Тема: Энергетический метаболизм микроорганизмов. Методы выделения чистых культур облигатных анаэробов.

Источниками энергии для организмов могут служить свет и восстановленные химические соединения. Способность использовать химическую энергию присуща всем без исключения организмам. Особенно многообразны возможности прокариот. Основные катаболические системы клетки: гликолиз, окислительный пентозофосфатный путь, путь Энтнера-Дудорова и цикл трикарбоновых кислот Общее для всех катаболических путей – многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата На некоторых этапах окисление субстрата сопряжено с образованием энергии в той форме, в которой она может быть использована клеткой

В общем виде процессы, способные служить источником энергии для прокариот, можно представить следующим образом Должен существовать энергетический ресурс - исходный субстрат С помощью ферментных систем организм извлекает энергию из этого субстрата в реакциях его ступенчатого окисления У прокариот известны три способа получения энергии: брожение, дыхание, фотосинтез

Брожение Брожением называется анаэробный процесс превращения безазотистых органических веществ (главным образом углеводов) микроорганизмами, при котором происходит накопление продуктов неполного окисления (спиртов, органических кислот, углеводов и др.) и который сопровождается выделением энергии. В процессах брожения в определенных окислительно- восстановительных реакциях образуются нестабильные молекулы, фосфатная группа которых содержит много свободной энергии. Эта группа с помощью соответствующего фермента переносится на молекулу АДФ, что приводит к образованию АТФ. Реакции, в которых энергия, освобождающаяся на определенных окислительных этапах брожения запасается в молекулах АТФ, получили название субстратного фосфорилирования. Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами. Образующийся в восстановительной части окислительно- восстановительных преобразований сбраживаемого субстрата восстановитель (НАД·H2, восстановленный ферредоксин) переносит электроны на подходящий эндогенный акцептор электрона (пируват, ацетальдегид, ацетон и др.) или освобождается в виде газообразного водорода (H2).

Субстратное фосфорилирование При субстратном фосфорилировании источником образования АТФ служат реакции двух типов: I. Субстрат ~ Ф + АДФ субстрат + АТФ; II. Субстрат ~ X + АДФ + ФцН субстрат + Х + АТФ. Символ "~", введенный американским биохимиком Ф. Липманом (F. Lipmann), служит для обозначения макроэргической связи.

Продукты брожения глюкозы

Муравьинокислое брожение и семейство Enterobacteriaceae Некоторые микроорганизмы, образующие при брожении кислоты, объединяют в одну физиологическую группу на том основании, что характерным, хотя и не главным продуктом брожения является у них муравьиная кислота. Наряду с муравьиной кислотой такие бактерии выделяют и некоторые другие кислоты; такой тип метаболизма называют поэто­му муравъинокислъш брожением или брожением смешанного типа. Так как некоторые типичные представители этой группы обитают в кишечнике, все семейство носит название Enterobacteriaceae. Будучи факультативными аэробами, они обладают гемопротеинами (цитохромами и каталазой) и способны получать энергию как в процессе дыхания (в аэробных условиях), так и в процессе брожения (в анаэробных условиях).

Брожение, примитивные черты Донор и акцептор электронов – органические вещества, т.е. не происходит полного высвобождения энергии хим.соединения Энергия запасается в молекулах АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования. Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами. Энергетический выход: при окислении 1 молекулы глюкозы в среднем образуется 2 молекулы АТФ

Дыхание В процессе дыхания происходит окисление восстановленных веществ с относительно низким окислительно-восстановительным потенциалом, образующихся в реакциях метаболизма или являющихся исходными субстратами ( NADH2, сукцинат, лактат и др.) Окисление происходит в результате переноса электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков, встроенных в мембрану – дыхательнуюэлектронтранспортную цепь

Организация дыхательной цепи

Расположение переносчиков электронов в ЦПМ прокариот таково, что при работе любой электронтранспортной цепи (фотосинтетической или дыхательной) во внешней среде происходит накопление ионов водорода (протонов), приводящее к подкислению среды, а в клеточной цитоплазме их уменьшение, сопровождающееся ее подщелочением, таким образом при переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода, обозначаемый символом ΔμН+

Дыхание (продолжение) Освобождающаяся припреносе электронов энергия первоначально запасается в форме ΔμН+ Разрядка ΔμН+ происходит с участием протонного АТФсинтазного комплекса Локализованная в мембране АТФсинтаза катализирует реакции синтеза и гидролиза АТФ в соответствии с уравнениеммембранеАТФсинтаза Реакция, протекающая слева направо, сопряжена с транспортом H+ по градиенту ΔμH+, при этом выделяется энергия, что приводит к разрядке градиента и синтезу АТФ. Протекающая в противоположном направлении реакция гидролиза АТФ сопровождается выделением энергии и приводит к переносу Н+ против градиента, что приводит к образованию (или возрастанию) ΔμH+ на мембране. Таким образом, АТФ-синтазный ферментный комплекс служит механизмом, обеспечивающим взаимное превращение двух форм клеточной энергии (ΔμH+ и АТФ), устройством, сопрягающим процессы окислительной природы с фосфорилированием.АТФ-синтазный ферментный комплексΔμH+.

Дыхательные цепи Azotobacter vinelandii (A), Micrococcus lysodeikticus (Б) и Escherichia coli (В) в аэробных (7), микроаэробных (2) и анаэробных (3) условиях:Azotobacter vinelandiiMicrococcus lysodeikticusEscherichia coli Фп - флавопротеин; FeS - железосероцентр; УХ - убихинон; MX - менахинон; ФР - фумаратредуктаза; b, с, d, о, а - цитохромы.

Различия дыхательных цепей аэробных и анаэробных бактерий – в конечном акцепторе электрона

Типы анаэробного дыхания у эубактерий Энергетический процесс Конечный акцептор электронов Продукты восстановления Нитратное дыхание и денитрификация NO 3 –, NO 2 – NO 2 –, NO, N 2 O, N 2 Сульфатное и серное дыхание SO 4 2–, S 0 H2SH2S Карбонатное дыхание CO 2 ацетат Фумаратное дыханиефумаратсукцинат

Классификация прокариот по отношению к молекулярному кислороду

Взаимосвязь процессов гликолиза и дыхания