Катаболизм углеводов у бактерий. Гликолиз. Гликолитический путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера.

Обновлено: 19.05.2024

Брожение Луи Пастер. Брожение состоит из 2 этапов: окисленительный и восстановительный.

Фермент-НАД (никотинаминдинуклеотид) дегидрогеназа, отщипляет или присоединяет Н

Виды брожения: Спиртовое, молочно-кислое, Маслянокислое брожение.

1)гликолиз, или фруктозодифосфатный путь, или путь Эмбдена -Мейергофа - Парнаса (по имени исследователей, внесших большой вклад в изучение этого процесса);

2) окислительный пентозофосфатный путь, или гексозомонофосфатный путь, или путь Варбурга - Диккенса - Хореккера;

3) 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь (КДФГ-путь), или путь Энтнера - Дудорова.

Все пути катаболизма начинаются с того, что глюкоза, поступившая в клетку, сначала фосфорилируется при участии фермента гексокиназы и АТФ как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат, который представляет метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит исходным соединением для любого из трех путей катаболизма углеводов.

Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется четыре молекулы АТФ, в которых аккумулируется освободившаяся энергия. Поскольку в начале процесса на активирование глюкозы были затрачены две молекулы АТФ, чистый выход АТФ на одну молекулу глюкозы составляет две молекулы.

Пентозофосфатный путь расщепления углеводов характерен для некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae, а также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых бактерий. В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путем активирования глюкозы молекулой АТФ, превращается через ряд промежуточных реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата, СО2 и НАДФ · Н2 . Рибулозо-5-фосфат включается в сложный цикл, приводящий к образованию из трех его молекул двух молекул глюкозо-6-фосфата и одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл, а 3-ФГА может быть превращен в пировиноградную кислоту.

С энергетической точки зрения этот путь катаболизма углеводов в 2 раза менее эффективен, чем гликолитический, так как при окислении одной молекулы глюкозы образуется только одна молекула АТФ. Однако большое значение этого пути в том, что он обеспечивает клетки бактерий пентозами (рибулозо-5-фосфатом), которые являются предшественниками нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, в этом цикле образуются две молекулы НАДФ · Н2, которые необходимы клетке для восстановительных реакций биосинтеза.

Путь Энтнера - Дудорова встречается у прокариот реже других. Он характерен в основном для псевдомонад и уксуснокислых бактерий. От пентозофосфатного пути он отличается тем, что 6-фосфоглюконовая кислота превращается в пировиноградную кислоту и 3-ФГА. Последний может превращаться в пировиноградную кислоту. Из одной молекулы глюкозы при функционировании этого пути синтезируется одна молекула АТФ, по одной молекуле НАДФ · Н2 и НАД · Н2. Следует подчеркнуть,что путь Энтнера - Дудорова является самым кратчайшим механизмом расщепления углеводов до пировиноградной кислоты.

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

3.2. Гликолиз или путь Эмбдена - Мейергофа - Парнаса

Путь Эмбдена - Мейергофа - Парнаса - это сумма последовательно происходящих биохимических реакций, в ходе которых глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, а клетка обогащается энергией. Сначала гликолиз был установлен и изучен у животных. В настоящее время известно, что этот универсальный процесс присущ также растениям, грибам и бактериям. Этот процесс подразделяют на две стадии: 1) активирование и расщепление глюкозы; 2) окисление, восстановление и образование АТФ и пирувата (рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема реакций гликолиза

Начинается гликолиз с активирования молекулы гексозы. Инертность последней доказывается ее присутствием во многих клетках. Активирование происходит за счет присоединения к молекуле глюкозы остатка фосфорной кислоты от АТФ. В результате реакции, происходящей при участии гексокиназы, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат.

Таким образом, даже такой физиологический процесс, который обогащает в конечном итоге клетку энергией и способен выполнять работу, сам вначале требует энергии, т. е. связан с расходованием АТФ. Глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф) и служит начальным материалом для дальнейших превращений, составляющих в зеленых растениях анаэробную фазу дыхания.

Однако, это не единственный путь использования Гл-6-Ф в растениях. При участии фосфоглюкомутазы Гл-6-Ф может превращаться в Гл-1-Ф. Из этого фосфорного эфира может в дальнейшем синтезироваться крахмал.

Таким образом, уже в самом начале дыхательных преобразований, на уровне образования Г-6-Ф, могут идти процессы, прямо противоположные конечным результатам: не запасание свободной энергии, а ее трата, не распад вещества, а его синтез.

Дальнейшее активирование глюкозы происходит путем преобразования Гл-6-Ф в фруктозу-6-фосфат (Фр-6-Ф). Реакция изомеризации идет при участии глюкозофосфатизомеразы.

Этот процесс можно рассматривать как физиологическую активацию.

Заканчивается активация молекулы глюкозы присоединением одного остатка фосфорной кислоты от АТФ и образованием очень неустойчивой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата (Фр-1,6-ДФ).

