|
Обмін речовин (метаболізм) мікроорганізмів
Зміст
1.
Поняття про обмін речовин (метаболізм) мікроорганізмів……………………3
2.
Метаболізм і метаболічні шляхи……………………………………………… .3
3.
Процес конструктивного метаболізму………………………………………… 5
4.
Процес енергетичного обміну……………………………………………………8
4.1.
Особливості біологічного окислення………………………………………8
4.2.
Акумуляція енергії в мікробній клітині……………………………………9
4.3.
Дихання мікроорганізмів………………………………………………… .10
5.
Аеробне дихання мікроорганізмів………………………………………………12
5.1.
Загальна схема процесу дихання………………………………………… 13
Поняття
про обмін речовин (метаболізм) мікроорганізмів [1]
Найважливішою
ознакою живої матерії є постійний обмін речовин між організмом і
середовищем. Сукупність процесів, які гармонійно поєднані і перебігають у
клітині в певній послідовності, забезпечуючи відтворення її біомаси,
називають обміном речовин, або метаболізмом.
Існують
два напрями метаболізму: анаболізм, або конструктивний обмін, який
об’єднує процеси синтезу складових частин тіла організму за рахунок
надходження поживних речовин із довкілля, і катаболізм, або енергетичний
обмін, що включає процеси розпаду органічних речовин із одночасним вивільненням
енергії та акумуляцією її в АТФ та інші високоенергетичні сполуки. У
мікроорганізмів розділяють дві форми катаболізму – дихання і бродіння.
Метаболізм
і метаболічні шляхи [2]
Як
під час росту , так і в стані спокою вегетативна клітина потребує постійного
притоку енергії. Жива клітина представляє собою високоорганізовану
матерію. Енергія необхідна не тільки для створення такої організації ,
але й для її підтримання. Цю енергію організм отримує в процесі обміну
речовин (метаболізму), тобто шляхом регульованих перетворень. яким різні
речовини піддаються всередині клітини. джерелами енергії слугують поживні
речовини. що надходять із зовнішнього середовища. В клітинах ці речовини
піддаються ряду змін в результаті послідовних ферментативних реакцій, що
утворюють етапи певних метаболічних шляхів. Такі шляхи виконують дві
головні функції: вони, по-перше, постачають матеріали-попередники для
побудови клітинних компонентів і, по-друге, забезпечують енергію для
клітинних синтезів та інших процесів, що потребують затрат енергії.
Перетворення
сполук в клітині (обмін речовин або метаболізм), в результаті яких із
порівняно простих попередників. наприклад глюкози. жирних кислот з довгим
ланцюгом або ароматичних сполук, утворюється нова клітинна речовина,
можна підрозділити на три основні групи. Спочатку поживні речовини
розщепляються на невеликі фрагменти (розпад, або катаболізм), а потім в
ході реакцій проміжного обміну, або амфіболізму, вони перетворюються в
ряд органічних кислот і фосфорних ефірів. Ці два шляхи переходять
непомітно один в одний. Багато чисельні низькомолекулярні сполуки – це
той субстрат, з якого синтезуються основні будівельні блоки клітини.
«Будівельними блоками» називаються амінокислоти, пуринові та піримідинові
основи, фосфорильовані цукри, органічні кислоти та інші метаболіти –
кінцеві продукти ланцюгів біосинтезу, іноді довгих. З них будуються
полімерні макромолекули (нуклеїнові кислоти, білки, резервні речовини,
компоненти клітинної стінки і т.д.), з яких складається клітина. Ці два
етапи Біосинтезу клітинних сполук – синтез будівельних блоків і синтез
полімерів – складають синтетичну гілку метаболізму, або анаболізм.
Основними
процесами метаболізму живої матерії є живлення і дихання.
Процеси
конструктивного метаболізму
Поживні
потреби мікроорганізмів. Для мікроорганізмів, як і для
всіх інших живих істот, живлення є необхідним. Поживні речовини надходять
із зовнішнього середовища в живий організм і використовується ним або як
будівельний матеріал, або як джерело енергії для процесів
життєдіяльності.
Вивчення
хімічного складу мікробів показало, що для біосинтезу основних
макромолекул їхнього тіла, з яких формується оболонка, мембрана,
цитоплазма, нуклеоїд та інші компоненти, вони повинні одержувати для
живлення вуглець, азот, фосфор, сірку, кисень, залізо, калій, магній,
кальцій, хлориди, мікроелементи тощо.
