосстанавливающие бактерии • Процессы микробного восстановления Fe 3+ сопряжены с биогеохимическими циклами углерода, кислорода и серы и могут оказывать значительное экологическое воздействие на современную окружающую среду • В некоторых морских, пресноводных и почвенных экосистемах диссимиляционное восстановление железа микроорганизмами - основной процесс, обеспечивающий окисление органического вещества • Восстанавливающие железо бактерии (известно 19 родов) способны окислять большой набор органических субстратов, в том числе сахара, аминокислоты и ароматические соединения путем переноса электронов на нерастворимый оксид железа. • Железовосстанавливающие микроорганизмы способны восстанавливать и ряд других элементов переменных валентностей, включая токсичные металлы и радионуклиды