Получение энергии субстратным фосфорилированием

Субстратное фосфорилирование может происходить при различных реакциях промежуточного метаболизма. При дегидрировании некоторых определённых субстратов часть энергии, освободившейся при окислении, сохраняется в форме высокоэнергетического фосфата. Богатая энергией фосфатная группа затем переносится на АДФ с образованием АТФ. Такой процесс называют фосфорилированием на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование). В обмене углеводов важнейшие реакции, приводящие к регенерации АТФ, катализируют фосфоглицераткиназа (1, 3 - бифосфоглицерат + АДФ = 3 - фосфоглицерат + АТФ), пируваткиназа (фосфоенолпируват + АДФ = пируват + АТФ) и ацетаткиназа (ацетилфосфат или бутирилфосфат + АДФ = ацетат или бутират + АТФ). Бактерии и дрожжи, сбраживающие сахара, располагают лишь тем АТФ, который получается с помощью этих ферментов.

Брожение. При брожении происходит анаэробное разложение углеводов и образование АТФ посредством субстратного фосфорилирования. Брожение характерно для факультативных и облигатных анаэробов. При брожении продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами и акцепторами водорода. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на НАД. Акцепторами водорода в составе НАДН⁺ служат промежуточные продукты расщепления субстрата. Кислород подавляет брожение, и оно у факультативных анаэробов сменяется дыханием. По выходу энергии брожение уступает дыхательному метаболизму: при сбраживании микроорганизмами 1 моля глюкозы образуется от 1 до 4 молей АТФ. Для сравнения: у дрожжей на 1 моль сброженной глюкозы образуется 2 моля АТФ, а при дыхании — 38. При ферментации субстратов в среде накапливаются конечные продукты (лактат, бутират, ацетон, 2-пропанол, этанол, ацетоин и др.). Определение природы этих продуктов — важный момент для идентификация анаэробов. Например, образование ацетоина определяют в реакции ФЏгеса–ПроскЊуэра, кислотообразование — в тесте с метиловым красным, индолообразование — по методу ГрациЊна. Применяют и другие тесты, разработанные для идентификации бактерий. Любое брожение проходит две стадии: первая (окисление) включает превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, вторая (восстановление) — присоединение атомов водорода для восстановления пировиноградной кислоты (рис. 4 – 7). Сам процесс образования пировиноградной кислоты включает серию реакций, общих для брожения и аэробного дыхания. У микроорганизмов выделяют три пути образования триоз (пировиноградной кислоты и глицеральдегидфосфата) из углеводов: гликолитический (фруктозо-1,6-бифосфатный), пентозофосфатный и 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный (КДФГ-путь, путь Энтнера–Дђдорова–ПарнЊса). Согласно образующимся продуктам, брожение разделяют на следующие типы.

Ы ВЁРСТКА. Рисунок 4–7

Рис. 4 – 7. Пути восстановления пирувата в процессе брожения.

Спиртовое брожение включает превращение пирувата в СО₂ и этанол. В течение многих веков способность дрожжей (особенно Saccharomyces cerevisiae) утилизировать глюкозу в анаэробных условиях с высоким выходом этанола и углекислоты применяют в пивоварении и виноделии. Аналогично дрожжам образует этанол Sarcina ventriculi. Бактерии кишечной группы, молочнокислые бактерии и клостридии образуют этанол в качестве побочного продукта сбраживания сахаров.

Гомоферментативное молочнокислое брожение (образуется практически только один продукт — молочная кислота) характерно для многих стрептококков и лактобацилл. Конечный продукт — молочная кислота — составляет не менее 90% всех продуктов брожения. В зависимости от стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы (фермент, переводящий один изомер в другой), могут образоваться различные изомеры молочной кислоты (D, L) или их смесь (DL-молочная кислота).

Гетероферментативное брожение (образуется смесь различных продуктов) характерно для бифидобактерий и молочнокислых бактерий, для рода Leuconostoc. Оно приводит к образованию молочной и уксусной кислот в ряде сходных процессов. Конечными продуктами могут быть дополнительно СО₂ и этанол, а при сбраживании фруктозы — маннитол.

Муравьинокислое брожение. Этот тип брожения выделяют на том основании, что характерный, хотя и не главный продукт брожения — муравьиная кислота. Часто этот тип называют брожение смешанного типа, поскольку, кроме формиата, образуется ряд других органических кислот. Так, для большинства членов семейства Enterobacteriaceae характерно выделение муравьиной и других кислот. Индивидуальные признаки брожения, осуществляемого кишечной палочкой, — расщепление пирувата с образованием ацетил-KoА и формиата, разложение формиата на углекислоту и молекулярный водород, восстановление ацетил-KoА до этанола, и, в отличие от Enterobacter aerogenes, отсутствие способности образовывать из пирувата ацетоин и 2,3-бутандиол.

Пропионовокислое брожение. Пируват или лактат карбоксилируется до оксалоацетата, затем оксалоацетат преобразуется в пропионовую кислоту через метилмалонил-коэнзим А у большинства пропионовых бактерий и через акрилоил-коэнзим А у Clostridium propionicum и Bacteroides ruminicola.

Масляно - кислое и ацетонобутиловое брожение. Масляная кислота (бутират), бутанол, ацетон, 2-пропанол и ряд других органических кислот и спиртов — типичные продукты сбраживания углеводов анаэробными спорообразующими бактериями (клостридиями). Если споры C. histolyticum или C. septicum попадают в открытую рану, где нет доступа воздуха, то они начинают расти, образуя дурно пахнущие продукты брожения.

Гомоацетатное брожение. Некоторые клостридии (C. formicoaceticum, C. acidi - urici) способны переносить водород, отщепляемый от субстрата, только на СО₂. При этом образуется исключительно ацетат.

Получение энергии окислительным фосфорилированием.

У всех дышащих бактерий имеется система транспорта электронов (дыхательная цепь). К компонентам этой системы относят локализованные в мембране ферменты с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами. У эукариот такие ферменты локализуются на внутренней мембране митохондрий, у прокариот — в плазматической мембране. Перенос электронов осуществляется по следующей стандартной схеме: органический субстрат ј НАД ј флавопротеины ј железосерные белки ј хиноны ј цитохромы (a, b, c) ј конечный акцептор (молекулярный кислород либо иной акцептор электронов). При движении электронов по дыхательной цепи создаётся градиент протонов, энергия которого запасается в виде АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. В дыхательной цепи имеются только три точки окисления, в каждой из которых освобождается столько энергии, сколько содержится в одной высокоэнергетической связи АТФ. При переносе пары протонов от НАД⁺ на кислород может образоваться 3 молекулы АТФ. При использовании в качестве субстрата сукцината, от которого водород включается в цепь только на уровне флавопротеинов, образуется 2 молекулы АТФ. Фумаратное дыхание сопряжено с образованием 1 молекулы АТФ.

Наиболее часто бактерии получают энергию в результате окисления органических субстратов (чаще всего углеводов) до СО₂ и Н₂О; иначе этот процесс известен как дыхание. Следует помнить, что дыханием следует считать окисление не только органических субстратов, так как бактерии могут окислять вещества, не подверженные ассимиляции, например, сероводород или трёхвалентное железо (так называемое «сероводородное дыхание», «железное дыхание»).

Если в реакциях окисления органических и неорганических веществ дегидрогеназами конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород, то такой тип метаболизма называют аэробное дыхание. При этом молекулярный кислород переходит в ион О^2–. Пары протонов, отщеплённые от органических субстратов, взаимодействуя с ионизированным кислородом при аэробном дыхании, образуют воду. Если терминальными акцепторами электронов выступают соединения, содержащие «связанный кислород» (нитраты, нитриты, сульфаты, карбонаты, а также способные к восстановлению элементная сера, трёхвалентное железо и органический акцептор — фумарат), то такой тип метаболизма называют анаэробное дыхание.

Аэробное дыхание — наиболее распространённый процесс получения энергии среди комменсалов и патогенных для человека бактерий.

Анаэробное дыхание осуществляют факультативно анаэробные бактерии и строгие анаэробы. Многие факультативные анаэробы при отсутствии кислорода в качестве акцепторов электронов используют нитраты (процесс известен как нитратное дыхание). При этом образуются характерные продукты восстановления — нитриты и другие восстановленные формы азота, что используют на практике для идентификации бактерий.

В зависимости от природы утилизируемого соединения выделяют бактерии - органотрофы, использующие в качестве доноров водорода и электронов органические вещества, и бактерии - литотрофы [от греч. lithos, камень, + trophЈ, питание], использующие в тех же целях неорганические соединения (Н₂, NH₃, H₂S, S, CO, двухвалентное железо и др.). Среди хемолитотрофных бактерий имеющих медицинское значение видов не обнаружено. Обычно ограничиваются указанием на основной способ получения энергии и природу донора водорода и электронов.

• Кишечную палочку, таким образом, относят к хемоорганотрофам, так как она получает энергию путём окисления химических соединений, используя в качестве донора водорода и электронов органические соединения.

• Нитрифицирующие бактерии относят к хемолитотрофам, а растения, цианобактерии и пурпурные серобактерии — к фотолитотрофам.

Катаболизм углеводов

В качестве источника питания и энергии при выращивании в искусственных условиях бактерии наиболее часто используют углеводы. Способность утилизировать различные углеводы — важный диагностический признак. Базовый субстрат — глюкоза, которую бактерии разлагают в процессе дыхания либо брожения. Многие реакции катаболизма глюкозы протекают одинаково у аэробных и анаэробных бактерий, в частности, три пути превращения гексоз в триозы (гликолиз, пентозофосфатный путь и путь Энтнера–Дђдорова).

Гликолиз

Гликолитический путь (гликолиз, путь Эмбдена–МейерхЏфа–ПарнЊса, фруктозо-1,6-дифосфатный путь) доминирует у большинства аэробных и анаэробных микроорганизмов — у кишечной палочки, бацилл, пенициллов, дрожжей, стрептомицетов и многих других. Характерная реакция гликолиза — расщепление фруктозо-1,6-дифосфата альдолазой, в результате чего образуется смесь триозофосфатов, состоящая из дигидрооксиацетонфосфата и глицероальдегидтрифосфата, которые затем превращаются в пируват (рис. 4 – 8). Фермент обратной связи, лимитирующий скорость процесса, — фруктозо-6-фосфат дегидрогеназа (фосфофруктокиназа). В этом процессе образуется 2 моля АТФ и 2 моля восстановленного НАД (НАДН ⁺) на 1 моль глюкозы.

Ы ВЁРСТКА. Рисунок 4–08

Рис. 4 – 8. Гликолиз (путь Эмбдена – Мейерхофа – Парнаса).

Пентозофосфатный путь

Пентозофосфатный путь (схема ВЊрбурга–ДЋккенса–ХорЌккера–Рљкера, фосфоглюконатный путь) включает не только образование пентозофосфатов, но и реакции превращения пентозофосфатов в триозо-3-фосфаты (рис. 4 – 9). В результате изомеризации фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат и конденсации двух молекул триозо-3-фосфата в гексозофосфат все перечисленные реакции замыкаются в цикл, при одном обороте которого из 3 молекул глюкозо - 6 - фосфата образуются 2 молекулы фруктозо - 6 - фосфата, одна молекула триозо - 3 - фосфата, 3 молекулы СО₂ и трижды по 2 восстановленных НАДФ (НАДФН⁺). Последовательность подобных превращений глюкозы у бактерий идентична таковой у высших организмов. Этот путь катаболизма глюкозы следует рассматривать как второстепенный, но имеющий специальное назначение — источник пентоз для синтеза нуклеиновых кислот, а также источник восстановительных эквивалентов НАДФН⁺.

Ы ВЁРСТКА. Рисунок 4–09

Рис. 4 – 9. Пентозофосфатный цикл.

Путь Энтнера – Дђдорова

Путь Энтнера–Дђдорова, или КДФГ-путь (назван по характерному образующемуся продукту — 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконату), — сравнительно редкий тип метаболизма, наблюдаемый у ряда бактерий (Pseudomonas aeruginosa, Alcaligenes eutrophus); у высших организмов он отсутствует (рис. 4 – 10). Этот путь — основной для расщепления гексоз у бактерий с дефицитом фосфофруктокиназы (например, у бактерий рода Pseudomonas). В результате расщепления 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовой кислоты образуются 3-фосфоглицериновый альдегид и пируват. Бактерии, расщепляющие глюкозу подобным образом, лишены ферментов, катализирующих образование молочной, муравьиной и прочих органических кислот.

Ы ВЁРСТКА. Рисунок 4–10

Рис. 4 – 10. Путь Энтнера – Дудорова.

Цикл Кребса

При аэробном дыхании пируват, образованный в ходе гликолиза и пути Энтнера–Дђдорова, полностью окисляется (то есть превращается в СО₂) в циклическом процессе, известном как цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), или цикл Кребса (рис. 4 – 11). До включения в цикл пируват с помощью ферментов превращается в ацетил-KoА. ЦТК служит для полного окисления двухуглеродного соединения — ацетата до СО₂ с отщеплением водорода. При участии трёх дегидрогеназ водород переносится на НАД или НАДФ, а под действием сукцинатдегидрогеназы — непосредственно на хинон. Коферменты передают водород на дыхательную цепь. В ЦТК при окислении ацетата образуются 2 молекулы СО₂ и 8 [H] (из них 6 [H] — на уровне пиридиннуклеотидов и 2 [H] — на уровне флавопротеинов). Кроме того, образуется одна молекула ГТФ, которая может превращаться в АТФ. Энергетический баланс для катаболизма глюкозы, если он идёт по фруктозодифосфатному пути, можно рассчитать следующим образом: 2 моля НАДН⁺ образуется во фруктозодифосфатном пути, ещё два — при дегидрировании пирувата; в ЦТК — 2ѓ3 моля НАДН⁺ и 2 моля ФАДН⁺, то есть всего 10 молей НАДН⁺ и 2 моля ФАДН⁺. Таким образом, число синтезируемых молей АТФ в дыхательной цепи составит 10ѓ3+2ѓ2=34. Добавив к этому 2 моля АТФ из фруктозодифосфатного пути и 2 моля из ЦТК, получим в итоге 38 молей АТФ.

Ы ВЁРСТКА. Рисунок 4–11

Рис. 4 – 11. Цикл Кребса.