В этой реакции принимает участие фосфофруктокиназа. На этом активация глюкозы заканчивается. В этих подготовительных реакциях гликолиза на каждую молекулу глюкозы затрачивается две молекулы АТФ. Нужно подчеркнуть высокую надежность этой стадии гликолиза, поскольку некоторое ее количество всегда присутствует в водной фазе клетки. Фонд свободной глюкозы может беспрерывно пополняться за счет гидролитического разрушения запасенных поли- и олигосахаров.

При участии альдолазы неустойчивая молекула Фр-1,6-ДФ распадается на две триозы (дихотомический путь): 3-фосфоглицириновый альдегид и диоксиацетонфосфат. Отметим, что соответствующие им нефосфорилированные триозы в свободной виде в клетке не обнаружены.

Альдолаза - очень распространенный фермент, который участвует в фотосинтезе, где он работает в обратном направлении: катализирует конденсацию фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона до фруктозо-6-фосфата.

Таким образом, фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат - промежуточные продукты и дыхания и фотосинтеза.

Молекула диоксиацетонфосфата затем превращается в молекулу фосфоглицеринового альдегида. Следовательно в процессе гликолиза образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида и поэтому дальнейшие гликолитические превращения идут с коэффициентом 2.

Образовавшийся 3-фосфоглицириновый альдегид окисляется до 1,3-дифосфоглицириновой кислоты под воздействием дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида, коферментом которой является НАД + . Суть данной реакции состоит в том, что альдегид окисляется до кислоты. Однако кислород в этой реакции не участвует. Окисление происходит в результате дегидрирования - потери водорода, который присоединяется к НАД + , в результате чего последний восстанавливается.

1,3-Дифосфоглицириновая кислота при участии фосфоглицераткиназы передает один фосфорный остаток АДФ и образуется АТФ и 3-фосфоглицириновая кислота (3-ФГК).

В данном случае наблюдается явление, которое называется в биоэнергетике сопряжением. Синтез АТФ из АДФ сопряжен с окислением альдозы до кислоты. Рассмотренный путь синтеза АТФ называется субстратным фосфорилированием.

Далее, 3-ФГК при воздействии фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицириновую кислоту (2-ФГК).

Образовавшаяся 2-ФГК при участии енолазы (фосфопируватгидротаза) преобразуется в фосфоенолпируват, при этом молекула 2-ФГК отдает воду, а в остатке фосфорной кислоты возникает высокоэнергетическая связь.

Заканчивается гликолиз переносом фосфатной группы на АДФ и образованием пирувата. Реакцию катализирует пируваткиназа.

Все реакции, происходящие при гликолизе, можно представить в следующем виде:

2СН₃СОСООН + 2НАДН + 2Н + + 2АТФ

Во время гликолиза - первой фазы дыхания при распаде молекулы глюкозы на две молекулы пирувата (ПВК) образуется 4 молекулы АТФ. Однако 2 молекулы АТФ используются вначале процесса для активации глюкозы, таким образом, в клетке запасаются только 2 молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при активации ФГА до ФГК образуются две молекулы НАДН.

Гликолиз происходит в гиалоплазме и ядре. Для него не нужен О₂. Это анаэробная стадия дыхания.

В чем физиологический смысл гликолиза?

У аэробных организмов гликолиз является первым, подготовительным этапом дыхания. В процессе гликолиза происходит медленное выделение энергии, часть которой запасается в макроэргических связях синтезируемых молекул АТФ и может использоваться для работы клетки.

Гликолиз обеспечивает клетку промежуточными метаболитами, из которых могут синтезироваться нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. Например, пировиноградная кислота может аминироваться с образованием аланина - аминокислоты необходимой для синтеза белков.

В какой-то степени гликолиз способен регулировать ход других физиологических процессов в клетке. Можно привести такой пример. Образование из каждой молекулы гексозы двух молекул триоз может увеличить осмотический потенциал вакуолярного сока, что повлияет, в свою очередь, на поступление воды в клетку.

Гликолиз - физиологически наиболее древний способ получения свободной энергии. Для своего осуществления ему не нужны специальные органеллы, и предполагают, что его реакции как-то связаны с мембранами ЭР.

Еще одной особенностью гликолиза является то, что его реакции образуют линейную последовательность, а не цикл, поэтому они менее саморегулируемы (нет обратной связи). Однако можно отметить три этапа регуляции гликолиза. Во-первых, на уровне гексокиназной реакции, активность которой Гл-6-Ф аллостерически подавляет активность фермента гексокиназы. Во-вторых, регулирование связано с фосфофроктокиназой, активность которой возрастает при повышении содержания АДФ и Ф_н, но подавляется повышенными концентрациями АТФ. В-третьих, этап регуляции осуществляется на уровне фермента пируваткиназы, активность которой угнетается ее продуктом АТФ в высоких концентрациях, а также ацетил-СоА.

