ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ - В. М. Самыгин - 2015

ГЛАВА 7. МЕТАБОЛИЗМ И ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ У МИКРОБОВ

Совокупность протекающих в клетке биохимических процессов называется метаболизмом, который обеспечивается за счет питания и дыхания. Он включает в себя два процесса: катаболизм (или диссимиляция), и анаболизм (или ассимиляция).

При катаболизме происходит расщепление или превращение сложных органических соединений до более простых. Белки могут распадаться до пептидов, аминокислот, аммиака и углекислоты, сложные углеводы - до ди- и моносахаридов, сложные липиды - до глицерина и жирных кислот. Процессы катаболизма сопровождаются образованием значительного количества энергии, поэтому их называют еще энергетическим метаболизмом. При анаболизме осуществляется процесс биосинтеза составных частей бактериальной клетки из различных органических и неорганических соединений. Например, из аминокислот осуществляется синтез белка, из СO₂ и других соединений углерода синтезируются углеводы. Для анаболизма, или биосинтетических процессов, требуется затрата энергии. В биосинтезе большое значение имеют процессы полимеризации и конденсации, т. е. образование крупных молекул из более простых соединений (например, формирование клетчатки из молекул глюкозы).

Все разнообразные и многочисленные процессы в клетке микроорганизмов, связанные с метаболизмом, ростом и размножением, совершаются при участии ферментов (энзимов), которые являются биологическими катализаторами. Ферменты увеличивают скорость химических реакций в миллионы раз. Как катализаторы они обладают рядом уникальных свойств. Это, прежде всего, их необычайно высокая каталитическая активность: добавка незначительного количества фермента (10^-7-10^-9 моль) может ускорить катализируемую реакцию более чем 10¹⁰ раз. Другое важное свойство - избирательность действия. В ряде случаев ферменты обладают абсолютной специфичностью, катализируя превращение только одного вещества. Эта специфичность проявляется и в отношении условий реакции.

Ферменты ускоряют протекание реакций при различных, часто очень низких (с точки зрения химии) температурах: от 0°С - у беспозвоночных и холоднокровных организмов арктических морей, 37-40°С - у теплокровных животных до 70°С - у организмов, обитающих в горячих источниках. Для каждого фермента существует свой оптимум pH, при котором его каталитическое действие максимально. При резком изменении pH среды ферменты могут инактивироваться в результате необратимой денатурации (изменение конформации, раскручивание).

Ферменты могут быть представлены лишь белком с высокой молекулярной массой или иметь более сложное строение. В последнем случае ферменты состоят из белка (апофермента), не прочно связанного с кофактором (коферментом), играющим роль активатора. Кофактор может быть низкомолекулярным неорганическим (металл) или органическим веществом. Небелковая часть фермента (часто различные витамины) может быть прочно связана с белком-апоферментом, тогда ее называют простетической группой.

Классификация ферментов основана на типах реакций, которые они катализируют. В соответствии с этим ферменты разделяют на 6 групп:

- оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (например, дегидрогеназы);

- трансферазы, катализирующие перенос амино-, фосфо- или метальных групп с одного соединения на другое;

- гидролазы, расщепляющие путем гидролиза различные соединения;

- лиазы, отщепляющие от субстратов не гидролитическим путем, различные группы (СO₂, Н_2O, SН₂ и др.), катализируют реакции расщепления с образованием двойных связей или присоединения по двойным связям;

- изомеразы, катализирующие внутримолекулярные перестройки в субстрате, т. е. реакции изомеризации соединений;

- лигазы (синтетазы), осуществляющие присоединение друг к другу молекул (образующие С-С, С-O-, С-N-, С-S-связи), т. е. ускоряющие реакции синтеза.

У микроорганизмов различают экзоферменты, которые выделяются во внешнюю среду и играют важную роль в подготовке питательных веществ и их поступлении в клетку, повреждают ткани хозяев, выполняют защитную функцию. Например, гидролазы обеспечивают гидролиз полисахаридов, белков, липидов, а фермент пенициллиназа инактивирует антибиотик пенициллин, защищая бактерии от гибели. Эндоферменты прочно связаны с микробной клеткой, они катализируют внутриклеточные процессы обмена веществ.

Большая часть ферментов связана с определенными структурами бактериальной клетки. Так, в цитоплазме локализованы оксидоредуктазы, которые обеспечивают доставку питательных веществ. Ферменты, связанные с делением, находятся в мезосомах и клеточной стенке в месте образования перегородки.

