Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

ГЛАВА 3. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРОБОВ


ЗЛ. Физиология бактерий

Физиология бактерий изучает жизнеде­ятельность, метаболизм бактерий, вопросы питания, получения энергии роста и размно­жения бактерий, а также их взаимодействие с окружающей средой. Метаболизм бактерий лежит в основе изучения и разработки мето­дов их культивирования, получения чистых культур и их идентификации. Выяснение фи­зиологии патогенных и условно-патогенных бактерий важно для изучения патогенеза вы­зываемых ими инфекционных болезней, для постановки микробиологической диагности­ки, проведения лечения и профилактики ин­фекционных заболеваний, регуляции взаимо­отношения человека с окружающей средой, а также для использования бактерий в биотех­нологических процессах с целью получения биологически активных веществ.

3.1.1. Питание бактерий Химический состав бактериальной клетки.

Бактериальная клетка на 80—90 % состоит из воды, и только 10 % приходится на долю сухого вещества. Вода в клетке находится в свободном или связанном состоянии. Она выполняет механическую роль в обеспечении тургора, участвует в гидролитических реакци­ях. Удаление воды из клетки путем высуши­вания приводит к приостановке процессов метаболизма, прекращению размножения. Высушивание микроорганизмов в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение микробов и спо­собствует длительному их сохранению.

Состав сухого вещества распределен следу­ющим образом:

52% составляют белки, 17 % — углеводы, 9 % - липиды, 16 % - РНК, 3 % - ДНК и 3 % — минеральные вещества.

Белки являются ферментами, а также со­ставной частью клетки, входят в состав цитоп-лазматической мембраны (ЦПМ) и ее произ-




водных, клеточной стенки, жгутиков, спор и некоторых капсул. Некоторые бактериальные белки являются антигенами и токсинами бак­терий. В состав белков бактерий входят от­сутствующие у человека Д-аминокислоты, а также диаминопимелиновая кислота.

Углеводы представлены в бактериальной клетке в виде моно-, ди-, олигосахаров и полисахаридов, а также входят в состав ком­плексных соединений с белками, липидами и другими соединениями. Полисахариды нахо­дятся в составе некоторых капсул, клеточной стенки; крахмал и гликоген являются запас­ными питательными веществами. Некоторые полисахариды принимают участие в форми­ровании антигенов.

Липиды или жиры входят в состав ЦПМ и ее производных, клеточной стенки гра-мотрицательных бактерий, а также служат запасными веществами, входят в состав эн­дотоксина грамотрицательных бактерий, в составе ЛПС формируют антигены. В бак­териальных жирах преобладают длинноце-почечные (С14—С18) насыщенные жирные кислоты и ненасыщенные жирные кислоты, содержащие одну двойную связь. Сложные липиды представлены фосфатидилинозитом, фосфатидилглицерином и фосфатидилэтано-ламином. У некоторых бактерий в клетке находятся воски, эфиры миколовой кислоты. Микоплазмы — единственные представители царства Procaryotae, имеющие в составе ЦПМ стеролы. Остальные бактерии в составе ЦПМ и ее производных не имеют стеролов.

Нуклеиновые кислоты. В бактериальной клетке присутствуют все типы РНК: иРНК, тРНК, рРНК. Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды — это те строительные блоки, из которых синтезируются нуклеиновые кисло­ты. Кроме того, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды входят в состав многих кофермен-тов и служат для активации и переноса амино­кислот, моносахаров, органических кислот.


ДНК выполняет в бактериальной клетке на­следственную функцию. Молекула ДНК постро­ена из двух полинуклеотидных цепочек. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы (рис. 3.1, а). Азотистые основания представле­ны пуринами(аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). Каждый нуклеотид обладает полярностью. У него имеется дезоксирибозный 3'-конец и фосфатный 5'-конец. Нуклеотиды со­единяются в полинуклеотидную цепочку пос­редством фосфодиэфирных связей между 5'-кон-иом одного нуклеотида и З'-концом другого (рис. 3.1, б). Сцепление между двумя цепями обеспе­чивается водородными связями между компле­ментарными азотистыми основаниями: аденина с тимином, гуанина с цитозином. Нуклеотидные цепи антипараллельны: на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположен 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. Процентное содержание количества гуанинцитозин(ГЦ)-пар в ДНК определяет степень родства между бактери­ями и используется при определении таксономи­ческого положения бактерий.