Крім
поживних елементів, що використовуються на побудову структурних
компонентів клітини, мікроби також потребують постійного джерела енергії,
яка використовується для біосинтезу різних сполук та інших життєвих
процесів у клітині.
Одним
із найважливіших поживних елементів є вуглець. Потреби різних
мікроорганізмів у джерелах цього елемента різноманітні. Фото- синтезуючі
організми, що використовують сонячну енергію, а також бактерії, які
одержують енергію під час окислення неорганічних речовин. використовують
як головне джерело вуглецю найбільш окислену його форму – СО2.
Джерелом
азоту для
різних видів мікроорганізмів можуть бути найрізноманітніші азотисті
сполуки, а для деяких – навіть молекулярний азот атмосфери.
Найдоступнішим джерелом азоту для багатьох мікробів є іони амонію (NH4+)
і аміак (NH3), які досить швидко приникають у мікробну клітину і
трансформуються в іміно- та аміногрупи. Більшість мікробів асимілюють
мінеральні форми азоту.
Поряд
з мінеральними джерелами азоту багато видів мікроорганізмів
використовують азот органічних речовин. які водночас слугують для них
також джерелом вуглецю та енергії. Використання органічних джерел азоту
пов’язується, як правило, з відщепленням від них NH3 і поглинанням його
мікробною клітиною. Деякі мікроорганізми можуть засвоювати також
амінокислоти. Білками можуть живитися ті мікроби, що виділяють у зовнішнє
середовище екзоферменти.
Сірка є
необхідним поживним елементом для мікроорганізмів. Вона міститься в
клітинах в основному у відновленій формі, зокрема у вигляді сульфідної
групи. Більшість мікробів може використовувати для живлення сульфати.
Проте є бактерії, які потребують для свого живлення відновлених сполук
сірки. Для них джерелом сірки можуть бути неорганічні сульфіди,
тіосульфати і органічні сполуки, що містять сірку.
Фосфор входить
до складу дуже важливих органічних сполук мікробної клітини: нуклеїнових
кислот, фосфоліпідів, коферментів, АТФ тощо. Без фосфору мікроорганізми
не можуть рости і розвиватися. На відміну від азоту і сірки фосфор
входить до органічної речовини тільки в окисленому стані (H3PO4). Фосфор
надходить у мікробну клітину у вигляді молекул фосфорної кислоти і в
незмінній формі бере участь у різних біологічних процесах. Найкращим
джерелом фосфору для більшості мікроорганізмів є різні солі ортофосфатної
кислоти.
Калій активує
ферментні системи, відіграє істотну роль у вуглеводневому обміні та синтезі
клітинних речовин. Джерелом калію для мікроорганізмів є його солі.
Магній входить
до складу хлорофілу у зелених і пурпурних сіркобактерій, ціанобактерій, а
також є активатором низки ферментів. У клітині перебуває переважно в
іонному стані. Для нормального росту й розвитку деяких бактерій
необхідний також кальцій. Джерелом цих поживних
елементів для мікробів є їхні водорозчинні солі.
Залізо
також належить
до незамінних поживних елементів. Мікроорганізми використовують його в
дуже малих кількостях. Однак нормальний розвиток їх без цього елемента
неможливий, оскільки залізо входить до гемінового угруповання, яке є
коферментом для низки важливих дихальних ферментів (цитохроми,
цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза тощо). Джерелом заліза для
мікробів можуть бути сульфати та інші його солі.
Крім
названих поживних елементів, мікроорганізмам також потрібні для живлення
імікроелементи (бор, цинк, мідь, марганець, молібден та ін.).
Вони засвоюються мікробами в дуже малій кількості, але, незважаючи на це,
нормальний розвиток мікробів без них є неможливим, оскільки вони входять
до складу багатьох ферментів, а також є їхніми активаторами.
Процеси
енергетичного обміну
У мікроорганізмів існує дві основні форми енергетичного обміну
(катаболізму) – дихання і бродіння. Як під час дихання, так і під час бродіння
відбуваються процеси розпаду поживних речовин, в основному, внаслідок реакції
окислення.
Особливості біологічного окислення. Згідно з сучасними
уявленнями, окислення будь-якої сполуки полягає у втрачанні нею електрона або
електрона разом з воднем. Цей процес може відбуватися за одним із таких шляхів:
1. Безпосереднім втрачанням електрона, результатом якого є зміна
валентності Fe2+ -  Fe3+
+ ;
2. Вилученням із речовини водню (для перебігу цієї реакції
необхідною є наявність у системі рецептора водню);
3. Безпосереднім приєднанням до речовин кисню;
4. У переважній кількості біологічних реакцій речовина, яка
піддається окисленню. попередньо гід ратується, в результаті чого її здатність
до окислення відчутно зростає.
У біологічних системах ці шляхи окислення пов’язані, до того ж в
усіх випадках в основі окислення лежить втрата електрона речовиною, яка
окислюється. Таке втрачання електрона, зазвичай, поєднується з одночасним
втрачанням водню. Віддача електрона можлива тільки тоді, коли в клітині є
речовина, здатна приєднати електрон. Інакше в живих організмах окислення
будь-якої сполуки завжди поєднується з відновленням іншої.
Акумуляція енергії в мікробній клітині. Під час біологічного
окислення перенесення електронів супроводжується вивільненням енергії, яка
утилізується клітиною за допомогою відповідних сполук. У тварин цей процес
відбувається в мітохондріях а у бактерій – в мезосомах.
Клітина запасається енергією ц формі сполук, які мають так звані
макроенергетичні зв’язки. При гідролітичному розщепленні цих зв’язків енергія
звільняється і може бути використана в різних процесах життєдіяльності
мікробної клітини.
Як акумулятори і переносники енергії велике значення мають такі
сполуки. як аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат (АДФ), уридинтрифосфат
(УДФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ) та інші. Однак
найважливішим переносником енергії є АТФ (рис.2). АТФ являє собою
тринуклеотидфосфат, який складається з азотистої основи (аденіну), пентози
(рибози) і трьох молекул фосфорної кислоти. Дві кінцеві молекули фосфорної
кислоти утворюють макроергічні зв’язки - це сполуки, які містять макроергічні
зв’язки, тобто зв’язки з високою вільною енергією гідролізу. До таких сполук
відносять АТФ – основний носій біологічної енергії [4]. Особливі властивості АТФ визначаються
тим, що кінцева фосфорна група легко переноситься з АТФ на інші сполуки або
відщеплюється (під час гідролізу) з виділенням енергії, яка може бути
використана на фізіологічні функції. Розчеплення АТФ відбувається за рівнянням:
АТФ + Н2О АДФ
+ фН  Go1=31,8
кДЖ/моль
АТФ утворюється з АДФ і залишку неорганічної фосфорної кислоти з
використанням енергії, яка звільняється за окислення різних органічних речовин.
Вона призначена для перенесення високо енергетичних фосфорних груп і є
зв’язуючою ланкою між процесами, які супроводжуються виділенням енергії, і
процесами, що відбуваються з використанням енергії. АТФ фактично є енергетичною
«валютою» клітини.
Отже, мікробна клітина нагромаджує велику кількість енергії у
формі сполук із макроергічними зв’язками і в міру потреби використовує цю
енергію для синтезу найрізноманітніших сполук, необхідних для її життя.
Дихання мікроорганізмів. Водночас
з процесами живлення у мікроорганізмів відбуваються процеси дихання. суть яких
полягає в окисленні складних органічних сполук до простих з одночасним
виділенням енергії, яка використовується мікроорганізмами для росту, розвитку,
розмноження та інших процесів життєдіяльності.
Більшість мікробів (як і вищі рослини та тварини) для дихання
використовують молекулярний кисень атмосфери. Натомість ще в 1861 р. Л.Пастер
відкрив, що деякі дріжджі і бактерії можуть жити без доступу атмосферного
кисню. Енергію, потрібну для життя, вони дістають завдяки процесам бродіння.
Для визначення життя в без кисневому середовищі Л.Пастер запропонував термін
анаеробіоз.
За типом дихання або ставлення до кисню повітря всі мікроорганізми
поділяють на облігатних аеробів, мікроаерофілів, факультативних анаеробів і
облігатних анаеробів.
Облігатні аероби добре
розвиваються, якщо в атмосфері близько 20% кисню (сарцини, сінна паличка,
туберкульозні палички, холерні вібріони та ін.).