4. Пути катаболизма глюкозы (гексоз) у микроорганизмов

Поскольку большинство микроорганизмов в качестве источника энергии использует углеводы, и в первую очередь глюкозу, рассмотрим основные пути ее расщепления или катаболизма.

У бактерий возможны три пути катаболизма глюкозы:

1) гликолиз, или фруктозодифосфатный путь, или путь Эмбдена - Мейергофа - Парнаса;

Следует отметить, что все перечисленные пути катаболизма глюкозы у микроорганизмов могут протекать при разных типах энергетического метаболизма (аэробное дыхание, анаэробное дыхание, брожение). Все пути катаболизма начинаются с того, что глюкоза, поступившая в клетку, сначала фосфорилируется при участии фермента гексокиназы и АТФ как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат, который представляет метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит исходным соединением для любого из трех путей катаболизма углеводов. Пути расщепления глюкозы состоят из многих биохимических реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.

Наиболее распространенным путем катаболизма глюкозы у многих микроорганизмов является гликолиз (рис.1). При этом глюкозо-6-фосфат изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы и фосфорилируется далее в фруктозо-1,6-дифосфат, который затем расщепляется на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон. Последний под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в 3-ФГА. Таким образом, из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы 3-ФГА. На эти реакции превращения глюкозы в 3-ФГА затрачивается энергия двух молекул АТФ. Далее происходит окисление каждой молекулы 3-ФГА до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК). 1,3-ФГК - высокоэнергетическое соединение, содержащее макроэргическую фосфатную связь; оно реагирует с АДФ (фермент фосфоглицераткиназа), отдавая высокоэнергетическую фосфатную группу, в результате чего синтезируется молекула АТФ. Таким образом, энергия, освободившаяся при окислении 3-ФГА, путем субстратного фосфорилирования оказывается аккумулированной в молекуле АТФ. Образуется 3-фосфоглицериновая кислота (3-ФГК):

Далее 3-ФГК под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-ФГК, из которой в результате отщепления воды образуется фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП). Это также высокоэнергетический фосфат, с которого богатая энергией фосфатная группа переносится пируваткиназой на АДФ, образуется молекула АТФ и пировиноградная кислота (ПВК). Это второе фосфорилирование на уровне субстрата:

Пентозофосфатный путь расщепления углеводов характерен для некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae, а также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых бактерий. В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путем активирования глюкозы молекулой АТФ, превращается через ряд промежуточных реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата, СО2 и НАДФ · Н2 . Рибулозо-5-фосфат включается в сложный цикл, приводящий к образованию из трех его молекул двух молекул глюкозо-6-фосфата и одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл, а 3-ФГА может быть превращен в пировиноградную кислоту.

Путь Энтнера - Дудорова встречается у прокариот реже других. Он характерен в основном для псевдомонад и уксуснокислых бактерий. От пентозофосфатного пути он отличается тем, что 6-фосфоглюконовая кислота превращается в пировиноградную кислоту и 3-ФГА. Последний может превращаться в пировиноградную кислоту. Из одной молекулы глюкозы при функционировании этого пути синтезируется одна молекула АТФ, по одной молекуле НАДФ · Н2 и НАД · Н2. Следует подчеркнуть, что путь Энтнера - Дудорова является самым кратчайшим механизмом расщепления углеводов до пировиноградной кислоты.

Сравнительная характеристика различных путей катаболизма глюкозы представлена на рис. 1. Рассмотрев пути катаболизма глюкозы, мы можем заключить, что важнейшим продуктом, образующимся в них, является пировиноградная кислота, которая подвергается дальнейшим превращениям. Пируват занимает центральное положение в метаболизме клеток и может служить предшественником многих продуктов.

Рис. 1. Схема путей катаболизма глюкозы в клетках прокариот: А - гликолиз; Б - путь Энтнера-Дудорова; В - пентозофосфатный путь

Утилизация углеводов микроорганизмами

Все микроорганизмы(бактерии) используют углерод, в энергетических процессах, однако, существуют и организмы, использующие разнообразные химические элементы, их окисление и прочие реакции - хемотрофы, или организмы н использующие кислород в обменных процессах - анаэробы, разнообразие их и места обитания, распостраняются на практически все места жизни на земле, включая даже те, где жизни быть, собственно и не должно мало того, в большинстве случаев, для анаэробов, кислород смертелен, что обуславливается их местообитанием и необходимыми условиями для жизни. Все такие организмы - бактерии, помимо бактерий, использующих органику в процессах питания.

Файлы: 1 файл

Курсач микра.docx

Катаболизм углеводов у бактерий. Гликолиз. Гликолитический путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера- Рэкера. В качестве источника питания и энергии при выращивании в искусственных условиях бакте рии наиболее часто используют углеводы. Способность утилизировать различные углеводы -важный диагностический признак. Базовый субстрат — глюкоза, которую бактерии разла гают в процессе дыхания либо брожения. Многие реакции катаболизма глюкозы протекают одинаково у аэробных и анаэробных бактерий, в частности три пути превращения гексоз в триозы (гликолиз, пентозофосфатный путь и путь Энтнера-Дудорова).