Минеральные вещества обнаруживаются в золе, полученной после сжигания клеток. В большом количестве представлены мине­ральные вещества: N, S, Р, Са, К, Mg, Fe, Mn, а также микроэлементы: Zn, Си, Со, Ва.

Азот входит в состав белков, нуклеотидов, коферментов. Сера входит в виде сульфгид-рильных групп в структуру белков. Фосфор в виде фосфатов представлен в нуклеиновых кислотах, АТФ, коферментах. В качестве ак­тиваторов ферментов используются ионы Mg, Fe, Mn. Ионы К и Mg необходимы для акти­вации рибосом. Са является составной частью клеточной стенки грамположительных бакте­рий. У многих бактерий имеются сидерохро-мы, которые обеспечивают транспортировку ионов Fe внутрь клетки в виде растворимых комплексных соединений.

Классификация бактерий по типам питания и способам получения энергии. Основной целью метаболизма бактерий является рост, т. е. коор­динированное увеличение всех компонентов клетки. Поскольку основными компонентами бактериальной клетки являются органические соединения, белки, углеводы, нуклеиновые


кислоты и липиды, остов которых построен из атомов углерода, то для роста требуется посто­янный приток атомов углерода. В зависимости от источника усвояемого углерода бактерии подразделяют по типам на:

аутотрофы(от греч. autos — сам, trophe — питание), которые используют для постро­ения своих клеток неорганический углерод, в виде СО2;


гетеротрофы (от греч. heteros — другой), которые используют органический углерод. Легко усвояемыми источниками органи­ческого углерода являются гексозы, много­атомные спирты, аминокислоты.

Белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты являются крупными полимерными молекулами, которые синтезируются из мо­номеров в реакциях поликонденсации, про­текающих с поглощением энергии. Поэтому для восполнения своей биомассы бактериям помимо источника углерода требуется источ­ник энергии. Энергия запасается бактериаль­ной клеткой в форме молекул АТФ.

Организмы, для которых источником энер­гии является свет, называются фототрофами. Те организмы, которые получают энергию за счет окислительно-восстановительных реак-ций, называются хемотрофами.

Среди хемотрофов выделяют ли i отрофы (от греч. lithos — камень), способные использо­вать неорганические доноры электронов (Н2, NH3, H2S, Fe2+ и др.) и органотрофы, которые используют в качестве доноров электронов органические соединения.

Бактерии, изучаемые медицинской мик­робиологией, являются гетерохемоорганот-рофами. Отличительной особенностью этой группы является то, что источник углерода у них является источником энергии. Учитывая разнообразие микромира и типов метаболиз­ма, далее изложение материала ограничено рассмотрением метаболизма у гетерохемоор-ганотрофов.

Степень гетеротрофности у различных бак­терий неодинакова. Среди бактерий выде­ляют сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение), которые питаются мерт­вым органическим материалом и независимы от других организмов, и паразиты (от греч. parasites — нахлебник) — гетеротрофные мик-рорганизмы, зависимые в получении пита­тельных веществ от макроорганизма.

Среди паразитов различают облигатных и факультативных. Облигатные паразиты пол­ностью лишены возможности жить вне кле­ток. К ним относятся представители родов


Rickettsia, Coxiella, Ehrlichia, Chlamydia, раз­множающиеся только внутри клеток макро-рганизма.

Факультативные паразиты могут жить и без хозяина и размножаться, так же как и сапро­фиты, на питательных средах in vitro, т. е. вне организма.

Культивирование бактерий в системах in vi­tro осуществляется на питательных Средах. Искусственные питательные среды должны отвечать следующим требованиям:

1. Каждая питательная среда должна со­держать воду, так как все процессы жизнеде­ятельности бактерий протекают в воде.

2. Для культивирования гетероорганотроф-ных бактерий в среде должен содержаться органический источник углерода и энергии. Эту функцию выполняют различные органи­ческие соединения: углеводы, аминокислоты, органические кислоты, липиды. Наибольшим энергетическим потенциалом обладает глюко­за, так как она непосредственно подвергается расщеплению с образованием АТФ и ингре­диентов для биосинтетических путей. Часто используется в этих целях пептон — продукт неполного гидролиза белков, состоящий из поли-,олиго- и дипептидов. Пептон также поставляет аминокислоты для построения бактериальных белков.

