Энергетический обмен у микроорганизмов

Описанные выше процессы конструктивного обмена – синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматиче-скую мембрану и многие другие процессы жизни – протекают с затратой энергии.

Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.

У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия, улавливаемая фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию, обеспечивающую энергетические потребности клетки.

Источником энергии для биосинтеза клеточных веществ из СО₂ у хемоавтотрофов является химическая энергия, высвобождаемая в результате окисления кислородом воздуха неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.).

Хемоорганотрофы (хемогетеротрофы) получают энергию в процессах окисления органических соединений.

Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы гетеротрофами, но не всеми. Одни окисляют многие органические вещества, другие – лишь небольшой набор их, имеются и такие, которые проявляют большую специфичность по отношению к энергетическому материалу.

Поскольку возбудители порчи пищевых продуктов и используемые при переработке пищевого сырья обносят к хемооргано-трофам, их энергодающие процессы и рассматриваются ниже.

Окисление органических веществ может происходить различными путями:

1. Прямым, т. е. присоединением к веществу кислорода.

2. Непрямым, т. е. дегидрогенерированием (отнятием водорода). Отнятый от окисляемого вещества водород переносится на другое вещество, которое при этом восстанавливается.

3. Путем переноса электронов (е~) от одного вещества к другому. Вещество, теряющее электроны, окисляется, а присоединяющее их – восстанавливается.

Вещество, отдающее водород (электроны), называется донором, а вещество, присоединяющее их, – акцептором.

Биологическое окисление (в клетках) органических веществ происходит чаще путем дегидрогенерирования. Так как атом водорода состоит из протона (Н⁺) и электрона (е~), перенос водорода с одного вещества на другое включает и перенос электрона.

Перенос водорода (электрона) от подвергающегося окислению вещества к акцептору осуществляется различными окислительно-восстановительными ферментами.

Реакцию окисления – восстановления можно изобразить следующим образом:

Конечным акцептором водорода может быть кислород воздуха или другое вещество, способное восстанавливаться.

В зависимости от конечного акцептора водорода хемоорганотрофные микроорганизмы делят на две группы:

аэробы, окисляющие органические вещества с использованием молекулярного кислорода, который и является конечным акцептором водорода;

анаэробы, которые в энергетических процессах не используют кислород. Конечными акцепторами водорода служат органические или неорганические соединения.

Аэробные микроорганизмы

Многие аэробные микроорганизмы, к которым относят грибы, некоторые дрожжи и многие бактерии, подобно высшим организмам (растениям, животным), окисляют органические вещества полностью до минеральных веществ – углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.

В качестве энергетического материала в процессе дыхания микроорганизмы часто используют углеводы. При этом сложные (ди-, три- и полисахариды) ферментативным путем гидролизу-ются до моносахаров, которые и подвергаются окислению.

Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

 

Как видно из уравнения, при полном окислении глюкозы освобождается вся потенциальная (свободная) энергия молекулы глюкозы.

Приведенное уравнение характеризует процесс в суммарном виде, показаны лишь исходный и конечные продукты окисления.

Однако процесс этот многоэтапный и протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов. Обязательным промежуточным продуктом в процессе биологического окисления глюкозы является пировиноградная кислота.

Известно несколько путей расщепления глюкозы до этого важнейшего промежуточного продукта. Одним из таких путей является распад глюкозы, называемый гликолитическим. Он довольно универсален и свойствен многим аэробным и анаэробным микроорганизмам (рис. 20).

1. Первым этапом является активирование глюкозы путем φ о с φ ο ρ и -лирования при участии АТФ и фермента фосфотрансферазы (гексоки-назы). К молекуле глюкозы от молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) присоединяется концевой фосфатный остаток, обладающий макроэргической (со) связью. Образуется глюкозо-6-фосфат, а АТФ превращается в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ).

2. Глюкозо-6-фосфат путем изомеризации при участии фермента глюкозофосфатизомеразы переходит во фруктозо-6-фосфат.

3. Фруктозо-6-фосфат затем фосфорилируется за счет АТФ при участии соответствующей фосфотрансферазы (фосфофруктокиназы). Образуется фруктозо-1,6-дифосфат, а АТФ превращается в АДФ. Вторичное фос-форилирование молекулы гексозы приводит к ее дальнейшему активированию.

4. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется при участии фермента альдо-лазы на две молекулы фосфотриоз. Одна из них — фосфодиоксиацетон, другая — фосфат глицеринового альдегида. Оба эти вещества легко могут превращаться друг в друга.

