Метаболизм бактериальной клетки

Информация - Биология

Другие материалы по предмету Биология

Для того чтобы скачать эту работу.
1. Подтвердите что Вы не робот:
2. И нажмите на эту кнопку.
закрыть



или соединениями, расщепление которых ведет к образованию ацетата (жирные кислоты, углеводороды), оказывается возможным благодаря функционированию глиоксилатного цикла. Эта анаплеротическая последовательность реакций заключается в превращении одного моля изоцитрата и одного моля ацетил-СоА в два моля С4-дикарбоновых кислот (рис.2). Эти кислоты могут превращаться в пируват или в фосфоенолпируват, т.е. могут использоваться для глюконеогенеза. Оксалоацетат также может взаимно превращаться в пируват и в фосфоенолпирувата.

Когда источником углерода служит глиоксилат (или его предшественники гликолат, мочевая кислота), индуцируются ферменты D-глицератного пути. Серия реакций этого пути приводит к образованию ацетил-СоА, который включается в ЦТК и окисляется. Поставку промежуточных продуктов в ЦТК. Обеспечивает реакция ещё одной молекулы глиоксилата с ацетил-СоА, в результате которой образуется малат.

В то время как ферменты, занятые на главных путях обмена, всегда присутствуют в клетках, растущих, например, на таких субстратах, как глюкоза, ферменты, участвующие во вспомогательных циклах, могут быть индуцибельными. При росте на средах с глюкозой содержание таких ферментов в клетках очень невелико. Этот минимальный уровень ферментативной активности называют основным уровнем. Лишь после переноса клеток в питательную среду, содержащую в качестве единственного источника энергии и углерода ацетат или глиоксилат, синтез соответствующих ферментов индуцируется. При полной индукции содержание индуцибельных ферментов в клетках может в 100 и более раз превышать основной уровень. Если клеткам предоставляется одновременно два субстрата, то нередко они используют только один из них. Например, при росте бактерий на среде, содержащей глюкозу и ацетат, сначала используется глюкоза. Ферменты, необходимые для использования ацетата, не образуются; их синтез не индуцируется до тех пор, пока в среде присутствует глюкоза.

 

Брожение.

Брожение-это такой метаболический процесс, при котором регенирируется АТР, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами и акцепторами водорода. Реакции приводящие к фосфорилированию ADP являются реакциями окисления. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя СО2. Отдельные этапы окисления представляют собой дигидрирование, при котором водород переносится на NAD. Акцепторами водорода, находящегосяся в составе NADH2, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NAD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

В результате брожения образуются ( по отдельности или в смеси )такие продукты, как этанол, лактат, пропионат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, бутан-2,3-диол, ацетон, пропан-2-ол, СО2, Н2. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, маслянокислое и уксуснокислое брожения. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует. Многие микроорганизмы, 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.

При сбраживании глюкозы микроорганизмами образуется от 1 до 4 молей АТР. У большинства микроорганизмов, осуществляющих брожение, для синтеза АТР используются только две реакции гликолиза:

1,3-Бисфосфоглицерат3-фосфоглицерат

фосфоенолпируватпируват

Необходимые акцепторы образуются при этом из пирувата и ацетил-СоА. При сбраживании одного моля глюкозы образуется 2-3 моля АТР. Существуют бактерии, способные использовать для дополнительного синтеза АТР ацетилкиназную реакцию:

ацетилфосфатацетат

Ацетилфосфат образуется из ацетил-СоА и неорганического фосфата. Данные бактерии способны осуществлять перенос восстановительных эквивалентов на протоны, которые затем выделяются в виде молекулярного водорода. Бактерии, способные таким образом избавляться от связанного с NAD водорода могут обходиться без превращений ацетил-СоА в акцепторы для NADH2. Поэтому они могут превращать ацетил-СоА в ацетилфосфат и регенерировать АТР путём ацетилкиназной реакции. Выделяют они главным образом ацетат и при сбраживании одного моля глюкозы способны регенирировать до четырёх молей АТР.