3. Для синтеза белков, нуклеотидов, АТФ, коферментов бактериям требуются источни­ки азота, серы, фосфаты и другие минераль­ные вещества, в том числе микроэлементы.

Источником азота может служить пептон; кроме того, большинство бактерий способны использовать соли аммония в качестве источ­ника азота.

Серу и фосфор бактерии способны утили­зировать в виде неорганических солей: суль­фатов и фосфатов.

Для нормального функционирования фер­ментов бактериям требуются ионы Са2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, которые добавляют в питательную среду в виде солей, чаще всего фосфатов.

4. Решающее значение для роста мно­
гих микроорганизмов имеет рН среды.
Поддерживание определенного рН имеет
значение для предотвращения гибели мик­
роорганизмов от ими же образованных про­
дуктов обмена. С этой целью питательную


среду забуферивают, чаще всего используя фосфатный буфер. При сильном выделении бактериями кислот, как продуктов обмена, добавляют к питательной среде карбонат кальция СаС12.

5. Среда должна обладать определенным ос­
мотическим давлением. Большинство бакте­
рий способны расти на изотоничных средах,
изотоничность которых достигается добавле­
нием NaCl в концентрации 0,87 %. Некоторые
бактерии не способны расти на средах при
концентрации соли в них ниже 1 %. Такие
бактерии называются галофильными.

Так как устойчивость к осмотическому дав­лению определяется наличием у бактерий клеточной стенки, бактерии, лишенные кле­точной стенки, микоплазмы L-формы могут расти на питательных средах, содержащих гипертонический раствор, обычно сахарозы.

При необходимости к питательной среде добавляют факторы роста, ингибиторы роста определенных бактерий, субстраты для дейс­твия ферментов, индикаторы.

6. Питательные среды должны быть сте-
рильными.

В зависимости от консистенции питатель-ные среды могут быть жидкими, полужидки­ми и плотными. Плотность среды достигается добавлением агара.

Агар— полисахарид, получаемый из водо­рослей. Он плавится при температуре 100 °С, но при охлаждении остывает при температу-ре 45—50 °С. Агар добавляют в концентрации 0.5 % — для полужидких сред и 1,5—2 % — для создания плотных сред. В зависимости от со­сотава и цели применения различают простые, сложные, элективные, минимальные, диффе-ренциально-диагностические и комбинирован-ные среды.

По составу питательные среды могут быть простыми и сложными. К простым средам от­носятся пептонная вода, питательный бульон, мясопептонный агар. На основе этих простых сред готовят сложные, например сахарный и сывороточный бульоны, кровяной агар.

В зависимости от назначения срйды под-разделяются на элективные, обогащенные, дифференциально-диагностические.

Под элективными понимают среды, на ко­торых лучше растет какой-то определенный


микроорганизм. Например, щелочной агар, имеющий рН 9, служит для выделения холер­ного вибриона. Другие бактерии, в частности кишечная палочка, из-за высокого рН на этой среде не растут.

Среды обогащения — это такие среды, кото­рые стимулируют рост какого-то определен­ного микроорганизма, ингибируя рост других. Например, среда, содержащая селенит натрия, стимулирует рост бактерий рода Salmonella, ингибируя рост кишечной палочки.

Дифференциально-диагностические среды служат для изучения ферментативной актив­ности бактерий. Они состоят из простой пи­тательной среды с добавлением субстрата, на который должен подействовать фермент, и индикатора, меняющего свой цвет в результа­те ферментативного превращения субстрата. Примером таких сред являются среды Гисса, используемые для изучения способности бак­терий ферментировать сахара.

Комбинированные питательные среды со­четают в себе элективную среду, подавля­ющую рост сопутствующей флоры, и диф­ференциальную среду, диагностирующую ферментативную активность выделяемого микроба. Примером таких сред служат среда Плоскирева и висмут-сульфитный агар, ис­пользуемые при выделении патогенных ки­шечных бактерий. Обе эти среды ингибируют рост кишечной палочки.