Дальнейшему превращению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицери-нового альдегида, так как фосфат диоксиацетона под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид.

5. Следующим этапом является окисление 3-фосфоглицеринового альдегида. Эта реакция катализируется дегидрогеназой, коферментом которой является НАД (см. с. 53). В окислении участвует фосфорная кислота.

Молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет фосфат, а водород переносится на кофермент НАД, который восстанавливается в НАД·Н₂. Освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида энергия сосредоточивается в, макроэргической связи (∞) образующейся 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

6. В дальнейшем фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, имеющая макроэргическую связь, при участии фермента фосфоглицератки-назы переносится на молекулу аденозиндифосфорной кислоты. Образуется 3-фосфоглицериновая кислота, а АДФ превращается в АТФ. Таким образом свободная энергия окисления альдегидной группы запасается в молекуле

7. З-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту.

8. Под действием фермента энолазы 2-фосфоглицериновая кислота, теряя воду, переходит в энольную форму фвсфопировиноградной кислоты. При этом происходит перераспределение внутримолекулярной энергии, большая часть которой сосредоточивается в форме макроэргической фосфатной связи фосфоэнолпировиноградной кислоты.

В процессе дыхания аэробных микроорганизмов пировино-градная кислота в дальнейшем подвергается полному окислению до СO₂ и Н₂O, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н₂) и декарбоксилирую-щихся (отщепляется СO₂).

Из рис. 21 видно, что окисление одной молекулы пировино-градной кислоты сопровождается выделением трех молекул углекислого газа и пяти пар водородных атомов.

Водород, отщепленный от окисляемых в цикле Кребса кислот, посредством коферментов (НАД и НАДФ) соответствующих дегидрогеназ передается по так называемой «дыхательной цепи», состоящей из комплекса ферментов, к конечному акцептору – молекулярному кислороду.

Из приведенной ниже схемы (с. 69) видно, что водород восстановленного НАД · 2Н передается на кофермент (ФАД) фла-винового фермента, который восстанавливается в ФАД · 2Н. С восстановленной флавиновой дегидрогеназы водород передается на цитохром цитохромной системы, при этом атом водорода расщепляется на ион водорода (Н⁺) и электрон (е~), Цитохром из окисленной формы превращается в восстановленную. Восстановленный цитохром передает электроны следующему ци-тохрому и т. д.

Цитохромы попеременно то восстанавливаются, то окисляются, что связано с изменением валентности железа, содержащегося в их простетической группе. Последний цитохром передает электроны цитохромоксидазе, восстанавливая ее кофер-. мент. Завершающей реакцией является окисление восстановленной цитохромоксидазы молекулой кислорода. Кислород за счет передачи ему (с цитохромоксидазы) электронов активируется и приобретает способность соединяться с ионами водорода (Н+), в результате чего образуется вода. На этом и заканчивается у аэробов полное окисление исходного органического вещества.

9. Фосфоэнолпировиноградная кислота дефосфорилируется. При этом богатая энергией фосфатная группа при участии фермента пируваткиназы передается на молекулу АДФ. В результате образуется пировиноградная кислота, а АДФ превращается в АТФ.

Из изложенного и рис. 20 видно, что гликолитическое расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты происходит без участия кислорода (анаэробная стадия) и заканчивается выходом двух молекул пировиноградной кислоты, двух молекул НАД · Н₂ и двух молекул АТФ. Синтезируются четыре молекулы АТФ, но две расходуются на фосфорилирование новой молекулы глюкозы.

Рис. 21. Цикл Кребса

Освобождающаяся при переносе электронов в дыхательной цепи энергия затрачивается на син

тез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е. запасается в форме энергии фосфатной связи АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.

Некоторые аэробные гетеротрофные микроорганизмы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ; при этом в среде накапливаются промежуточные недоокисленные продукты, преимущественно органические кислоты.

При неполном окислении энергетического материала высвобождается соответственно меньшее количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остается в продуктах неполного окисления. Например, некоторые плесневые грибы в определенных условиях окисляют сахар с образованием воды и различных органических кислот – глюконовой, лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды:

Дальнейшее превращение образующихся пировиноградной кислоты и восстановленного промежуточного переносчика водорода НАД · Н₂ у анаэробов иное, чем у аэробов. Пировиноград-ная кислота в бродильных процессах является исходным материалом для разнообразных продуктов брожения (спиртов, органических кислот).