Мікроаерофіли потребують
для свого розвитку значно менше кисню, оскільки висока концентрація його хоч і
не вбиває, але пригнічує їхній ріст (молочнокислі бактерії, актиноміцети,
лептоспіри тощо).
Факультативні анаероби можуть
жити як в аеробних, так і в анаеробних умовах, тобто за наявності й за
відсутності молекулярного кисню (більшість сапрофітних і патогенних мікробів).
Облігатні анаероби за
присутності молекулярного кисню повітря розвиватися не можуть. Для них він є
шкідливим чинником. До цієї групи належать збудники маслянокислого бродіння,
клостридії правця, ботулізму та ін.
Загальна схема процесу дихання. На
рис.3 представлена загальна схема процесу дихання. Ацетильні групи, утворені із
вуглеводів, жирів і амінокислот на другій стадії катаболізму, вступають в третю
стадію, тобто цикл
трикарбонових кислот (його ще
називають циклом лимонної
кислоти або циклом Кребса) – загальний
кінцевий шлях окислювального катаболізму всіх видів клітинного палива в
аеробних умовах. В цьому циклі ацетильні групи розщепляються з вивільненням СО2
із атомів водню. Наслідки (або відповідні їм електрони) включаються в дихальний
ланцюг, що складається із серії переносників електронів. Процес переносу
електронів по дихальному ланцюгу к кінцевому акцептору електронів –
молекулярному кисню – супроводжується дуже великим зменшенням вільної енергії.
Значна частина цієї енергії запасається у формі АТФ, що утворюється в
результаті зв’язаного з окисненням фосфорилювання АДФ. Сумарна реакція циклу
трикарбонових кислот описується наступним рівнянням:
CH3COOH + 2H2O 2CO2
+8H
Із цього рівняння видно, що в циклі не залучається ні молекулярний
кисень, ні неорганічний фосфат, ні АТФ. Головна функція циклу заключається в
дегідруванні оцтової кислоти, яка в кінцевому випадку призводить до утворення
двох молекул СО2 і чотирьох пар атомів водню. Цей процес включає ряд
послідовних ферментативних реакцій, замкнутих в цикл (на відміну від реакцій
гліколітичного ряду, які слідують одна за одною в лінійному порядку). При
кожному оберті циклу (рис.4) молекула оцтової кислоти (два атома вуглецю)
взаємодіють з молекулою чотирьохвуглецевої сполуки – щавлевооцтовою кислотою, -
утворюючи шестивуглецеву сполуку – лимонну кислоту. Потім лимонна кислота
руйнується з утворенням двох молекул СО2 і чотирьохвуглецевої сполуки –
янтарної кислоти. Остання в кінцевому випадку окислюється до щавлевооцтової
кислоти, яка може знову включатися в цикл. При кожному оберті в цикл
залучається одна молекула щавлевооцтової кислоти і утворюється дві молекули
СО2. Одна молекула щавлевооцтової кислоти використовується для утворення
лимонної кислоти, але в кінці циклу регенерує. Тому практично щавлевооцтова
кислота в циклі не витрачається: однієї її молекули достатньо для окислення
неорганічного числа молекул оцтової кислоти. Таким чином, цикл трикарбонових
кислот являється каталітичним у двох відношеннях: по-перше, кожний окремий етап
циклу каталізується специфічним ферментом (як це характерно для всіх в цілому
ферментних систем); і, по-друге, на цей рівень каталізу накладається
каталітичний ефект самих проміжних продуктів циклу: одна молекула будь-якого
проміжного продукту циклу каталізує розщеплення багатьох молекул оцтової
кислоти.
Друга фаза аеробного дихання мікроорганізмів складається з реакцій
окислення атомів водню, які звільнилися в циклі трикарбонових кислот, киснем
повітря з утворенням АТФ. У мікробів (як і у вищих організмів) є особливий
апарт – електронно-транспортний ланцюг, за допомогою якого водень (електрони і
протони) переноситься від НАД Н + Н+ через низку етапів аж до кінцевого
акцептора – кисню повітря. Рухомою силою транспорту водню в дихальному ланцюзі
є різниця потенціалів. На початку ланцюга міститься НАД, що має найбільшу
величину окисно-відновного потенціалу (О/В= -0,32 В), а в кінці – кисень, в
якого найвища позитивна величина О/ВП= +0,82 В. Решта переносників розміщуються
між ними в порядку послідовного зростання позитивного О/ВП. Цей й дає змогу
електронам рухатися за електронно-транспортним ланцюгом до кисню. Саме в
процесі передачі по ЕТЛ електронів енергія частково нагромаджується в АТФ.
