Лекция №2. Усвоение углеводов отличных от глюкозы

В курсе биохимии пути метаболизма углеводов содержащих шесть углеродных атомов (гексозы) рассматривались на примере глюкозы. Микроорганизмы же способны расти на средах содержащих вместо глюкозы другие углеводы, причем не только моносахариды, но и дисахариды, полисахариды.

Например, фруктоза служит прекрасным субстратом для многих микроорганизмов. Как и в случае глюкозы, поступление фруктозы в клетки обеспечивается фосфоенолпируват-фосфотрансферазной системой. Однако в этом случае в клетке образуется фруктозо-1-фосфат, а не фруктозо-6-фосфат (рис.2.1).

Рис.2.1.Схема субстратного фосфорилирования фруктозы и глюкозы.

Для использования фруктозы в качестве субстрата требуется фермент 1-фосфофруктокиназа, синтез которого, в свою очередь специфически индуцируется фруктозой. Микроорганизмы у которых отсутствует фермент 1-фосфофруктокиназа не способны усваивать фруктозу.

Усвоение дисахаридов можно рассмотреть на примере лактозы. Молочный сахар состоит из остатка глюкозы и галактозы. Молекула лактозы за счет систем активного транспорта поступает из внешней среды внутрь клетки. В клетке, лактоза под действием фермента β-галактозидаза гидролизуется до глюкозы и галактозы.

Глюкоза, образовавшаяся из лактозы, фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата. Галактоза индуцирует синтез ферментов участвующих в ее дальнейшем метаболизме: галактокиназы (1), глюкоза:галактозо-1-фосфат – уридилилтрансферазы (2) и UDPглюкоза – 4-эпимеразы (3). В совокупности они катализируют следующие реакции: галактоза фосфорилируется при 1-ом углеродном атоме; UDP-глюкоза реагирует с галактозо-1-фосфатом с образованием глюкозо-1-фосфата и UDPгалактозы; UDPгалактоза эпимеризуется до UDPглюкозы (рис. 2.2).

Многие бактерии проявляют огромную гибкость в отношении природы и числа субстратов, которые они могут использовать. Так например у Pseudomonas putida единствен­ным источником углерода и энергии может служить практически любое органическое соединений. Другие псевдомонады, виды Bacillus, Azotobacterг и Acinetobacter, также замечательны в том отношении, что могут расти на многих субстратах. С другой стороны, существуют организмы, которые более «специализированы», например, Bacillus fastidiosus может использовать только мочевую кислоту и близкие пуриновые соединения. Многие бактерии, растущие на метане, способны использовать в качестве субстратов роста только С₁ соединения.

Рис. 2.2. Усвоение лактозы

Расщепление полимеров экзоферментами

Полимеры как таковые не могут проникать через клеточную мембрану. Поэтому бактерии выделяют ферменты (в большинстве случаев гидролазы), которые разлагают полимеры до небольших, легко транспортируемых молекул.

Крахмал и гликоген (гликозидные связи α (1→4); связи α(1→6) в точках ветвления) расщепляются амилазами. α-Амилазы, продуцируемые бациллами и псевдомонадами, расщепляют крахмал сначала на декстрины, а затем до мальтозы, глюкозы и олигосахаридов. При этом связи (1→6) остаются незатронутыми (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Действие α-амилазы. Образование мальтозы (∞), глюкозы (О) и олигосахарида со связью (1→6).

β-Амилаза действует по-другому; она интенсивно отделяет остатки мальтозы от невосстанавливающего конца крахмала или гликогена. Такой тип фермента обычен для растений, но не для бактерий.

Гликозидные связи β(1→4) целлюлозы гидролизуются целлюлазой. Этот фермент выделяется рядом бактерий (Cytophaga, Cellulomonas, бактериями рубца, такими, как виды Bacteroides и Ruminococcus, некоторыми бациллами и клостридиями) и многими грибами (например, Trichoderma viride, Aspergillus niger). Некоторые из продуцируемых целлюлаз не относятся к истинным экзоферментам. Например, целлюлитическая активность Cytophaga остается связанной с поверхностью клетки. Продуктами ферментативного гидролиза целлюлозы являются глюкоза и целлобиоза, представляющая собой дисахарид с гликозидной связью β(1→4). Целлобиоза — мощный ингибитор целлюлазы. Однако она быстро поглощается клеткой и разрушается.

Внутриклеточное разрушение дисахаридов бактериями часто начинается с пирофосфоролитического расщепления:

Целлобиозофосфорилаза

Целлобиоза +P_i ——————————Глюкозо-1-Р+ Глюкоза,

Мальтозофосфорилаза

Мальтоза +P_i ————————————Глюкозо-1-Р+Глюкоза,

Сахарозофосфорилаза

Сахароза+Р_i————————————Глюкозо-1-Р+Фруктоза.

Конечно, фосфорилазы более экономичны, чем гидролазы типа β-галактозидазы и инвертазы (гидролизует сахарозу до фруктозы + глюкоза): энергия гликозидной связи сохраняется, и для образования углевод-1-фосфата не требуется АТР.

Впервые cахарозофосфорилаза была обнаружена у Pseudomonas saccharophila. Мальтозо- и целлобиозофосфорилазы имеются у бактерий, разлагающих крахмал и целлюлозу.

Другие полисахариды и их производные также гидролизуются специфическими экзоферментами. Многие бактерии способны образовывать пектиназу и разрушать пектин (например, Bacillus polymyxa, Erwinia carotovora, Clostridium felsineum). Коринебактерии, Chromobacterium violaceum, Pseudomonas chitinovorans и другие почвенные бактерии выделяют хитиназу.