На приведённой схеме показаны основные типы брожений:

 

 

глюкоза

 

АТР[ H ]

[ H ][ H ]

лактатпируват ацетальдегид этанол

ацетоинСО2

[ H ]

СО2СО2

бутан-2,3-диол

ацетил-СоА + пропионат

 

[ H ] АТР [ H ] оксалоацетат

ацетоацетил-СоА Н2СО2[ H ]

ацетат этанол

бутанолАТР

[ H ]СО2[ H ]сукцинат

пропан-2-ол

бутиратацетонСО2

пропионат

 

Большинство природных соединений, состоящих из углерода, водорода, кислорода и (или) азота, поддается сбраживанию в анаэробных условиях. Предпосылкой для сбраживания является возможность частичного окисления субстрата в результате внутримолекулярного расщепления, сопровождающегося выделением энергии. Сбраживаются, например, полисахариды, гексозы, пентозы, тетрозы, многоатомные спирты, органические кислоты, аминокислоты (за исключением ароматических, лишь условно поддающихся сбраживанию), пурины, пиримидины.

Наряду с соединениями, которые сбраживаются в анаэробных условиях, есть вещества, неспособные сбраживаться. Это алифатические и ароматические углеводороды, стероиды, каротиноиды, терпены, порфирины. В аэробных условиях все эти вещества поддаются расщеплению и полностью окисляются, но в анаэробных условиях они стабильны. Стабильность их может быть обусловлена двумя причинами: 1) большинство названных соединений содержит только атомы углерода и водорода; при внутримолекулярном расщеплении таких соединений энергия не выделяется; 2) насыщенные углеводороды и полиизопреноиды могут окисляться только в присутствии молекулярного кислорода.

 

Использование неорганических доноров водорода.

 

Многие группы почвенных и водных бактерий могут использовать в качестве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфида, тиосульфата, сульфита и двухвалентного железа), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО2 т.е. способны получать в результате их окисления восстановительные эквиваленты и энергию для синтетических процессов. Получение энергии происходит, как правило, в результате дыхания с О2, как конечным акцептором водорода. Электроны, освобождающиеся при окислении упомянутых неорганических субстратов, поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с или цитохрома а. Поскольку фосфорилирование при этом может происходить лишь на одном этапе окисления, выигрыш в энергии соответственно невелик. Часть этой энергии затрачивается на то, чтобы оттеснить электроны, поступающие на участок цитохромов, по дыхательной цепи назад, на уровень пиридиннуклеотидов (восстановительные эквиваленты для синтезов), и восстановить последние. Лишь немногие из относящихся к этой группе бактерий способны расти за счет анаэробного дыхания, используя в качестве акцепторов водорода нитрат, нитрит, закись азота и т. п. Такой образ жизни с использованием неорганического донора водорода называют хемолитотрофным. Большинство бактерий с таким типом метаболизма используют СО2 в качестве единственного или главного источника клеточного углерода. Они являются поэтому автотрофами (хемолитоавтотрофами). Почти все аэробные хемолитоавтотрофные бактерии, до сих пор изученные в этом отношении, ассимилируют углерод СО2 через рибулозобисфосфатный цикл.

Превращение аммиака (аммония) в нитрат- нитрификация - осуществляется двумя группами нитрифицирующих бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат:

При окислении нитрита электроны переносятся на цитохром а1.

Различные соединения серы могут окисляться тиобациллами до сульфата:

S

Электроны, высвобождающиеся при окислении сульфита до сульфата, поступают вдыхательную цепь. Некоторые тиобациллы способны использовать выделяющуюся при этом окислении энергию для фосфорилирования на уровне субстрата:

 

аденозинфосфосульфат

АМР 2PiADP

 

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного:

 

Почти во всех группах бактерий, синтезирующих АТР путем окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях (анаэробное дыхание), есть формы, способные использовать молекулярный водород в качестве донора электронов. Существуют также аэробные бактерии, окисляющие водород с использованием кислорода в качестве конечного акцептора электронов.

Ряд бактерий способны использовать СО в качестве единственного источника электронов, окисляя его до СО2.

Фиксация СО2.

 

Большинство бактерий , способных расти в условиях, когда единственным источником углерода служит углекислота, фиксируют её через рибулозобифосфатный цикл. К таким бактериям относятся аэробные хемолитоавтотрофные, фототрофные и цианобактерии. Рибулозобифосфатный цикл это восстановительный процесс, в котором СО2 восстанавливается до уровня углеводов. На первом этапе при участии рибулозобифосфат-карбоксилазы к рибул