3.1.2. Ферменты бактерий

В основе всех метаболических реакций в бактериальной клетке лежит деятельность ферментов, которые принадлежат к 6 клас­сам: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лигазы, лиазы, изомеразы.Ферменты, образу­емые бактериальной клеткой, могут локали­зоваться как внутри клетки — эндоферменты,так и выделяться в окружающую среду — эк-зоферменты.Экзоферменты играют большую роль в обеспечении бактериальной клетки доступными для проникновения внутрь ис­точниками углерода и энергии. Большинство гидролаз является экзоферментами, которые, выделяясь в окружающую среду, расщепля­ют крупные молекулы пептидов, полисаха­ридов, липидов до мономеров и димеров, способных проникнуть внутрь клетки. Ряд


экзоферментов, например гиалуронидаза, коллагеназа и другие, являются ферментами агрессии. Некоторые ферменты локализо­ваны в периплазматическом пространстве бактериальной клетки. Они участвуют в про­цессах переноса веществ в бактериальную клетку. Ферментативный спектр является таксономическим признаком, характерным для семейства, рода и — в некоторых слу­чаях — для видов. Поэтому определением спектра ферментативной активности поль­зуются при установлении таксономического положения бактерий. Наличие экзофермен­тов можно определить при помощи диффе­ренциально-диагностических сред, поэтому для идентификации бактерий разработаны специальные тест-системы, состоящие из набора дифференциально-диагностических сред.

3.1.3. Транспорт веществ в бактериальную

клетку

Для того, чтобы питательные вещества мог­ли подвергнуться превращениям в цитоплаз­ме клетки, они должны проникнуть в клетку через пограничные слои, отделяющие клетку от окружающей среды. Ответственность за поступление в клетку питательных веществ лежит на ЦПМ.

Существует два типа переноса веществ в бак­териальную клетку: пассивный и активный.

При пассивном переносе вещество прони­кает в клетку только по градиенту концентра­ции. Затрат энергии при этом не происходит. Различают две разновидности пассивного пе­реноса: простую диффузию и облегченную диффузию. Простая диффузия неспецифи­ческое проникновение веществ в клетку, при этом решающее значение имеет величина мо­лекул и липофильность. Скорость переноса незначительна. Облегченная диффузия проте­кает с участием белка-переносчика. Скорость этого способа переноса зависит от концентра­ции вещества в наружном слое.

При активном переносе вещество про­никает в клетку против градиента концен­трации при помощи белка-переносчика — пермеазы. При этом происходит затрата энергии. Имеется два типа активного транс­порта. При одном типе активного транс-


портанебольшие молекулы (аминокислоты, некоторые сахара) «накачиваются» в клетку и создают концентрацию, которая может в 100-1000 раз превышать концентрацию этого вещества снаружи клетки. Второй ме­ханизм, получивший название транслока­ция радикалов, обеспечивает включение в клетку некоторых Сахаров (например, глю­козы, фруктозы), которые в процессе пе­реноса фосфорилируются, т. е. химически модифицируются. Для осуществления этих процессов в бактериальной клетке лока­лизуется специальная фосфотрансфер-ная система, составной частью которой является белок-переносчик, находящий­ся в активной фосфорилированной фор­ме. Фосфорилированный белок связывает свободный сахар на наружной поверхности мембраны и транспортирует его в цитоплаз­му, где сахар освобождается в виде фосфата. Поступив в клетку, органический источник углерода и энергии вступает в цепь биохимичес­ких реакций, в результате которых образуются АТФ и ингредиенты для биосинтетических про­цессов. Биосинтетические (конструктивные) и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. Они тесно связаны между собой через общие промежуточные продукты, кото­рые называются амфиболитами.

3.1.4 Конструктивный метаболизм

Основные органические компоненты бак­териальной клетки, как уже было отмечено, синтезируются в реакциях полимеризации, из строительных блоков: аминокислот, фосфатов Сахаров, пуриновых и пиримидиновых осно­ваний, органических кислот. Поставщиками этих строительных блоков являются проме­жуточные продукты основных путей энер­гетического метаболизма (рис. 3.2). Среди бактерий выделяется группа, называющаяся прототрофами, которые способны синтези­ровать все компоненты клетки из одного ис­точника углерода и энергии. Если бактерии теряют способность к синтезу какого-нибудь фермента, участвующего в биосинтетических процессах, то для их роста и размножения требуется наличие недостающего вещества, которое называется фактором роста, а такие бактерии — ауксотрофами.


Факторами роста являются аминокисло­ты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины, которые входят в состав простети-ческих групп коферментов.

Биосинтез аминокислот.Большинство бак­терий обладают способностью синтезировать все 20 аминокислот, из которых состоят бел­ки. Белки в бактериальной клетке выполняют ферментативную функцию, а также являются составной частью структурных образований клетки: ЦПМ и ее производных, клеточной стенки, жгутиков, капсулы и спор у некото­рых бактерий.

Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена. Исходным материалом служат промежуточные продук­ты фруктозодифосфатного (ФДФ) и пентозо-фосфатного (ПФ) путей, цикл трикарбоновых кислот: пируват, кетоглутаровая кислота, окса-лоацетат, фумарат, эритрозо-4-фосфат, рибозо-4-фосфат. Аминогруппы вводятся в результате непосредственного аминирования или переа-минирования. Перевод неорганического азота в органические соединения происходит всегда через аммиак. Нитраты и нитриты и молекуляр­ный азот предварительно восстанавливаются в


аммиак и только лишь после этого включаются в состав органических соединений.

В результате прямого аминирования образуются лишь L-аланин, L-аспартат, L-глугамат и L-глута-мин. Все остальные аминокислоты получают свою аминогруппу в результате переаминирования, с од­ной из «первичных» аминокислот. В большинстве случаев аминогруппа вводится на последнем этапе синтеза путем переаминирования.

Биосинтез нуклеотидов.Пуриновые и пири­мидиновые нуклеотиды — это те строитель­ные блоки, из которых синтезируются нук­леиновые кислоты. Кроме того, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды входят в состав многих коферментов и служат для активации и переноса аминокислот, Сахаров, липидов в реакциях полимеризации.

Исходным соединением для образования пентозной части нуклеотидов служит рибозо-5-фосфат, образующийся в ПФ-пути.

Углеродный скелет пиримидинов происхо­дит из аспартата, который образуется в цикле трикарбоновых кислот.

Атомы азота и аминогруппы пуринов и аминосодержащих пиримидинов происходят из аспартата и глутамина.


Биосинтез жиров.Жиры или липиды яв­ляются важными компонентами ЦПМ и клеточной стенки грамотрицательных бакте­рий, а также служат запасными веществами. В бактериальных жирах преобладают длинно-цепочечные (С14-С18) насыщенные жирные кислоты и ненасыщенные жирные кислоты, содержащие одну двойную связь. Сложные липиды представлены фосфатидилинозитом, фосфатидилглицерином и фосфатидилэтано-ламином.

Ключевым промежуточным продуктом для биосинтеза жирных кислот является ацетил-коэнзим А. Ключевыми промежуточными продуктами для синтеза фосфолипидов яв­ляется продукт ФДФ-пути: диоксиацетил-фосфат, восстанавливающийся в глицерол-3-фосфат, который соединяется с остатками жирных кислот.

Биосинтез углеводов.Углеводы представ­лены в бактериальной клетке в виде моно-, ди- и полисахаридов, а также комплексных соединений. Полисахариды входят в состав некоторых капсул, крахмал и гликоген явля­ются запасными питательными веществами.

Синтез глюкозы происходит из пирувата, за счет обратных реакций, путей распада глю­козы. Для обхода реакций, идущих только в одном направлении, имеются обходные пути, например глиоксилатный цикл.

Регуляция метаболизма у прокариот

Поскольку все реакции, протекающие в клетке, катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментатив­ных реакций. Скорость последних может регулиро­ваться двумя основными способами: путем изменения количества ферментов и путем изменения их актив­ности.

Биосинтетические пути, опосредованные консти­тутивными ферментами, регулируются аллостеричес-ким ингибированием активности первого фермента. Биосинтетические пути, опосредованные индуци-бельными ферментами, регулируются путем репрес­сии их синтеза конечным продуктом.

Катаболические пути, опосредованные индуцибель-ными ферментами, регулируются индукцией синтеза ферментов и катаболической репрессией, а опосредо­ванные конститутивными ферментами — посредством аллостерических воздействий на их активность. АТФ


в этом случае является отрицательным эффектором, а АДФ — положительным эффектором.

3.1.5. Энергетический метаболизм

Энергия в бактериальной клетке накап­ливается в форме молекул АТФ. У хемоор-ганотрофных бактерий реакции, связанные с получением энергии в форме АТФ, — это реакции окисления-восстановления, сопря­женные с реакциями фосфорилирования. Окисленный в этих реакциях углерод вы­деляется клеткой ввиде СO2. Для удаления отщепившегося в этих реакциях водорода, который находится в форме восстановлен­ного НАД, различные бактерии используют различные возможности в зависимости от конечного акцептора водорода (или элект­ронов, что является эквивалентным поня­тием). В зависимости от способа получения энергии у бактерий имеется несколько типов метаболизма: окислительный, или дыхание; бродильный, или ферментативный; смешан­ный. Тип метаболизма определяет не только реакции, в результате которых образуется АТФ, он также определяет конечные продук­ты этих реакций, которые используются при идентификации бактерий, а также условия культивирования бактерий.

При использовании в качестве источника углерода и энергии глюкозы или других гек-соз начальные этапы окисления глюкозы яв­ляются общими, как при оксидативном, так и при бродильном метаболизмах. К ним относят­ся пути превращения глюкозы в пируват (при использовании в качестве источника энергии отличных от глюкозы гексоз, или дисахари-дов, они врезультате химических превраще­ний вступают в цепь реакций, превращающих глюкозу в пируват).

Пути расщепления глюкозы. Расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты, одно­му из важнейших промежуточных продуктов обмена веществ, у бактерий происходит 3 путями (рис. 3.3):

1) через образование фруктозо-1,6-дифос-фата (ФДФ-путем, или гликолитическим распадом, или, по имени изучавших его ис­следователей, путем Эмбдена—Мейергофа— Парнаса);

2) через пентозофосфатный путь (ПФ-путь);


3) через путь Энтнера—Дудорова, или КДФГ-путь (путь 2-кето-3-дезокси-6-фос-фоглюконовая кислоты).

Глюкоза в бактериальной клетке сначала фосфорилируется при участии АТФ и фермен­та гексокиназы до метаболически активной формы глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф), которая служит исходным соединением для любого из трех указанных выше путей.

ФДФ-путь. Г-6-Ф изомеризуется до фруктозо-6-фосфата, который под действием фосфофруктокина-зы превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, который в дальнейшем через образование 3-фосфоглицери-нового альдегида окисляется до пировиноградной кислоты.

Баланс окисления глюкозы по ФДФ-пути сла­гается из образования 2 молекул пирувата, 2 мо­лекул АТФ и 2 молекул восстановленного НАД.

ПФ-путь. Вэтом случае глюкозо-6-фосфат че­рез реакции дегидрирования и декарбоксилирования превращается в рибулезо-5-фосфат (Ри-5-Ф), кото­рый находится в равновесии с рибозо-5-фосфатом и ксилулозо-5-фосфатом. Ри-5-Ф расщепляется до


3-фосфоглицеринового альдегида, промежуточного продукта превращения глюкозы в пируват.

Образовавшиеся пентозофосфаты превращаются в результате транскетолазных и трансальдолазных реак­ций во фруктозо-6-фосфат, замыкая реакции в цикл, и в 3-фосфоглицериновый альдегид, промежуточный про­дукт превращения глюкозы в пируват по ФДФ-пути.

При одном обороте цикла образуется 1 молекула 3-фосфоглицеринового альдегида, 3 молекулы С02 и 2 молекулы восстановленного НАДФ.

Значение цикла заключается в подготовке важных промежуточных веществ, пентозофосфатов, эритро-зофосфатов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот и аминокислот, а также синтеза восстановлен­ного НАДФ.

ПФ-путь как единственный путь расщепления глюкозы встречается у бактерий, у которых отсутс­твуют основные ферменты ФДФ-пути (альдолаза и трифосфатизомераза), превращающие фруктозо-1,6-дифосфат в пируват, например у некоторых видов рода Lactobacillus (L. brevis).

КДФГ-путь (путь Этнера—Дудорова) расщеп­ления глюкозы специфичен только для бактерий. Встречается у бактерий, потерявших фермент


фосфофруктокиназу, например у бактерий рода Pseudomonas.

Процесс начинается с дегидрирования глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконовой кислоты. От нее под действием дегидрогеназы отщепляется вода и образу­ется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовая кислота (КДФГ), которая расщепляется альдолазой на пиру-ват и 3-фосфоглицериновый альдегид. Последний окисляется до пировиноградной кислоты так же, как и по ФДФ-пути.

На каждую молекулу глюкозы образуется 1 молекула АТФ, 1 молекула восстановленного НАД и 1 молекула восстановленного НАДФ, которая эквивалента 1 мо­лекуле АТФ и 1 молекуле восстановленного НАД.

Микроорганизмы заметно различаются меж­ду собой по использованию того или иного из рассмотренных путей. Ферменты ФДФ-пути, как правило, являются обязательными компо­нентами клетки, хотя у многих бактерий этот путь действует лишь в обратном направлении; необратимые реакции при этом катализируют­ся ферментами. ПФ-путь также имеет универ­сальное значение, так как он служит постав­щиком ингредиентов для биосинтеза.

Пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, превращается при участии кофакто­ров в «активированную» уксусную кислоту или ацетилкоэнзим А. Последний окисляется в С02 с отщеплением водорода в цикле три-карбоновых кислот.


Цикл трикарбоновых кислот выполняет не только функцию конечного окисления пита­тельных веществ, этот цикл обеспечивает про­цессы биосинтеза многочисленными пред-шественникамим: пируват а-кетоглутаровая, щавелевая и янтарные кислоты — для синтеза аминокислот; щавелевоуксусная — для синте­за пиримидиновых нуклеотидов, молонат — для синтеза аминокислот, пиримидиновых нуклеотидов и жиров (рис. 3.4).

Окислительный метаболизм. Бактерии, об­ладающие окислительным метаболизмом, энергию получают путем дыхания.

Дыхание — процесс получения энергии в реакциях окисления-восстановления, со­пряженных с реакциями окислительного фосфорилирования, при котором донора­ми электронов могут быть органические (у органотрофов) и неорганические (у литот-рофов) соединения, а акцептором — только неорганические соединения.

У бактерий, обладающих окислительным ме­таболизмом, акцептором электронов (или во­дорода (Н+)) является молекулярный кислород. В этом случае пируват полностью окисляется в цикле трикарбоновых кислот до С2. Цикл трикарбоновых кислот выполняет функции как поставщика предшественников для биосинте-


тических процессов, так и атомов водорода, который в форме восстановленного НАД пе­реносится на молекулярный кислород через серию переносчиков, обладающих сложной структурно оформленной мультиферментной системой — дыхательной цепью. Дыхательная цепь у бактерий локализована в ЦПМ и во внут­риклеточных мембранных структурах.

Переносчики, осуществляющие транспорт водорода (электронов) на молекулярный кис­лород, относятся к 4 классам дегидрогеназ, коферментами которых являются НАД, фла-вопротеины, хиноны и цитохромы. Протоны (электроны) передвигаются от одного носителя к другому в направлении увеличивающегося окислительно-восстановительного потенциала. Типичная цепь выглядит следующим образом:

ЦТК—>НАД(Н2)—>флавопротеид—>хинон -> ->цитохромы: в—>с->а—O2

Среди бактериальных цитохромов различа­ют цитохромы в, с, а и а3. Конечным этапом пе­реноса электронов (протонов) по дыхательной цепи является восстановление цитохромов а - а3 (цитохромоксидазы). Цитохромоксидаза является конечной оксидазой, передающей электроны на кислород. В процессе переноса электронов по цитохромам меняется валент­ность входящего в состав железопорфириро-ванной группы железа. Завершается перенос электронов реакцией O2 + 4F2+ 202 + 4F3+. Образующиеся при окислении ФАД или хи-нонов протоны связываются ионами О2" с образованием воды.

Образование АТФ вдыхательной цепи связы­вают с хемоосмотическим процессом. Особая ориентация переносчиков в ЦПМ приводит к тому, что передача водорода происходит с внутренней на внешнюю поверхность мем­браны, в результате чего создается градиент атомов водорода, проявляющийся в наличии мембранного потенциала. Энергия мембран­ного потенциала используется для синтеза ло­кализованной в мембране АТФазой АТФ.

В это время у эукариотов ферменты дыха­тельной цепи имеют относительно постоян­ный состав, у бактерий встречаются вариации в составе дыхательной цепи. Так, у многих бактерий вместо убихинонов имеются нафто-


хиноны, состав цитохромов может зависеть от условий роста бактерий. У некоторых бакте­рий цитохромы отсутствуют, и при контакте с кислородом происходит непосредственный перенос водорода на кислород с помощью флавопротеидов, конечным продуктом при этом оказывается перекись водорода — Н202.

Помимо углеводов прокариоты способны использовать другие органические соедине­ния, в частности белки, в качестве источника энергии, окисляя их полностью до С02 и Н20.

