Microbiology

Синтез АТР из ADP и неорганического фосфата (Р;) катализируется АТР-синтазой. Этот фермент преобразует доставляемую потоком электронов энергию в энергию фосфоэфирных связей АТР. Фермент найден во всех мембранах, участвующих в преобразовании энергии, а именно в мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий. Он достаточно велик (мол. масса 350*10³) и имеет сложное строение (рис. 7.12,Г) - состоит из головки, построенной из не скольких субъединиц, ножки и основания; последнее погружено в липидный слой плазматической мембраны. АТР-синтаза катализирует присоединение фосфата к ADP с отщеплением молекулы воды, в результате чего образуется АТР. Каким образом поток протонов или протонный градиент осуществляет эту реакцию фосфорилирования, пока еще неизвестно; возможно, что протоны по какому-то каналу или поре в молекуле фермента оттекают обратно внутрь митохондрии или бактерии, а освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования.

Особые проблемы встают перед бактериями, использующими такой донор электронов, у которого окислительно-восстановительный потенциал более положителен, чем у пиридиннуклеотидов. Восстановленные пиридиннуклеотиды необходимы для процессов синтеза, в частности для восстановления 3-фосфоглицерата при автотрофной фиксации СО₂. Поэтому восстановление пиридиннуклеотидов требуется и в тех случаях, когда донорами электронов служат сульфид, тиосульфид, сера, нитрат или Fe^2 +. Так как прямое восстановление NAD такими донорами невозможно по термодинамическим причинам, приходится предположить, что NAD восстанавливается здесь путем переноса электронов в обратном направлении за счет энергии АТР и что регенерация АТР происходит только на конечном (кислородном) участке дыхательной цепи. Такой АТР-зависимый обратный транспорт электронов, сопровождающийся восстановлением NAD, уже обнаружен у Nitrobacter и Thiobacillus.

Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому нужен всем аэробным организмам. Еще со времен Пастера, изучавшего образование масляной кислоты бактериями, известно, что кислород токсичен для строго анаэробных видов. Неожиданностью явилось то, что кислород может оказывать токсическое действие и на аэробные организмы. Поэтому у большинства организмов имеются ферменты, способные защищать клетку от токсичных продуктов, образующихся из О₂.

 В анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода, хемоорганотрофные организмы могут получать биохимическую энергию (в форме АТР) двумя способами - путем брожения и путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. В распоряжении организмов, осуществляющих брожение, имеется мало реакций, служащих для синтеза АТР. Это реакции фосфорилирования на уровне субстрата.

Если во время роста клеток промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот используются в биосинтетических процессах, недостаток этих продуктов компенсируется восполняющими (анаплеротическими) реакциями. Одна из функций таких реакций - регенерация оксалоацета та, из которого в результате взаимодействия с ацетилкоферментом А образуется цитрат.

Когда субстратом для роста клетки служит глюкоза, этот сахар используется для синтеза всех клеточных компонентов, содержащих глюкозу, рибозу, дезоксирибозу и другие производные сахаров. В этом случае анаплеротические реакции обеспечивают прежде всего бесперебойную работу цикла трикарбоновых кислот. При росте микроорганизмов на среде с лактатом, пируватом, ацетатом, глиоксилатом и другими углеродными соединениями дополнительные метаболические пути необходимы не только для поддержания цикла трикарбоновых кислот, но и для образования промежуточных продуктов, используемых при биосинтезе сахаров (глюконеогенезе).

Биосинтез аминокислот. Большинство микроорганизмов и зеленые растения способны синтезировать de novo все двадцать аминокислот, из которых строятся белки. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена. Аминогруппы вводятся путем прямого аминирования или трансаминирования. Перевод неорганического азота в органические соединения происходит всегда через аммиак. Нитраты, нитриты и молекулярный азот предварительно восстанавливаются до аммиака (ассимиляционная нитратредукция) и только после этого включаются в состав органических соединений (рис. 7.16, а, б, в). Лишь немногие из аминокислот образуются в результате прямого аминирования свободными ионами NH₄. В первичной ассимиляции - аммиака участвуют L-глутаматдегидрогеназа (рис. 7.16, е) и L-аланиндегидрогеназа (ж), которые осуществляют восстановительное аминирование 2-оксокислот; АТР в этом процессе не участвует. Образование глутамина из глутамата катализируется глутаминсинтетазой (г). Этот фермент имеет во много раз большее сродство к ионам аммония (меньшую константу -Км), чем названные дегидрогеназы, и поэтому активен даже при крайне низких концентрациях NH₄ ; для образования глутамина не обходим АТР. С помощью глутаматсинтазы (д) амидная группа глутамина может быть перенесена на 2-оксоглутарат. Эта система включе ния аммонийного азота в органические соединения у многих бактерий и растений, видимо, создается и используется в тех случаях, когда концентрация ионов аммония в среде очень мала (меньше 1 мМ/л), а также при фиксации N₂.

Для того чтобы экзогенный субстрат мог быть использован клеткой, он должен пройти через ее пограничные слои. Клеточная стенка не служит существенной преградой для небольших молекул и ионов, но она задерживает макромолекулы, масса которых превышает 600 Да. Пограничным слоем, ответственным за транспорт питательных веществ внутрь клетки, является плазматическая мембрана.

Получение энергии - необходимая предпосылка для жизнедеятельности клеток. Из трех принципиально возможных способов регенерации АТР (дыхание, брожение и фотосинтез) брожение - наиболее простой.

Этиловый спирт (этанол) - один из широко распространенных продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и многие грибы в анаэробных условиях накапливают этанол. Главные продуценты этанола - дрожжи, особенно штаммы Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи, как и большинство других грибов, осуществляют аэробное дыхание, но без доступа воздуха они сбраживают углеводы до этанола и СО₂. У ряда анаэробных и факультативно-анаэробных бактерий этиловый спирт тоже является главным или побочным продуктом сбраживания гексоз или пентоз.

В изучении описанных выше путей обмена важную роль сыграли работы, проведенные на дрожжах. Еще Гей-Люссак (в 1815 г.) дал уравнение, описывающее превращение глюкозы в этанол в той форме, как это принято и теперь:

С₆Н₁₂0₆   ->  2СО₂   +   2С₂Н₅ОН

Нормальное сбраживание глюкозы дрожжами. Сбраживание глюкозы до этанола и СО₂ дрожжами(Saccharomyces cerevisiae) осуществляется по фруктозодифосфатному пути. Превращение пирувата в этанол происходит в два этапа. Сначала пируват декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой (а) при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой (б) в этанол при участии NADH₂:

Переносится при этом водород, образующийся при дегидрировании триозофосфата; окислительно-восстановительный баланс, таким образом, сохраняется.