Рис. 4-8. Гликолиз (путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса)

Гликолиз. Гликолитический путь окисления. Путь Эмбдена- Мейерхофа-Парнаса. Гликолитический путь (гликолиз, путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса, фруктозо-1,6-дифосфатный путь) доминирует у большинства аэробных и анаэробных микроорганизмов — кишечной палочки, бацилл, пенициллов, дрожжей, стрептомицетов и многих других. Характерная реакция гликолиза — расщепление фруктозо-1,6-дифосфата альдолазой, в результате чего образуется смесь триозофосфатов, состоящая из дигидрооксиацетонфосфата и глицероальдегидтрифосфата, которые затем превращаются в пируват (рис. 4-8). Фермент обратной связи, лимитирующий скорость процесса, — фруктозо-6-фосфат дегидрогеназа (фосфофруктокиназа). В этом процессе образуется 2 моля АТФ и 2 моля восстановленного НАД (НАДН+ на 1 моль глюкозы.

. Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга- Диккенса-Хореккера-Рэкера.

Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга- Диккенса-Хореккера-Рэкера. Пентозофосфатный путь (схема Варбурга-Диккенса-Хореккера- Рэкера, фосфоглюконатный путь) включает не только образование пентозофосфатов, но и реакции превращения пентозофосфатов в триозо-3-фосфаты (рис. 4-9). В результате изомеризации фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат и конденсации двух молекул триозо-3-фосфата в гексозофосфат все перечисленные реакции замыкаются в цикл, при одном обороте которого из 3 молекул глюкозо-6-фосфата образуются 2 молекулы фруктозо-6-фосфата, одна молекула триозо-3-фосфата, 3 молекулы С02 и трижды по 2 восстановленных НАДФ (НАДФН+). Последовательность подобных превращений глюкозы у бактерий идентична таковой у высших организмов. Этот путь катаболизма глюкозы следует рассматривать как второстепенный, но имеющий специальное назначение — источник пентоз для синтеза нуклеиновых кислот, а также источник восстановительных эквивалентов НАДФН+.

Катаболизм жиров и жирных кислот бактериями. Эндогенный энергетический метаболизм бактерий. Жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот) и воска (сложные эфиры жирных кислот и одноатомных спиртов) — восстановленные субстраты и доступны бактериям в качестве источников энергии. Первоначально эфиры жирных кислот гидролизуются до глицерина или одноатомного спирта и свободных жирных кислот (гидролиз катализируют внутри- и внеклеточные липазы). После фосфорилирования глицерин может включаться в гликолитический путь и утилизироваться с образованием АТФ.

Жирные кислоты метаболизируются через каскад окислительных реакций. Цель этих превращений — образование ацетил-КоА, вступающего в цикл Крёбса.

Основные внутриклеточные эндогенные источники энергии — ЛПС, липиды и поли-В-масляная кислота. Они расщепляются деполимеризующими ферментами до мономеров, которые включаются в вышеперечисленные пути. Эффективность подобных превращений может быть выше традиционных. Например, при гликолизе внутриклеточного крахмала или гликогена на 1 моль глюкозы образуется 3 моля АТФ, а не 2, как при простом включении глюкозы в этот путь. Это объясняется тем, что в результате расщепления крахмала с помощью а-1,4-глюканфосфорилазы (фосфоролиза) образуется глюкозо-1-фосфат, превращающийся в глюкозо-6-фосфат ещё до вступления в путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Следовательно, АТФ не затрачивается на его образование, и, значит, общий выход АТФ выше.

Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом.

Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита.

При этом азотсодержащие вещества, помимо сырья для пластического обмена, могут включаться в энергетический метаболизм (например, у анаэробов некоторые аминокислоты могут образовывать окислительно-восстановительные системы). Наиболее доступные минеральные источники азота в природе — аммонийный ион (NH4+) и аммиак (NH3), легко проникающие в клетки и просто трансформирующиеся в амино- и иминогруппы, Основные исходные соединения для синтеза аминокислот — пируват (образуется в гликолитическом цикле), а-кетоглутарат и фумарат

Пептиды и белки. Бактериальная клетка способна синтезировать несколько тысяч различных белков, каждый из которых содержит в среднем 200 аминокислотных остатков. Информация, направляющая синтез этих белков, закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК. Синтез полипептидной цепи происходит в цитоплазме клетки на рибонуклеопротеидных частицах (рибосомах) в сочетании с молекулой мРНК или информационной РНК (иРНК), которая синтезируется на матрице ДНК в процессе транскрипции.

Бактериальная рибосома обладает массой 2,7*106 Д и состоит на 65% из рибосомной РНК (рРНК) и на 35% из белка (примерно 50 различных белков). Информация, содержащаяся в молекулах мРНК, транслируется в полипептидную цепь при участии особого класса молекул РНК, известных как тРНК. Многофункциональность тРНК позволяет им присоединяться к определённым аминокислотам, связываться с рибосомой и узнавать определённые последовательности из трёх нуклеотидов (кодон) в составе мРНК. Узнаваемый кодон соответствует конкретной аминокислоте; нужная аминокислота «подаётся» при помощи узнающей её молекулы тРНК к концу растущей полипептидной цепочки. Так растёт будущая молекула белка.