Ферменты, которые синтезируются клеткой постоянно, называются конститутивными. Индуктивные (адаптивные) ферменты образуются только в присутствии в среде соответствующего субстрата. Например, способность кишечной палочки расщеплять лактозу проявляется только тогда, когда этот сахар присутствует в среде. Индуктивные ферменты у бактерий являются преобладающими, так как именно они играют основную роль в процессах адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Для выполнения своих функций ферменты должны обладать высокой специфичностью и высокой степенью сродства к субстрату. Под специфичностью ферментов понимают способность взаимодействовать только с одним или несколькими субстратами, близкими по химической структуре. В связи с этим определение ферментов является ценным диагностическим приемом при идентификации различных видов микроорганизмов. Микробные ферменты широко используются в ряде отраслей народного хозяйства: виноделии, пивоварении, хлебопечении и др., получении уксусной, лимонной, щавелевой и др. органических кислот.

Протекающие в клетках с участием ферментов реакции анаболизма и катаболизма являются взаимосвязанными. Конечные продукты этих реакций называются метаболитами. На определенных этапах метаболизма протекают промежуточные реакции перестройки одних веществ в другие. Они получили название реакций амфиболизма, а их продукты, амфиболиты, могут использоваться как в процессах анаболизма, так и катаболизма.

Сначала поступающие в клетку питательные вещества расщепляются на небольшие фрагменты, а затем в ходе амфиболизма они превращаются в ряд органических кислот и фосфорных эфиров. Эти два пути переходят незаметно один в другой. Из образующихся многообразных низкомолекулярных соединений синтезируются мономеры - аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, фосфорилированные сахара, органические кислоты и другие метаболиты - конечные продукты цепей биосинтеза. Из них строятся полимерные макромолекулы - нуклеиновые кислоты, белки, резервные вещества, компоненты клеточной стенки и т. п., из которых состоит клетка. Эти два этапа биосинтеза клеточных веществ - синтез мономеров и полимеров - составляют синтетическую ветвь метаболизма, или анаболизм.

Процессы жизнедеятельности микробной клетки сопряжены с затратой энергии и требуют ее возобновления, что осуществляется за счет экзотермических биохимических реакций окисления различных органических и неорганических веществ. Эти процессы энергетического обмена (катаболизма), восстанавливающие энергию клетки, обусловлены дыханием.При этом потребляются те же соединения, которые идут на построение структурных компонентов клетки, - сахара, спирты, органические кислоты, жиры и др.

Окисление веществ может происходить разными путями:

- прямым, когда к веществу при помощи ферментов оксидаз присоединяется кислород. В этом случае происходит непосредственное окисление атмосферным кислородом неорганического субстрата - молекулярного водорода, окиси углерода или серы. Прямое окисление регистрируется у многих сапрофитов;

- непрямым - отнятием от субстрата двух атомов водорода или двух электронов, т. е. в процессе дегидрирования. Отнятый от окисляемого субстрата-донора водород переносится на другое вещество, акцептор, которое при этом восстанавливается. Процесс переноса водорода и электронов сопровождается высвобождением энергии, которая утилизируется клеткой и аккумулируется в макроэргических соединениях (преимущественно АТФ).

Ферменты, отщепляющие от субстрата атомы водорода, называются дегидрогеназами. У бактерий в процессе переноса участвуют несколько дегидрогеназ. Их называют по донору водорода (например, лактатдегидрогеназа). Они переносят водород на один из двух коферментов - НАД⁺ или НАДФ+. Эти коферменты легко отделяются от дегидрогеназы и переносят водород на другой акцептор.

Протекающие в живых клетках процессы окисления органических веществ имеют специфические особенности. Во-первых, живые клетки проводят реакцию окисления в несколько стадий, а в конечном итоге выделится столько же энергии (тепла), как и при одномоментном окислении. Во-вторых, не вся освобождаемая энергия в ходе реакций рассеивается в виде тепла, часть ее запасается в виде АТФ. Для этого реакция, протекающая с освобождением энергии, «сопрягается» с реакцией, протекающей с поглощением энергии - с образованием АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В-третьих, органические вещества не всегда окисляются полностью, т. е. до углекислого газа. В-четвертых, живые клетки могут окислять органические вещества и в отсутствии свободного кислорода (например, анаэробные микроорганизмы).

Многочисленные химические реакции, протекающие в клетке, не являются независимыми друг от друга. Чаще всего они связаны между собой в сложные последовательности, имеющие общие промежуточные продукты, так что продукт первой реакции может служить субстратом или реагентом второй реакции и т. д. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций, а они в свою очередь связаны между собой, образуя сложные сети сходящихся и расходящихся реакций. Биологическое значение такого рода систем многообразно. Во-первых, такие системы последовательных реакций обеспечивают направленность биохимических реакций. Во-вторых, благодаря существованию подобных последовательности реакции возможен перенос химическом энергии в изотермических условиях.

Живые клетки получают энергию из внешней среды в различных формах (лучистая энергия или энергия в результате окисления химических соединений), однако они накапливают ее и используют в основном в одной форме - в виде аденозинтрифорсфорной кислоты (АТФ). АТФ служит главным носителем химической энергии в клетках всех живых существ, универсальным аккумулятором энергии («энергетическая валюта» клетки).