Аминокислоты и белки также могут высту­пать в качестве энергетических ресурсов. Их использование связано, в первую очередь, с определенными ферментативными преоб­разованиями подготовительного характера. Белки вначале вне клетки расщепляются про-теолитическими ферментами на пептиды, ко­торые поглощаются клеткой и расщепляются внутриклеточными пептидазами до амино­кислот. Аминокислоты могут использоваться в конструктивном метаболизме, а могут у ам­монифицирующих бактерий служить основ­ным материалом в энергетических процессах при окислительном дезаминировании, в резуль­тате которого происходит выделение аммиака и превращение аминокислоты в кетокислоту, которая через цикл трикарбоновых кислот вступает в конструктивный метаболизм:

2R - CHNH2 - СООН + O2 -> 2R - СО --COOH + 2NH3

Процесс аммонификации известен как «гниение», при этом происходит накопление продуктов, обладающих неприятным специ­фическим запахом образующихся при этом первичных аминов.

Гнилостные бактерии осуществляют мине­рализацию белка, разлагая его до С02, NH3, H2S. К гнилостным бактериям относятся Proteus, Pseudomonas, Bacillus cereus.

Бродильный (ферментативный) метаболизм.

Ферментация, или брожение, — процесс получения энергии, при котором отщеплен­ный от субстрата водород переносится на органические соединения.


Кислород в процессе брожения участия не принимает. Восстановленные органические соединения выделяются в питательную среду и накапливаются в ней. Ферментироваться могут углеводы, аминокислоты (за исключе­нием ароматических), пурины, пиримидины, многоатомные спирты. Не способны сбра­живаться ароматические углеводороды, сте­роиды, каротиноиды, жирные кислоты. Эти вещества разлагаются и окисляются только в присутствии кислорода, в анаэробных усло­виях они стабильны. Продуктами брожения являются кислоты, газы, спирты.

При ферментации гексоз (глюкозы) пи-руват лишь частично окисляется в цикле трикарбоновых кислот. Последний выпол­няет только функции поставщика предшес­твенников для биосинтетических процессов. Энергия в форме 2 молекул АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования, протекающего при окислении триозофос-фата в пируват. Отщепившийся от субстра­та водород, находящийся в форме восста­новленного НАД, переносится на пируват, превращая его в цепи реакций в этанол, кислоты, газы. Исходя из природы конечных продуктов, различают несколько типов фер­ментации углеводов.

Спиртовое брожение. Встречается, в основ­ном, у дрожжей. Конечными продуктами яв­ляются этанол и С02. Сбраживание глюко­зы происходит по ФДФ-пути в анаэробных условиях. При доступе кислорода процесс брожения ослабевает, на смену ему приходит дыхание. Подавление спиртового брожения кислородом называется эффектом Пастера.

Спиртовое брожение используется в пищевой промышленности: хлебопекарной, виноделии.

Молочнокислое брожение. Различают два ти­па молочнокислого брожения: гомофермен-тативное и гетероферментативное.

При гомоферментативномтипе расщеп­ление глюкозы проходит по ФДФ-пути. Водород от восстановленного НАД переда­ется на пируват при помощи лактатдегид-рогеназы, при этом образуется молочная кислота. Гомоферментативное молочно­кислое брожение происходит у S. pyogenes, E.faecalis, S. salivarius у некоторых видов рода Lactobacillus: L. dulgaricus, L. lactis.


Гетероферментативноемолочнокислое бро­жение присутствует у бактерий, у которых от­сутствуют ферменты ФДФ-пути: альдолаза и триозофосфатизомераза. Расщепление глю­козы происходит по ПФ-пути с образовани­ем фосфоглицеринового альдегида, который превращается далее в пируват по ФДФ-пути ив последующем восстанавливается в лактат. Дополнительными продуктами этого типа бро­жения являются также этанол, уксусная кисло­та. Гетероферментативное молочнокислое бро­жение встречается у различных представителей бактерий родов Lactobacillus и Bifidobacterium.

Продукты молочнокислого брожения игра­ют большую роль в формировании колони­зационной резистентности бактериями рода Lactobacillus и Bifidobacterium, составляющих облигатную флору кишечника.

Молочнокислые бактерии широко исполь­зуются в молочной промышленности для по­лучения молочнокислых продуктов, а также в создании пробиотиков.

Муравьинокислое (смешанное) броже­ние. Встречается у представителей семейств Enterobacteriaceae Vibrionaceae. Глюкоза рас­щепляется по ФДФ-пути, глюконат расщеп­ляется по КДФГ-пути.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2018 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.