Гликолиз. Гликолитический путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса.

Гликолитический путь (гликолиз, путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса, фруктозо-1,6-дифосфатный путь) доминирует у большинства аэробных и анаэробных микроорганизмов — кишечной палочки, бацилл, пенициллов, дрожжей, стрептомицетов и многих других. Характерная реакция гликолиза — расщепление фруктозо-1,6-дифосфата альдолазой, в результате чего образуется смесь триозофосфатов, состоящая из дигидрооксиацетонфосфата и глицероальдегидтрифосфата, которые затем превращаются в пируват (рис. 4-8). Фермент обратной связи, лимитирующий скорость процесса, — фруктозо-6-фосфат дегидрогеназа (фосфофруктокиназа). В этом процессе образуется 2 моля АТФ и 2 моля восстановленного НАД (НАДН+ на 1 моль глюкозы.

Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга-Диккенса- Хореккера-Рэкера.

Пентозофосфатный путь (схема Варбурга-Диккенса-Хореккера- Рэкера, фосфоглюконатный путь) включает не только образование пентозофосфатов, но и реакции превращения пентозофосфатов в триозо-3-фосфаты (рис. 4-9). В результате изомеризации фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат и конденсации двух молекул триозо-3-фосфата в гексозофосфат все перечисленные реакции замыкаются в цикл, при одном обороте которого из 3 молекул глюкозо-6-фосфата образуются 2 молекулы фруктозо-6-фосфата, одна молекула триозо-3-фосфата, 3 молекулы С02 и трижды по 2 восстановленных НАДФ (НАДФН+). Последовательность подобных превращений глюкозы у бактерий идентична таковой у высших организмов. Этот путь катаболизма глюкозы следует рассматривать как второстепенный, но имеющий специальное назначение — источник пентоз для синтеза нуклеиновых кислот, а также источник восстановительных эквивалентов НАДФН+.

Последовательность подобных превращений глюкозы у бактерий идентична таковой у высших организмов. Этот путь катаболизма глюкозы следует рассматривать как второстепенный, но имеющий специальное назначение — источник пентоз для синтеза нуклеиновых кислот, а также источник восстановительных эквивалентов НАДФН+.
Катаболизм жиров и жирных кислот бактериями. Эндогенный энергетический метаболизм бактерий. Жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот) ивоска (сложные эфиры жирных кислот и одноатомных спиртов) — восстановленные субстраты и доступны бактериям в качестве источников энергии. Первоначально эфиры жирных кислот гидролизуются до глицерина или одноатомного спирта и свободных жирных кислот (гидролиз катализируют внутри- и внеклеточные липазы). После фосфорилирования глицерин может включаться в гликолитический путь и утилизироваться с образованием АТФ.
Жирные кислоты метаболизируются через каскад окислительных реакций. Цель этих превращений — образование ацетил-КоА, вступающего в цикл Крёбса.

Эндогенный энергетический метаболизм Большинство бактерий способно длительно выживать при отсутствии экзогенных источников энергии. При этом бактерии нередко проявляют признаки активного метаболизма (например, сохраняют подвижность). Это связано со способностью бактерий продуцировать энергию окислением внутриклеточных компонентов.
Основные внутриклеточные эндогенные источники энергии — ЛПС, липиды и поли-В-масляная кислота. Они расщепляются деполимеризующими ферментами до мономеров, которые включаются в вышеперечисленные пути. Эффективность подобных превращений может быть выше традиционных. Например, при гликолизе внутриклеточного крахмала или гликогена на 1 моль глюкозы образуется 3 моля АТФ, а не 2, как при простом включении глюкозы в этот путь. Это объясняется тем, что в результате расщепления крахмала с помощью а-1,4-глюканфосфорилазы (фосфоролиза) образуется глюкозо-1-фосфат, превращающийся в глюкозо-6-фосфат ещё до вступления в путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Следовательно, АТФ не затрачивается на его образование, и, значит, общий выход АТФ выше.
Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом.
Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита.

