Microbiology

Рассматривая круговорот углерода, мы уже противопоставляли друг другу два процесса: фотосинтез, при котором фиксируется СО₂ и выделяется О ₂, и минерализацию органических веществ, связанную с потреблением О₂ и освобождением СО₂. Процессы эти противоположны. С точки зрения массообмена важнее всего переход углерода из газообразного неорганического вещества в полутвердые и твердые органические соединения и обращение этого процесса. Если же рассматривать оба этих процесса с позиций энергообмена, т.е. преобразования энергии, то углерод имеет меньшее значение, чем водород.

Метаболизм и метаболические пути. Как во время роста, так и в состоянии покоя вегетативные клетки нуждаются в постоянном притоке энергии. Живая клетка представляет собой высокоорганизованную материю. Энергия необходима не только для создания такой организации, но и для ее поддержания. Эту энергию организм получает в процессе обмена веществ, или метаболизма, т.е. путем регулируемых превращений, которым различные вещества подвергаются внутри клеток. Источниками энергии служат питательные вещества, поступающие из внешней среды. В клетках эти вещества претерпевают ряд изменений в результате последовательных ферментативных реакций, образующих этапы определенных метаболических путей. Такие пути выполняют две главные функции: они, во-первых, поставляют материалы - предшественники для построения клеточных компонентов и, во-вторых, обеспечивают энергию для клеточных синтезов и других процессов, требующих затраты энергии.

Несколько путей ведут от глюкозы к С₃-соединениям и среди них к пирувату - одному из важнейших промежуточных продуктов метаболизма. Чаще других используется путь распада через образование фруктозе-1,6-дисфосфата; его называют фруктозодисфосфатным путем, гликолитическим расщеплением, гликолизом или (по имени изучивших его исследователей) путем Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (рис. 7.3).

 Другой ряд реакций, к осуществлению которых способно большинство организмов, образует цикл, известный под названием окислительного пентозофосфатного пути, гексозомонофосфатного пути или схемы Варбурга-Диккенда-Хореккера (рис. 7.4). Обратная последовательность_; реакций этого пути включает важные этапы, ведущие к регенерации акцептора СО₂ при автотрофной фиксации углекислоты. Только у бактерий встречается, видимо, путь Энтнера-Дудорова, или, как его еще называют, КДФГ-путь (по характерному промежуточному продукту-2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконату, КДФГ; рис. 7.5). Другие сходные механизмы распада гексоз имеют более специальное значение.

На фруктозодисфосфатном пути (рис. 7.3) глюкозо-6-фосфат при подготовке к расщеплению изомеризуется глюкозофосфат-изомеразой в фруктозо-6-фосфат; затем происходит фосфорилирование в положении 1 под действием фосфофруктокиназы за счет АТР. Образовавшийся фруктозе- 1,6-дисфосфат расщепляется фруктозодисфосфатальдолазой до дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. Оба триозофосфата находятся в равновесии между собой; установление этого равновесия катализируется триозофосфат-изомеразой. Дигидроксиацетонфосфат может восстанавливаться глицеролфосфат-дегидрогеназой до глицеролфосфата, который гидролизуется глицерол-1-фосфатазой с образованием глицерола и ортофосфата. Обычно же сначала происходит превращение образовавшегося под действием альдолазы дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат, который затем окисляется.

В пентозофосфатном пути (рис. 7.4) глюкозо-6-фосфат дегидрируется глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназой; при этом водород переносится на NADP и образуется 6-фосфоглюконолактон, который спонтанно или при участии фермента (глюконолактоназы) гидролизуется до 6-фосфоглюконата. Этот последний дегидрируется дегидрогеназой до З-кето-6-фосфоглюконата, из которого затем путем декарбоксилирования образуется рибулозо-5-фосфат. Этим завершается собственно процесс окисления.

Глюкозо-6-фосфат сначала, как это было описано выше для пентозофосфатного пути, дегидрируется до 6-фосфоглюконата. Под действием фосфоглюконатдегидратазы от него отщепляется вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (рис. 7.5). Кетодезоксифосфоглюконат расщепляется специфической альдолазой на пируват и глицеральдегид-3-фосфат. Последний окисляется до пирувата, так же как и в фруктозодисфосфатном пути.

Пируват занимает центральное положение в промежуточном метаболизме и может служить предшественником разнообразных продуктов. Многие организмы окисляют большую часть образующегося в ходе катаболизма пирувата до ацетилкофермента А. Важнейшую роль у бактерий играют три реакции:

• (1) Пируват + СоА + NAD -> Ацетил-СоА + NADH₂ + СО₂
• (2) Пируват + СоА + 2Fd -> Ацетил-СоА + 2FdH + СО₂
• (3) Пируват + СоА -> Ацетил-СоА + Формиат

Цикл трикарбоновых кислот (рис. 7.7) служит для окисления двухуглеродного соединения ацетата до СО₂ с отщеплением водорода. При участии трех дегидрогеназ водород переносится на NAD(P), а под действием сукцинатдегидрогеназы - непосредственно на хинон. Как правило, коферменты передают водород в дыхательную цепь.

В то время как большинство анаэробных организмов способно синтезировать АТР только путем фосфорилирования на уровне субстрата, аэробы могут осуществлять несравненно более эффективную регенерацию АТР. Они обладают особым аппаратом: дыхательной (электрон-транс портной) цепью и ферментом ATР-синтазой; обе системы у прокариот находятся в плазматической мембране, а у эукариот – во внутренней мембране митохондрий. Ведущие свое происхождение от субстратов восстановительные эквиваленты (Н или электроны) в этих мембранах по ступают в дыхательную цепь, и электроны переносятся на О₂ (или другие терминальные акцепторы электронов). В дыхательной цепи происходят реакции, представляющие собой биохимический аналог сгорания водорода. От химического горения молекулярного водорода они отличаются тем, что значительная часть свободной энергии переводится при этом в биологически доступную форму, т. е. в АТР, и лишь небольшая доля рассеивается в виде тепла.

Транспорт водорода и транспорт электронов - процессы эквивалентные. Дыхательная цепь может рассматриваться как цепь переноса электронов. Компоненты дыхательной цепи переходят попеременно из окисленного состояния в восстановленное и обратно, т. е. ведут себя как типичные окислительно-восстановительные катализаторы. Они обладают окислительно-восстановительным потенциалом, который может быть измерен непосредствен но (у цитохромов) или косвенно (у NAD, FAD).