Контрольные вопросы и задания
1. Какие способы питания характерны для микроорганизмов?
2. Каковы механизмы «первичного» и «вторичного» активного транспорта веществ в бактериальную клетку?
3. Какие источники углерода присущи автотрофам и какие — гетеротрофам?
4. На какие группы делят микроорганизмы в зависимости от источника используемой ими энергии?
5. Что такое хемосинтез?
6. В чем заключается специфика миксотрофов и метилотрофов?
Метоболизм микроорганизмов
Ферменты. Глубокое понимание процессов метаболизма микроорганизмов вряд ли возможно без предварительного знакомства с ролью и значением ферментов. Ферменты - биологические катализаторы. Они катализируют тысячи химических реакций, из которых слагается метаболизм организма. Известно уже около двух тысяч ферментов. По химической природе ферменты - глобулярные белки молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов. Название ферменту во многих случаях дают по веществу, на которое он действует, с изменением окончания на «-аза». Например, целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза - гидролиз мочевины (urea) до аммиака и СО2 и т. п. Однако чаще фермент получает наименование, которое указывает на природу катализируемой им химической реакции.
Современная классификация ферментов также строится с учетом природы реакций, которыми они управляют. Согласно разработанной Комиссией по ферментам Международного биохимического союза классификации, выделяют шесть главных классов ферментов.
1. Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные реакции, играют большую роль в процессах биологического получения энергии. К ним относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), цитохромы (b, с, с1 а, а3), ферменты, участвующие в переносе водорода, электронов и др.
2.Трансферазы. Катализируют перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остатки ацетата -СН3СО, а также молекулы жирных кислот; фосфотрансферазы, или киназы, обусловливают перенос остатков фосфорной кислоты Н3РО32-. Известны и другие трансферазы (аминотрансферазы, фосфорилазы и т. д.).
3. Гидролазы. Катализируют реакции расщепления и синтеза белков, жиров и полисахаридов с участием воды. К данному классу относят протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осуществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов (β-фруктофуранозидаза, α-глюкозидаза, α- и β-амилаза, β-галактозидаза и др.); эстеразы, катализирующие расщепление и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы).
4. Лиазы. Включают ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп радикалов к двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление СО2 от пирувата:
СН3СОСООН → СН3СОН + СО2
Пируват Ацетальдегид
К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющий шестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-бисфосфата на два трехуглеродных соединения.
Изомеразы. Участвуют в превращении органических соединений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримолекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различных радикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. К данной группе относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза и др.
Лигазы. Катализируют синтез сложных органических со единений из простых. Например, аспарагинсинтетаза управляет син тезом амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обя зательным участием АТФ, дающей энергию для этой реакции:
Аспарагиновая кислота + NH3 + АТФ → Аспарагин + АДФ + Н3РО4
К группе лигаз относят карбоксилазы, катализирующие присоединение СО2 к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из пирувата и СО2.
В соответствии со строением ферменты делят на два больших класса: простые белки и сложные белки. К первому классу относят гидролитические ферменты, ко второму, более многочисленному, — ферменты, управляющие окислением и участвующие в реакциях переноса различных химических групп. Ферменты второго класса хроме белковой части, называемой апоферментом, имеют небелковую группу, определяющую активность фермента, - кофактор. В отдельности белковая и небелковая части лишены ферментативной активности. Они приобретают свойства ферментов после соединения. Комплекс апофермента с кофактором называют голоферментом.
Кофакторами могут быть ионы металла (Fe, Cu, Co, Zn, Mo и др.), сложные органические соединения (называемые коферментами) либо те и другие вместе. Коферменты обычно играют роль промежуточных переносчиков электронов, атомов, групп, которые в результате ферментной реакции перемещаются с одного соединения на другое. Кофермент, прочно связанный с ферментным белком, называют простетической группой фермента. Многие коферменты идентичны определенным витаминам группы В или представляют собой их производные.
К коферментам относят, например, активные группы дегидрогеназ - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). В перечисленные коферменты входит никотиновая кислота (витамин группы В). Витамины есть в составе и других коферментов: тиамин (витамин В1) в составе тиаминпирофосфокиназы, участвующей в обмене пирувата; пантотеновая кислота - в составе кофермента А; рибофлавин (витамин В2) представляет собой простетическую группу флавопротеиновых ферментов. Значение витаминов в питании живых организмов обусловлено как раз тем, что они входят в состав коферментов.
По современным представлениям, ферменты ускоряют химические реакции, понижая свободную энергию активации (количество энергии, необходимое для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активированное состояние).
Ферменты обладают следующими основными свойствами: увеличивают скорость реакции, но сами в данной реакции не расходуются; их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечного продукта (продуктов) реакции; очень незначительное количество фермента вызывает превращение больших количеств субстрата; активность ферментов определяется реакцией среды, температурой, давлением и концентрацией как субстрата, так и самого фермента; для каждого фермента характерен свой оптимум температуры и реакции среды.
Многие ферментативные реакции обратимы, хотя активность фермента редко бывает одинаковой в обоих направлениях.
Обычно ферментативная реакция начинается со связывания ферментом определенного субстрата. Как правило, фермент взаимодействует только с одним субстратом и катализирует его трансформацию в другой субстрат до установления равновесия. Следовательно, каждый фермент характеризуется субстратной специфичностью (т. е. взаимодействует только с одним субстратом и продуктом его трансформации) и специфичностью действия (катализируют только одну из многочисленных реакций, которым может подвергнуться данный субстрат).
В связи с высокой специфичностью ферментативных реакций полагают, что участок молекулы фермента, называемый каталитическим центром, к которому присоединяется молекула субстрата, обладает специфичной пространственной конфигурацией, которая «впору» лишь «своей» молекуле субстрата и не соответствует никаким другим молекулам.
Несмотря на незначительные размеры, каждая клетка микроорганизма может производить множество разнообразных ферментов с различными функциями. Обычно ферменты, участвующие в метаболизме, содержатся в клетке организма и поэтому называются внутриклеточными ферментами, или эндоферментами. Отдельные ферменты выделяются клетками микроорганизмов в окружающую среду и называются внеклеточными ферментами, или экзоферментами. Как правило, во внешнюю среду выделяются гидролитические ферменты, разлагающие соединения большой молекулярной массы, которые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты же разложения легко поглощаются клеткой и используются ею в качестве питательных веществ. В разнообразии ферментов, позволяющих микроорганизмам усваивать соединения различной химической природы, заключается огромная роль микрофлоры в круговороте веществ в природе.
Получение энергии. Клетка любого организма запасает энергию в форме соединений, обладающих так называемыми макроэргическими связями. При гидролитическом расщеплении макроэргических связей энергия освобождается и может быть использована для биосинтетических реакций. Аккумуляторами и переносчиками энергии служит ряд соединений: аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат (АДФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ), уридинтрифосфат (УТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), креатинфосфат, ацетилфосфат и другие соединения. Важнейшим переносчиком энергии является АТФ.
Образование АТФ идет с расходом энергии, поэтому эта реакция происходит только сопряженно с энергетически полезными реакциями. Так, АТФ образуется в результате фотосинтетического фосфорилирования, окислительного фосфорилирования (фосфорилирование в дыхательной цепи) и фосфорилирования на уровне субстрата, т. е. фотосинтеза, дыхания и брожения, которые будут рассмотрены ниже.
Энергетически богатые связи (макроэргические фосфатные связи) обозначают символом ~РО4. Отщепление концевого фосфата сопровождается выделением 3,4 • 104 -5,0 • 104 Дж вместо 1,3 • 104 Дж, как при разрыве обычных химических связей.
Следовательно, образование соединений с макроэргическими связями составляет основной механизм, благодаря которому в клетках микроорганизмов запасается и сохраняется некоторое количество энергии, расходуемое по мере надобности для биосинтеза, а также для механического движения и осморегуляции. Следовательно, АТФ представляет собой универсальный переносчик химической энергии между реакциями, поставляющими энергию, и реакциями, потребляющими ее.
Окисление и восстановление органических соединений (биологическое окисление) начали изучать в 1780г., когда французский ученый А. Л. Лавуазье обнаружил, что животные поглощают кислород из воздуха и выделяют СО2. Процесс биологического окисления назвали дыханием. Оно свойственно и высшим растениям. Под понятием «окисление» в то время подразумевали процесс соединения вещества с кислородом, а под понятием «восстановление» - процесс отщепления кислорода от вещества.
Сейчас окисление представляют как процесс отнятия от вещества двух атомов водорода, что равносильно удалению двух электронов и двух протонов. Поэтому процесс теперь носит название дегидрирования. В противоположность ему восстановление того или иного соединения представляет собой присоединение двух атомов водорода или двух электронов и двух протонов. Последний процесс называют гидрированием.
Окисление может быть представлено следующим образом:
АН2→ А + 2Н
В + 2Н→ ВН2
Суммарная реакция показывает окисление АН2 при помощи В: АН2 + В → ВН2 + А
В этой реакции АН2 - восстановитель, или донор водорода, В -окислитель, или акцептор водорода.
Понятие окисления применимо и к реакциям, связанным только с переносом электронов. Так, реакцию, при которой атомы или молекулы теряют электроны (е-), называют окислением, обратный процесс -присоединение электронов -восстановлением. Например, превращение закисного железа в окисное происходит с потерей электрона и представляет собой реакцию окисления:
Fe2+ → Fe3+ + e-
Ни электроны, ни атомы водорода не могут накапливаться в среде как таковые. Они должны быть акцептированы каким-либо другим химическим соединением. Поэтому каждое окисление обязательно сопровождается восстановлением.
Переносчиками водорода в реакциях биологического окисления и восстановления служат главным образом два пиридиновых нуклеотида (коферменты анаэробных дегидрогеназ) - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид - фосфат (НАДФ). Отнимая водород от окисляемого субстрата, эти соединения переходят в восстановленную форму (НАД•Н2 и НАДФ•Н2) и переносят водород на другой акцептор. НАД•Н2 передает водород главным образом на промежуточные продукты брожения или в дыхательную цепь, НАДФ•Н2 чаще участвует в реакциях биосинтеза клетки.