АТФ представляет собой мононуклеотид и, как все нуклеотиды, состоит из азотистого основания (аденина), пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Гидролиз молекулы АТФ, осуществляемый специальными ферментами - АТФазами, приводит к отщеплению от ее молекулы одного остатка фосфорной кислоты и к образованию АДФ (аденозиндифосфорной кислоты). Эта реакция сопровождается выделением значительного количества энергии (около 40 кДж/моль или 10 ккал/моль):

АТФ —> АДФ + Ф + 40 кДж

Такие связи, гидролиз которых сопровождается значительным выделением энергии, называются макроэргическими. Энергия макроэргических связей в значительной степени превышает энергию любых других химических связей.

В молекуле АТФ две макроэргические связи - между первым и вторым и между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. Поэтому отщепление от АТФ двух остатков фосфорной кислоты (пирофосфата) с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) будет также сопровождаться выделением энергии. Освобождаемая при этом энергия используется клетками для транспорта через биологические мембраны ионов натрия, калия или кальция против градиента их концентрации, а также для различных процессов биосинтеза.

Кроме АТФ, в клетках присутствуют и другие нуклеотиды, отличающиеся от АТФ структурой азотистого основания: ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), УТФ (уридинтрифосфорная кислота), ЦТФ (цитидинтрифорсфорная кислота). Это также макроэргические соединения, энергия которых используется, например, при синтезе белка (ГТФ), полисахаридов (УТФ), фосфолипидов (ЦТФ). Все перечисленные нуклеотиды необходимы для синтеза РНК.

В соответствии с путями биологического окисления бактерии объединяют в несколько групп:

- облигатные аэробы - бактерии, у которых конечным акцептором водорода и электронов является свободный молекулярный кислород воздуха;

- микроаэрофилы - бактерии-аэробы, у которых рост и размножение оптимальны при сниженном парциальном давлении кислорода. К ним относятся лептоспиры, актиномицеты и др. Некоторые из бактерий-микроаэрофилов (например, нейссерии, бруцеллы) лучше растут при повышенном содержании СО₂. Их относят к «капнофильным» микроорганизмам;

- облигатные анаэробы - бактерии, которые получают энергию при окислении органических или неорганических (водород, сера, железо, сероводород и др.) веществ без доступа свободного кислорода воздуха или анаэробным фотосинтезом;

- факультативные анаэробы, способные извлекать энергию из субстратов аэробным и анаэробным путями биологического окисления в зависимости от источника кислорода.

Под анаэробным дыханием понимают такие пути биологического окисления, при которых конечным акцептором электронов являются органические (фумарат) или неорганические вещества (нитраты, сульфаты, сера, железо, карбонаты), но не свободный кислород воздуха. Анаэробное дыхание сопряжено с функционированием электронно-транспортной цепи. Все виды анаэробного дыхания подразделяются по используемому конечному акцептору электронов.

Энергетические процессы, при которых органические соединения служат одновременно и донорами, и акцепторами электронов, называют брожением. Кислород в процессах брожения не участвует. Энергетическим материалом при брожении чаще всего являются углеводы. Акцептором водорода служат промежуточные продукты распада образующихся органических веществ, которые восстанавливаются и накапливаются в среде. Водород может частично выделяться в свободном виде. В зависимости от преобладающих или наиболее характерных конечных продуктов различают спиртовое (осуществляется дрожжами и мукоровыми грибами), молочнокислое (вызывается бактериями семейства Lactobacteriaсеае), маслянокислое (вызывается родом Clostridium) и пропионово- кислое (вызывается родом Propionibacterium) брожение.

Независимо от того, к какому типу относятся те или иные микроорганизмы, сущность энергетического метаболизма одна - получение энергии, образующейся в процессе биологического окисления как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Поэтому понятие «биологическое окисление» более точно и правильно отражает процесс дыхания у микробов. Дыхание с участием кислорода - частный случай биологического окисления. При дыхании окислительные процессы совершаются с участием молекулярного кислорода и освобождением большого количества энергии. Так, например, при окислении 1 г-моля глюкозы освобождается 688,5 ккал.

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Q

При анаэробном расщеплении органических веществ также происходит выделение энергии, но в значительно меньшем количестве. Так, при сбраживании 1 г-моль глюкозы до этилового спирта в анаэробных условиях образуется 31,2 ккал энергии.

С₆Н₁₂O₆ —> 2СН₃СН₂ОН + 2СO₂ + Q

Из этого следует, что аэробный тип окисления в энергетическом отношении выгодно отличается от анаэробного.

Основное количество энергии, полученной микроорганизмами в процессах дыхания, выделяется в окружающую среду в виде тепла, и только часть используется в жизненных процессах. Аэробы используют около 50 % энергии и столько же теряют. Анаэробы значительно меньше.