Процес нагромадження енергії окислення в АТФ при русі електронів по ланцюгу переносників
(якими переважно є ферменти класу оксидоредуктаз) дістав назву окислювального
фосфорилювання.
У результаті окислювального фосфорилювання більша частина енергії
піровиноградної кислоти стає доступною для мікроорганізмів. Сумарно повне
окислення глюкози можна зобразити таким рівнянням:
С6Н12О6 + 6О2 6СО2
+ 6Н2О + 2824 кДЖ
Отже, дихання – це процес, при якому атоми водню (електрони)
переносяться від органічних речовин на молекулярний кисень. Слід зазначити, що
питання про характер зв’язку між транспортом електронів, з одного боку, і
перетворенням фосфорних сполук, з другого, тривалий час залишалося неясним,
зокрема невідомим був молекулярний механізм фосфорилювання, спряжений з
електронним транспортом.
Тривалий час вважалось, що АТФ і подібні їй високо енергетичні
сполуки є єдиною формою енергії, яка може використовуватися клітинами в усіх
енергозалежних процесах. Проте пізніше стало відомо, що мікробна клітина
використовує ще одну форму енергії – трансмембранний електрохімічний градієнт
Н+, який позначається символом  .
Відкриття цієї форми енергії належить англійському біохіміку
П.Мітчелу, авторові хеміосмотичної теорії окислювального фосфорилювання. суть
цієї теорії полягає в тому, що при перенесенні електронів по ЕТЛ,
локалізованому в певних мембранах, які називають енергоперетворюючими,
відбувається нерівномірне розподілення Н+, але й орієнтованого впоперек
мембрани електричного поля, тобто виникає трансмембранний електрохімічний
градієнт Н+. Згідно з головним постулатом хеміосмотичної теорії, у мембрані
міститься орієнтована АТФ-аза, яка використовує вільну енергію протонного
градієнта для синтезу АТФ. Ця реакція поєднана з транспортом Н+ за градієнтом ,
внаслідок чого відбувається його розрядка. Реакція гідролізу АТФ
супроводжується перенесенням Н+ проти градієнта, в результаті чого ззовні
мембрани нагромаджується Н+ і утворюється .
Так відбувається взаємне перетворюється  АТФ.
Бродіння, на відміну від аеробного дихання, є процесом, за якого
Н2, відщеплений від органічною речовини, передається не на кисень, а на іншу
органічну сполуку, що утворюється в цьому процесі. При бродінні виділяється
значно менше енергії, ніж при аеробному диханні, а тому для одержання такої ж
кількості енергії анаеробні мікроби при бродінні повинні витратити набагато більше
глюкози порівняно з аеробами. Наприклад, при гомо ферментативному
молочнокислому бродінні вивільняється майже в 14,3 разів менше енергії, ніж при
повному окисленні глюкози під час аеробного дихання.
Хемолітотрофні мікроорганізми добувають енергію шляхом окислення
таких неорганічних сполук, як аміак, сірководень, нітрити, молекулярний водень,
залізо двовалентне тощо. Ці сполуки використовуються як субстрати дихання,
тобто донори електронів. Однак слід зазначити, що літотрофія характерна для
порівняно невеликої групи аеробних прокаріотів. У клітинах цих організмів
функціонує ЕЛТ (електронно-транспортний ланцюг), і синтез АТФ здійснюється за
окислювального фосфорилювання. При цьому окислення таких субстратів, як
відновлені сполуки сірки і водень, супроводжується перенесенням електронів на
НАД+, у результаті чого виникає відповідний потенціал, необхідний для
відновлення СО2 до вуглеводів.
Як уже зазначалося, фототрофні прокаріоти як джерело енергії
використовують сонячне світло. В їхніх клітинах відбувається перетворення
світлової енергії на енергію АТФ. Поряд з цим у фототрофів використання світла
як джерела енергії потребує додаткового підключення хімічних сполук, які
служать донорами електронів, для енергетичного ресурсу для живих організмів.
|
Немає коментарів:
Дописати коментар