У одних анаэробов она непосредственно служит конечным акцептором водорода от НАД · Н₂ и восстанавливается в продукт брожения – молочную кислоту; НАД · Н₂ при этом окисляется в НАД.

У других анаэробов из пировиноградной кислоты образуются различные промежуточные продукты, которые служат затем акцепторами водорода от НАД · Н₂. Последний регенерируется, а акцептировавшие водород восстановленные органические соединения, являющиеся конечными продуктами брожения, выделяются в окружающую среду. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, процесс брожения имеет соответствующее название.

Примерами такого типа получения энергии могут служить следующие виды брожения.

Спиртовое брожение осуществляется многими дрожжами в анаэробных условиях. Молекула глюкозы (энергетический материал) в этом процессе превращается в две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа с выделением энергии:

В молекуле спирта заключено энергии 1,37-10⁶ Дж. Как видно из уравнения, освобождается только часть энергии, много ее остается в уксусной кислоте.

Некоторые из этих окислительных процессов используют в промышленности, например, при производстве уксуса, лимонной и глюконовой кислот. Условия, химизм и возбудители этих процессов описаны в гл. 4.

Анаэробные микроорганизмы

Анаэробные микроорганизмы, к которым относят многие бактерии и некоторые дрожжи, получают необходимую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения. Этот энерго-дающий процесс протекает также путем сопряженного окисления-восстановления, но без участия кислорода воздуха.

Конечным акцептором водорода, отнятого от окисляемого органического вещества, служат органические вещества – промежуточные продукты распада используемого субстрата.

Анаэробные микроорганизмы подразделяют на облигатные, или безусловные, анаэробы, для которых кислород не только не нужен, но и вреден, и факультативные, или условные, анаэробы, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него.

Степень анаэробности у факультативных анаэробов различна. Одни из них лучше развиваются в анаэробных условиях или при ничтожно малом содержании кислорода в среде (микроаэрофилы), другие – при доступе воздуха. Известны факультативные анаэробы (например, некоторые дрожжи), способные в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.

Энергетическим материалом при брожении чаще служат углеводы, из них наиболее используемый – глюкоза.

Превращение глюкозы до образования пировиноградной кислоты протекает так же, как и у аэробов по гликолитическому пути (см. с. 66, рис. 20).

Молочнокислое брожение – это процесс получения энергии молочнокислыми бактериями, заключающийся в превращении молекулы сахара в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии:

Как видно из уравнений, среди конечных продуктов брожения всегда имеются продукты неполного окисления – органические вещества, заключающие в себе значительное количество потенциальной энергии.

Известно много других брожений, отдельные типы которых различаются составом конечных продуктов, что зависит от комплекса ферментов возбудителя брожения.

Многие бродильные процессы применяют в промышленности; они могут являться причиной порчи пищевых продуктов. Подробнее эти процессы рассматриваются в гл. 4.

Маслянокислое брожение вызывается облигатно анаэробными маслянокислыми бактериями. Глюкоза в этом энерго-дающем процессе превращается в масляную кислоту, водород и углекислый газ:

В анаэробных условиях некоторые микроорганизмы могут при окислении органических веществ использовать неорганические акцепторы водорода (электроны), которые при этом восстанавливаются. Эти микроорганизмы используют, следовательно, в качестве окислителя не свободный, а связанный кислород неорганических веществ, богатых этим элементом.

Такой способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до свободного азота. Этот способ получения энергии называют нитратным дыханием.

Десульфатирующие бактерии используют в качестве конечного акцептора электронов (водорода) сульфаты, восстанавливая их до сероводорода, – сульфатное дыхание.

Таким образом, различие между аэробным и анаэробным процессом получения энергии у гетеротрофов заключается в природе конечного акцептора водорода (окислителя).

Рассмотренные процессы (дыхание, брожение) следует расценивать не только как процессы, обеспечивающие организм энергией. Многие промежуточные продукты распада углеводов служат исходным материалом для синтеза важнейших компонентов клетки (белков, нуклеиновых кислот, липидов и др.).

Важным поставщиком промежуточных продуктов для биосинтетических процессов является цикл Кребса. Многие кето-кислоты, образующиеся в этом цикле превращений ди- и три-карбоновых кислот, путем аминирования и переаминирования превращаются в различные аминокислоты, из которых далее синтезируются белки.