Биосинтез аминокислот и белков бактериями Аминокислоты. Большинство свободно живущих бактерий способно синтезировать все необходимые им аминокислоты. Теоретически все 20 необходимых аминокислот могут находиться в окружающей среде и быть доступными для утилизации. Кроме того, бактерии способны получать аминокислоты из белковых молекул, расщепляя их бактериальными протеазами и пептидазами. Образующиеся при этом олигопептиды и аминокислоты транспортируются в клетку, где включаются в биосинтетические пути либо расщепляются на низкомолекулярные продукты. Паразитические бактерии потребляют готовые аминокислоты из организма хозяина. Бактериям, культивируемым на питательных средах, содержащих только неорганические источники азота или ограниченное количество аминокислот, приходится синтезировать некоторые из них (или даже все) из доступных азотсодержащих соединений. Основное назначение источников азота — поступление в бактериальную клетку «сырья» для формирования аминных (NH2) и иминных (NH) групп в молекулах аминокислот, нуклеотидов, гетероциклических оснований и других химических компонентов.
При этом азотсодержащие вещества, помимо сырья для пластического обмена, могут включаться в энергетический метаболизм (например, у анаэробов некоторые аминокислоты могут образовывать окислительно-восстановительные системы). Наиболее доступные минеральные источники азота в природе — аммонийный ион (NH4+) и аммиак (NH3), легко проникающие в клетки и просто трансформирующиеся в амино- и иминогруппы, Основные исходные соединения для синтеза аминокислот — пируват (образуется в гликолитическом цикле), а-кетоглутарат и фумарат Пептиды и белки. Бактериальная клетка способна синтезировать несколько тысяч различных белков, каждый из которых содержит в среднем 200 аминокислотных остатков. Информация, направляющая синтез этих белков, закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК. Синтез полипептидной цепи происходит в цитоплазме клетки на рибонуклеопротеидных частицах (рибосомах) в сочетании с молекулой мРНК или информационной РНК (иРНК), которая синтезируется на матрице ДНК в процессе транскрипции.

Вывод уж как нибудь сооруди.. Типа в ходе работы, мы выяснили сколько типов ферментов перерабатывают бактерии их пути и пр..

Катаболизм углеводов

Основными источниками углерода и энергии, а значит, и пищевыми субстратами для большинства организмов (исключая растения) служат углеводы. Среди них на планете в наибольшей мере распространены целлюлоза, ее производные и крахмал. Кроме этих полисахаридов, большое значение имеют гликоген, инулин, хитин, ксиланы, пектиновые вещества и др. Большинство перечисленных полисахаридов расщепляется при участии специфических ферментов на моносахариды, среди которых преобладают гексозы и пентозы. Зачастую расщепление поли- и олигосахаридов осуществляется при участии ферментов фосфорилаз, и тогда образованные продукты оказываются фосфорилированными.

Особенностью сахаров является наличие при каждом атоме углерода атома кислорода, что делает возможным химическую атаку этих субстратов практически в любой точке молекулы. Кроме того, моносахариды и в первую очередь их фосфорилированные формы способны к изомеризации: карбонильные группы, атомы водорода могут легко перемещаться в соседнее положение или изменять свое пространственное положение в молекуле с помощью изомераз. Таким образом, появляется возможность перехода от любой гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. По этой причине, несмотря на многообразие и сложность процессов обмена углеводов, можно выделить несколько типичных путей их превращения, в частности катаболизма, имеющих выраженные отличительные особенности. Такими путями служат: гликолиз, пентозофосфатные пути и путь Энтнера—Дудорова.

К закономерностям катаболизма моносахаридов относится обязательная начальная стадия активации свободных моноз, которая осуществляется в ходе фосфорилирования. В результате образуются фосфорные эфиры моносахаридов, способные вступать в дальнейшие превращения.

Гликолиз. Этот способ катаболизма сахаров называют иначе фруктозо-1,6-дифосфатным путем (по названию ключевого соединения) или путем Эмбдена—Мейергофа—Парнаса (по именам его исследователей).

Гликолиз считается наиболее универсальным и самым выгодным с энергетической точки зрения путем катаболизма гексоз. Процесс открыт в 1897 г. братьями Бухнерами, и его название происходит от двух греческих корней: glicos — сахар и lysis — растворять. В ходе гликолиза происходит не требующее участия молекулярного кислорода многоэтапное превращение гексоз в пируват, что сопровождается образованием АТР и восстановительных эквивалентов.

Реакции гликолитического пути осуществляются в цитозоле. Все промежуточные соединения имеют фосфорилированную форму. Для запасания энергии используется механизм субстратного фосфорилирования.

Превращение глюкозы в пируват (рис. 9.3) требует участия десяти ферментов и осуществляется в ходе следующих стадий: подготовка к разрыву гексозной цепи, разрыв цепи и образование глицеральдегид-3-фосфата, первое и второе субстратное фосфорилирование.

Процесс начинается с фосфорилирования глюкозы (активация молекулы) с участием АТР (донор фосфатной группы) и фермента гексокиназы. Образующийся глюкозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется глюкозофосфатизомеразой во фруктозо-6-фосфат, который претерпевает второе фосфорилирование за счет АТР с образованием фруктозо-1,6-дифосфата.

Фруктозо-1,6-дифосфат является ключевым промежуточным продуктом гликолитического пути: именно данное соединение отличает гликолиз от других путей катаболизма сахаров. Кроме того, на уровне этого вещества осуществляется регуляция скорости всего процесса гликолиза. Активность катализирующего данную реакцию фермента (фосфо-фруктокиназы) ингибируется высокими концентрациями АТР, при этом снижается сродство фосфофруктокиназы к субстрату — фруктозо-6-фосфату. Кроме того, фосфофруктокиназа ингибируется цитратом —ранним промежуточным продуктом цикла трикарбоновых кислот. Известна и активация фосфофруктокиназы: ее осуществляют ADP и неорганический фосфат. Таким образом, фосфофруктокиназа наиболее активна в условиях, когда в клетке мало АТР (много ADP) и недостает строительных блоков.

На следующем этапе гликолиза фруктозодифосфат расщепляется с участием фруктозодифосфатальдолазы на два триозофосфата: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидтрифосфат. Эти продукты представляют собой изомеры и легко переходят один в другой под действием триозофосфатизомеразы. Однако направление этой реакции сдвинуто в сторону образования глицеральдегид-3-фосфата, поскольку он все время выводится из реакционной смеси, претерпевая дальнейшие превращения. Глицеральдегид-3-фосфат служит субстратом первого субстратного фосфорилирования.

В ходе оставшихся этапов гликолиза, в отличие от предыдущих, энергия выделяется и запасается в форме АТР. Одной из подобных реакций является окисление глицеральдегид-3-фосфата. Фермент, катализирующий данную реакцию (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа), использует в качестве кофермента NAD и характеризуется содержанием большого количества сульфгидрильных групп (SH-групп). Окисление начинается со связывания глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой фермента — формируется субстратферментный комплекс. Далее фермент катализирует перенос водорода с субстрата на NAD + , и восстановленный кофермент отделяется. Реакция дегидрирования и служит окислительной реакцией, поставляющей энергию: возникает комплекс фермента с ацильным остатком (тиоэфир), богатый энергией. Затем осуществляется фосфоролиз — перенос остатка глицеральдегид-3-фосфата совместно с макроэргической связью на фосфорную кислоту, что приводит к образованию 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и исходной формы фермента. 1,3-Дифосфоглицерат представляет собой смешанный ангидрид фосфорной и карбоновой кислот и имеет высокий потенциал переноса фосфатной группы. Богатая энергией фосфатная группа переносится с 1,3-дифосфоглицерата на ADP с участием фосфоглицераткиназы и образованием продуктов: 3-фосфоглицерата и АТР. Так осуществляется первое субстратное фосфорилирование в гликолизе.

Заключительный этап гликолиза — второе субстратное фосфорилирование — начинается со внутримолекулярной перестройки, в ходе которой 3-фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат (фермент фосфоглицератмутаза). 2-Фосфоглицерат дегидратируется в фосфоенолпируват при участии енолазы. В результате этой реакции образуется соединение, характеризующееся высоким потенциалом переноса фосфатной группы, таким образом, отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицерата сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, и фосфатная связь у 2 атома углерода превращается из низко- в высокоэнергетическую. Последняя реакция гликолиза катализируется пируваткиназой, и в ходе нее фосфатная группа переносится на молекулу ADP и образуется конечный продукт пути — пируват.

Гликолитическое расщепление одной молекулы глюкозы приводит к образованию 4 молекул АТР (по две на каждую молекулу глицеральдегид-3-фосфата), из которых 2 расходуются на образование фруктозодифосфата. Таким образом, запасается всего 2 молекулы АТР. Кроме того, на одну молекулу глюкозы в этом процессе запасается 2 молекулы NADH (при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата). Баланс гликолиза выглядит следующим образом:

Гликолитический процесс служит клетке для запасания энергии и восстановительных эквивалентов, а также является поставщиком «строительных блоков» в виде трехуглеродного, частично окисленного соединения —пировиноградной кислоты и некоторых промежуточных продуктов, в частности глицеральдегид-3-фосфата.

Пентозофосфатные пути. Эти пути катаболизма сахаров довольно разнообразны. В зависимости от условий и видовой принадлежности организма результатом данных процессов могут быть различные вещества. Осуществление реакций пентозофосфатных путей в обратном направлении используется клетками при фиксации СО₂. Основной отличительной особенностью путей является образование в качестве промежуточных соединений пятиуглеродных сахаров, а также последовательное отщепление от 6-углеродного фосфорилированного сахара по одному атому углерода, который высвобождается в среду в виде СО₂.

Пентозофосфатные пути (иначе, схема Варбурга—Диккенса—Хореккера, гексозомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь) реализуются организмами реже, чем гликолиз, и обнаруживаются чаще всего в клетках бактерий.

После традиционной реакции активации глюкозы в ходе фосфорилирования образованный глюкозо-6-фосфат подвергается дегидрированию. Данную реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, а восстановительные эквиваленты акцептирует ее кофермент — NADP + . Образуется 6-фосфоглюконолактон (рис. 9.4). Данное соединение подвергается гидролизу (раскрытие кольца) с участием глюконолактоназы, а образованная 6-фосфоглюконовая кислота претерпевает второе дегидрирование (фосфоглюконатдегидрогеназа), после которого сразу же следует декарбоксилирование и образуется рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат изомеризуется в два пятиуглеродных сахара — ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат (рис. 9.4).

Следующий этап пентозофосфатных путей представляет собой многократные межмолекулярные перестройки и изомеризацию промежуточных соединений, формирующихся из рибулозо-5-фосфата. Эти реакции направлены на образование 6-углеродного соединения (глюкозо-6-фосфата), которое может снова подвергнуться окислению и декарбоксилированию. В результате из 6 молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 молекул глюкозо-6-фосфата (рис.9.5).

Система структурной перестройки сахаров включает два фермента —транскетолазу и трансальдолазу, которые катализируют перенос двухуглеродных и трехуглеродных фрагментов, разрывая С—С-связи в двух положениях: по соседству с карбонильной (a) и у соседнего с карбонильной группой углеродного атома (b) (на рис. 9.5 места, в которых связи подвергаются расщеплению, обозначены пунктирной линией).

При полном окислении глюкозы в пентозофосфатных путях молекула глицеральдегид-3-фосфата, образующаяся на конечном этапе, подвергается изомеризации с участием триозофосфатизомеразы в дигидроксиацетонфосфат, который затем вступает в реакцию альдольной конденсации со второй молекулой глицеральдегид-3-фосфата, и образуется фруктозодифосфат. Данная реакция является обратимой процессу расщепления фруктозодифосфата, которое имеет место в гликолизе (рис. 9.3), а фермент фруктозодифосфатальдолаза катализирует и прямое, и обратное превращения. Молекула фруктозо-1,6-дифосфата дефосфорилируется с образованием фруктозо-6-фосфата (фермент фосфатаза), а он, в свою очередь, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат и возвращается к начальному этапу дегидрирования.

Таким образом, на одну молекулу глюкозы при полном окислении в пентозофосфатных путях затрачивается 1 молекула АТР и образуется 6 молекул СО₂ и 12 молекул NADPH. Таким образом, основной задачей пентозофосфатных путей является обеспечение клетки NADPH, который используется в процессах биосинтеза.

В ходе пентозофосфатных путей может и не происходить полного окисления глюкозы. В этом случае глицеральдегид-3-фосфат претерпевает иные превращения, например подвергается реакциям субстратного фосфорилирования под действием ферментов гликолитического пути.

Большое значение пентозофосфатные пути имеют для биосинтетических процессов: здесь образуются промежуточные соединения, играющие роль предшественников многих веществ. В частности, эритрозо-4-фосфат используется бактериями и растениями для синтеза ароматических ами-

нокислот. Рибозо-5-фосфат служит субстратом для синтеза азотистых оснований и некоторых аминокислот.

Путь Энтнера—Дудорова (2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный). Этот процесс является еще одним способом катаболизма гексоз и представлен в основном в клетках микроорганизмов. Особое значение данный путь имеет для расщепления глюконата. Начальные стадии превращения глюкозо-6-фосфата совпадают с таковыми для пентозофосфатных путей, вплоть до образования 6-фосфоглюконовой кислоты. Далее, однако, 6-фофоглюконат подвергается а не окислению, а реакции дегидратации, с участием фермента 6-фосфоглюконат-дегидратазы. Образуется ключевое соединение данного пути — 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюко-нат. Стадия дегидратации осуществляется через образование промежуточного соединения (енола), который в результате таутомерного превращения переходит в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (рис. 9.6).

Далее альдолаза катализирует расщепление ключевого соединения на пируват и глицеральдегид-3-фосфат. Последний может вступать в гликолитический путь и подвергаться дальнейшим превращениям.

Как следует из баланса пути Энтнера—Дудорова, этот процесс менее выгоден с энергетической точки зрения, чем гликолиз: на молекулу глюкозы здесь запасается только 1 молекула АТР (из двух синтезированных одна тратится на фосфорилирование глюкозы).

Обзор основных катаболических путей позволяет увидеть, что расщепление «топливных» молекул при их неполном окислении сопровождается образованием двух основных метаболитов — пировиноградной кислоты и ацетил СоА. Данные вещества могут использоваться как в биосинтетических путях в качестве «строительных блоков», так и подвергаться дальнейшим превращениям, обеспечивающим запасание клетками энергии. Поскольку в данном разделе обсуждаются процессы, приводящие к запасанию энергии, следует отметить, что судьба пирувата и ацетил-СоА зависит в первую очередь от наличия молекулярного кислорода в клетке, а также от ее ферментативного оснащения. Так, в клетках анаэробных микроорганизмов и тканей высших организмов пируват и ацетил-СоА могут подвергаться различного рода брожениям, завершающим процессы катаболического расщепления субстратов. В аэробных и факультативно-анаэробных клетках при наличии молекулярного кислорода пируват может подвергаться процессу окислительного декарбоксилирования, и образующийся ацетил-СоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, где осуществляется его полное окисление до СО₂ и Н₂О, а формирующиеся восстановительные эквиваленты поступают в дыхательную цепь. Перечисленные процессы будут рассмотрены в следующих главах.

Читайте также: