Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот и белков бактериями.
Добавил пользователь Skiper Обновлено: 14.12.2024
Как уже отмечалось выше, основная масса органических веществ клетки состоит из полисахаридов, липидов, белков и нуклеиновых кислот, являющихся (за исключением липидов) полимерами. Образованию полимеров предшествует синтез составляющих их мономеров. В случае полисахаридов — это различные моносахара, нуклеиновых кислот —рибо- и дезоксирибонуклеотиды, белков — аминокислоты.
БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ, ЛИПИДОВ И АМИНОКИСЛОТ
Если прокариоты выращивать на средах, где источник углерода — одно-, двух- или трехуглеродные соединения, то необходимые сахара (в первую очередь С6) они должны синтезировать из имеющихся в среде источников углерода. У подавляющего большинства автотрофов на среде с СО2 в качестве единственного источника углерода сахара синтезируются в реакциях восстановительного пентозофосфатного цикла. У гетеротрофов на среде с С2- и С3-соединениями для синтеза необходимых сахаров используются в значительной степени реакции, функционирующие в ката- бол ическом потоке, например в гликолитическом пути. Однако поскольку некоторые ферментативные реакции этого пути необратимы, в клетках гетеротрофных прокариот, способных использовать двух- и трехуглеродные соединения, сформировались специальные ферментативные реакции, позволяющие обходить необратимые реакции катаболического пути.
Процесс, обеспечивающий синтез Сб-углеводов из неуглеводных предшественников, например аминокислот, глицерина, молочной кислоты, получил название глюконеогенеза. Таким путем, сочетающим использование имеющегося в клетке катаболического аппарата и специальных реакций, служащих только для биосинтетических целей, решается прокариотами проблема биосинтеза необходимых моносахаров.
У прокариот липиды входят в состав клеточных мембран клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами пигментных систем и цепей электронного транспорта. Ниже мы рассмотрим синтез жирных кислот и фосфолипидов, являющихся у большинства прокариот, относящихся к эубактериям, универсальными компонентами клеточных мембран.
Си—Cig-жирные кислоты синтезируются путем последовательного присоединения двухуглеродных фрагментов к активированной С2-группе, выполняющей функцию затравки, и последующего восстановления окисленных углеродных атомов.
В клетках эубактерий компонентами липидов являются в основном насыщенные или содержащие одну двойную связь (моно- ненасыщенные) жирные кислоты. Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие две и более двойных связей, найдены до сих пор только у цианобактерий. Образование двойных связей в молекуле кислоты может происходить двумя путями. Один из них, обнаруженный у аэробных эубактерий, требует участия молекулярного кислорода. У облигатно анаэробных и некоторых аэробных эубактерий двойные связи вводятся в молекулу кислоты на ранней стадии ее синтеза в результате реакции дегидратации.
Пути, ведущие к синтезу фосфолипидов, состоят из нескольких этапов. Исходным субстратом служит фосфодиоксиацетон (промежуточное соединение гликолитического пути), восстановление которого приводит к образованию 3-фосфоглицерина. К последнему затем присоединяются два остатка жирных кислот. Продуктом реакции является фосфатидная кислота. Активирование ее с помощью АТФ и последующее присоединение к фосфатной группе серина, инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу фосфатидилсерина, фосфатидилинозита и фосфатидил- глицерина соответственно.
Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей. Введение в молекулу некоторых из них (щавелевоуксусной, а-кетоглутаровой, пировиноградной кислот) аминного азота приводит к образованию аспарагиновой, глутаминовой кислот и аланина. Однако в большинстве случаев исходные соединения должны подвергнуться значительным перестройкам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.
Особенностью биосинтеза аминокислот является использование общих биосинтетических путей. Только одна аминокислота (гистидин) образуется по отдельному биосинтетическому пути. Азот вводится в молекулу аминокислоты посредством реакций аминирования, амидирования и переаминирования. Реакции ами- нирования приводят к образованию из пировиноградной кислоты аланина, а из а-кетоглутаровой — глутаминовой кислоты.
Глутаминовая кислота и глутамин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержащих органических соединений. Аспарагин используется только для синтеза белковых молекул. Во все остальные аминокислоты азот вводится посредством реакций переаминирования, катализируемых соответствующими амино- трансферазами, при этом во всех реакциях одним из участников является глутаминовая кислота.
Конструктивный метаболизм
Конструктивный метаболизм направлен на синтез четырех основных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов.
Ниже показана обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений, где выделены следующие основные этапы: образование из простейших неорганических веществ органических предшественников (I), из которых на следующем этапе синтезируются «строительные блоки» (II). В дальнейшем строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры (III): Приложения (рис. № 3)
Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов очень различны. У одних микробов конструктивный метаболизм включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим или только третьим этапом. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементный состав пищи одинаков для всех живых организмов и должен включать все компоненты, входящие в клеточное вещество: углерод, азот, водород, кислород и др.
В зависимости от используемых в конструктивном обмене источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы (от греч. «autos» — сам, «trophe» — пища) в качестве единственного источника углерода используют диоксид углерода и из этого простого неорганического соединения-предшественника синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая.
Гетеротрофы (от греч. «heteros» — другой) нуждаются в органических источниках углерода. Их пищевые потребности чрезвычайно разнообразны. Одни из них питаются продуктами жизнедеятельности других организмов или используют отмершие растительные и животные ткани. Такие микроорганизмы называются сапрофитами (от греч. «sapros» — гнилой и «phyton» — растение). Число органических соединений, используемых ими в качестве источников углерода, чрезвычайно велико — это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии.
Вторую группу гетеротрофных организмов составляют паразиты, развивающиеся в живых клетках. Паразиты, нарушая равновесие биохимических процессов в организме вызывают его заболевание. Некоторые микроорганизмы в зависимости от условий могут существовать либо как паразиты, либо как сапрофиты. Их называют условными или факультативными паразитами. К их числу относятся возбудители многих кишечных инфекций. Другие могут развиваться только в живых клетках — это строгие, или облигатные, паразиты. Способность к биосинтезу у них самая низкая.
Для синтеза клеточных белков микроорганизмам необходим азот. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов можно выделить автоаминотрофов и гетероаминотрофов. Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического (мочевина) и из этих соединений строить разнообразные белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммонийную форму. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу. Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота - белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие создают необходимые белковые соединения из одной - двух аминокислот путем их преобразования.
Многие гетеротрофные по отношению к углероду микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним относятся я бактерии, участвующие в очистке сточных вод.
Потребность в кислороде и водороде для конструктивного обмена микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и органических питательных веществ. Источниками зольных элементов (P, S, K, Mg, Fe) служат соответствующие минеральные соли. Потребность в этих элементах невелика, но присутствие в среде обязательно. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы - Zn, Co, Cu, Ni и др. Часть их входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.
Способы получения пищи, т. е. способы питания микроорганизмов, отличаются большим разнообразием. Различают три основных способа питания: голофитное, сапрозойное, голозойное.
Голофитное питание (от греч. «голо» - целиком, «фит» - растение) совершается по типу фотосинтеза растений. Такое питание присуще только автотрофам. Среди микроорганизмов этот способ свойствен водорослям, окрашенным формам жгутиковых и некоторым бактериям.
Гетеротрофные микроорганизмы питаются либо твердыми пищевыми частицами, либо поглощают растворенные органические вещества.
Голозойное питания предопределяет развитие у микроорганизмов специальных органоидов для переваривания пищи, а у некоторых - и для ее захвата. Например, неокрашенные жгутиковые и ресничные инфузории имеют ротовое отверстие, к которому пища подгоняется соответственно жгутиками или ресничками. Наиболее высокоорганизованные инфузории образуют околоротовыми ресничками ток воды в виде воронки, направленной узким концом в рот. Пищевые частицы осаждаются на дне воронки и заглатываются инфузорией. Такие инфузории называют седиментаторами. Амебы питаются путем фагоцитоза.
Микроорганизмы с голозойным способом питания для конструктивного метаболизма используют главным образом цитоплазму других организмов - бактерий, водорослей и т. д. и имеют специальные органоиды для пищеварения. Пищеварительный процесс у простейших осуществляется в пищеварительных вакуолях.
Переваривание заключается в гидролитическом расщеплении сложных органических веществ до более простых соединений. При этом углеводы гидролизуются до простых сахаров, белки - до аминокислот, а при гидролизе липидов образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Продукты пищеварения всасываются в цитоплазму и подвергаются дальнейшему преобразованию.
Бактерии, микроскопические грибы, дрожжи не имеют специальных органоидов для захвата пищи, и она поступает в клетку через всю поверхность. Такой способ питания называется сапрозойным.
Чтобы проникнуть в клетку, питательные вещества должны находится в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Для многих высокомолекулярных соединений цитоплазматическая мембрана непроницаема, а некоторые из них не могут проникнуть даже через клеточную оболочку. Однако это не означает, что высокомолекулярные соединения не используются микроорганизмами как питательные вещества. Микроорганизмы синтезируют внеклеточные пищеварительные ферменты, гидролизующие сложные соединения. Таким образом, процесс пищеварения, протекающий у простейших в вакуолях, у бактерий осуществляется вне клетки (Приложения рис. 4).
Размер молекул - не единственный фактор, обусловливающий проникновение питательных веществ в клетку.
Цитоплазматическая мембрана способна пропускать одни соединения и задерживать другие.
Известно несколько механизмов переноса веществ через мембрану клетки: простая диффузия, облегченная диффузия и Активный перенос (Приложения рис. 5).
Простая диффузия - это проникновение молекул вещества в клетку без помощи каких-либо переносчиков.
В насыщении клетки питательными веществами простая диффузия большого значения не имеет. Однако именно таким путем в клетку поступают молекулы воды. Немаловажную роль в этом процессе играет осмос - диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перепонку в направлении более концентрированного раствора.
Роль полупроницаемой перепонки в клетке выполняет цитоплазматическая мембрана. В клеточном соке растворено огромное количество молекул разнообразных веществ, поэтому клетки микроорганизмов обладают довольно высоким осмотическим давлением. Величина его у многих микробов достигает 0,5—0,8 МПа. В окружающей среде осмотическое давление обычно ниже. Это вызывает приток воды внутрь клетки и создает в ней определенное напряжение называемое тургором.
При облегченной диффузии растворенные вещества поступают в клетку с участием специальных ферментов-переносчиков, носящих название пермеаз. Они как бы захватывают молекулы растворенных веществ и переносят их к внутренней поверхности мембраны.
Простая и облегченная диффузия представляет собой варианты пассивного транспорта веществ. Движущей силой переноса веществ в клетку в этом случае служит градиент концентраций по обе стороны мембраны. Однако большинство веществ поступает в клетку против градиента концентрации. В этом случае на такой перенос затрачивается энергия и перенос называется активным. Активный перенос протекает с участием специфических белков, сопряжен с энергетическим обменом клетки и позволяет накапливать в клетке пительные вещества в концентрации во много раз больше, чем концентрация их во внешней среде. Активный перенос - основной механизм поступления питательных веществ в клетки с сапрозойным питанием.
Тема 19 «Конструктивный метаболизм»
2. Биосинтез аминокислот: основные предшественники и пути биосинтеза.
3. Биосинтез нуклеотидов.
4. Биосинтез липидов, жирных кислот и фосфолипидов.
5. Биосинтез углеводов.
1. Общая характеристика конструктивного метаболизма
Конструктивный метаболизм (биосинтезы) — поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс связан с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.
Установлено, что у бактерий E. coli, растущих в аэробных условиях на среде с глюкозой, около 50 % глюкозы окисляется до СО2. При этом образуются молекулы АТФ, в которых аккумулируется энергия. Остальные 50 % глюкозы используются для построения клеточного материала. На подобные процессы затрачивается бóльшая часть энергии АТФ, образовавшейся в результате аэробного окисления.
Более 95 % клеточного материала бактерий E. coli и других микроорганизмов состоит из макромолекул или полимеров: белков, полисахаридов, липидов, РНК, ДНК. На долю белков приходится 52 %, а на долю нуклеиновых кислот - 19 % массы сухого вещества. Около 3 % сухого вещества клеток составляют низкомолекулярные органические соединения и соли.
Образованию полимеров из глюкозы предшествует синтез составляющих их мономеров: в случае полисахаридов - различных моносахаридов, в случае нуклеиновых кислот - рибо- и дезоксирибонуклеотидов, в случае белков - аминокислот и т. д. (рис. 1).
Мономеры синтезируются из промежуточных метаболитов (амфиболитов), которые образуются при катаболизме глюкозы. Такими промежуточными метаболитами являются: пентозофосфаты, фосфоенолпируват, пируват, ацетил-КоА, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты. Они являются исходным материалом для синтеза всех необходимых клетке аминокислот, витаминов, сахарофосфатов, жирных кислот, рибо- и дезоксирибонуклеотидов, которые образуются в реакции полимеризации.
Рис. 1. Общая схема путей биосинтеза клеточного материала из глюкозы
2. Биосинтез аминокислот: основные предшественники и пути биосинтеза.
Большинство бактерий способно синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. Предшественниками для синтеза аминокислот служат промежуточные продукты метаболизма, такие кислоты, как: α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, 3-фосфоглицериновая и другие соединения.
КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБМЕН
Конструктивный обмен веществ заключается в биосинтезе основных клеточных компонентов из поступивших в клетку веществ питательной среды. Конструктивный обмен направлен на синтез четырех основных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов (рис. 28). Условно конструктивный обмен бактериальной клетки можно представить в виде следующих этапов: I — образование из простейших неорганических веществ органических предшественников; II — из органических предшественников синтезируются строительные блоки: аминокислоты, простые сахара, органические кислоты, мононуклеотиды, глицерин, высшие спирты (мономеры); III — строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры клетки: белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты.
Рис. 28. Обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений микроорганизмами
Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов очень различны. У одних микроорганизмов конструктивный обмен включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим или только третьим. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим потребностям в питательных веществах. Мономеры могут быть синтезированы клеткой из более простых соединений или должны поступать в готовом виде из питательной среды. Чем больше готовых соединений должен получать микроорганизм из питательной среды, тем ниже уровень его биосинтетических способностей. Потребности микроорганизмов в питательных веществах определяются в основном элементарным составом их клеток.
Химический состав клеток микроорганизмов
В клетках микроорганизмов содержится 75—85% воды, остальные 15—25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена.
Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ. На долю минеральных веществ приходится 2—14% массы сухого вещества клетки, остальная часть сухого вещества представлена органическими соединениями, основную массу которых составляют белки (до 52%), полисахариды (до 17%), нуклеиновые кислоты (РНК — до 16%, ДНК — до 3%) и липиды (до 9%). Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции.
Наибольшее значение имеют нуклеопротеины — белки, связанные с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Это обязательные компоненты ядра и рибосом. Нуклеопротеины играют важную роль в процессах роста и размножения микроорганизмов, участвуют в передаче наследственных признаков. Ферменты также являются белками.
Полисахариды в клетках микроорганизмов представлены гра- нулезой, гликогеном, которые являются запасными питательными веществами, а также декстраном и леваном (неклеточные полисахариды), составляющими капсулы бактерий. Некоторые полисахариды (целлюлозы и др.) входят в состав клеточной стенки.
Липиды входят главным образом в состав клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Они откладываются в клетках в качестве запасных веществ.
В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества — органические кислоты, их соли; пигменты, витамины и др.
Важнейшими химическими элементами, входящими в состав клеток микроорганизмов, являются углерод (С), кислород (О), водород (Н), азот (N), сера (S), фосфор (Р), калий (К), магний (Mg), кальций (Са) и железо (Fe). Эти элементы играют различную физиологическую роль. Углерод, кислород, водород и азот входят в состав всех без исключения живых организмов и их называют органогенами. Они составляют основу органических веществ. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав ряда важных органических соединений клетки — нуклеиновых кислот, фосфолипидов, АТФ и др. Сера входит в состав серосодержащих аминокислот, без которых невозможен синтез белков. Эти шесть элементов составляют до 90— 98% сухого вещества клеток, при этом на долю углерода приходится 50%. На долю остальных элементов приходится 2—10%. Все они входят в состав небелковой части различных ферментов, а некоторые выполняют и другие функции. Большое значение имеют калий, магний, кальций, железо.
Химический состав клеток микроорганизмов определяет их потребности в питательных веществах и дает представление о значении отдельных химических элементов и соединений для их жизнедеятельности.
МЕТАБОЛИЗМ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ
Метаболизмом называется вся сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами. Метаболизм обеспечивает все жизненные процессы в клетке в зависимости от среды обитания. В результате метаболизма происходит увеличение размеров клетки, ее деление или почкование, возрастает количество особей и общей их массы в питательной среде, из которой потребляется часть ее компонентов и которая пополняется метаболитами клетки.
Несмотря на огромные физиологические и морфологические различия между отдельными классами, родами и видами микроорганизмов, обмен веществ в клетке идет тремя центральными метаболическими путями:
- 1) из внешней среды в клетку поступает энергия либо в виде химической энергии органических веществ, либо в виде энергии солнечного света;
- 2) из веществ среды, перенесенных в клетку, собираются «строительные блоки», которые формируют биополимеры клетки и синтезируют макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и других клеточных компонентов;
- 3) в клетке происходят постоянные синтез и разрушение биомолекул, выполняющих различные специфические функции.
Обмен веществ у микроорганизмов можно рассматривать как сумму двух явлений (рис. 1.4): катаболизма, представляющего собой ферментативное расщепление крупных органических молекул с выделением свободной энергии, которая запасается в виде макроэрги-ческих связей в АТФ, и анаболизма, связанного с построением новых биополимеров клетки из простых соединений и протекающего с поглощением энергии макроэргических связей АТФ. В результате этих двух параллельно текущих процессов строится «тело» клетки, накапливаются необходимые клеткам запасные вещества, биологические катализаторы и промежуточные продукты обмена веществ, которые частично остаются в клетке, а частично удаляются из нее как неиспользуемый отход метаболизма.
Таким образом, обмен веществ слагается в клетке из конструктивного и энергетического обмена.
Катаболизм и анаболизм — это два самостоятельных пути в обмене веществ, но отдельные их участки могут быть общими. Такие участки, свойственные катаболизму и анаболизму, называются ам-фиболическими.
Читайте также: