Утилизация углеводов микроорганизмами

Катаболизм углеводов  у бактерий. Гликолиз. Гликолитический  путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Пентозофосфатный путь  окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера. В качестве источника питания и энергии при выращивании в искусственных условиях бакте рии наиболее часто используют углеводы. Способность утилизировать различные углеводы -важный диагностический признак. Базовый субстрат — глюкоза, которую бактерии разла гают 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-Дудорова).

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

 Гликолиз. Гликолитический  путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Гликолитический путь (гликолиз, путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса, фруктозо-1,6-дифосфатный путь) доминирует у большинства аэробных и анаэробных микроорганизмов — 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.

. Пентозофосфатный путь  окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера.

 Пентозофосфатный путь  окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера. Пентозофосфатный путь (схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера, 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 С02 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+.

Катаболизм жиров и  жирных кислот бактериями. Эндогенный энергетический метаболизм бактерий. Жиры (сложные эфиры глицерина  и жирных кислот) и воска (сложные  эфиры жирных кислот и одноатомных  спиртов) — восстановленные субстраты  и доступны бактериям в качестве источников энергии. Первоначально  эфиры жирных кислот гидролизуются до глицерина или одноатомного спирта и свободных жирных кислот (гидролиз катализируют внутри- и внеклеточные липазы). После фосфорилирования глицерин может включаться в гликолитический путь и утилизироваться с образованием АТФ.

Жирные кислоты метаболизируются через каскад окислительных реакций. Цель этих превращений — образование ацетил-КоА, вступающего в цикл Крёбса.

 

 Эндогенный энергетический  метаболизм Большинство бактерий  способно длительно выживать  при отсутствии экзогенных источников  энергии. При этом бактерии  нередко проявляют признаки активного  метаболизма (например, сохраняют  подвижность). Это связано со способностью  бактерий продуцировать энергию  окислением внутриклеточных компонентов.

Основные внутриклеточные  эндогенные источники энергии —  ЛПС,  липиды и поли-В-масляная кислота. Они расщепляются деполимеризующими  ферментами до мономеров, которые включаются в вышеперечисленные пути.  Эффективность подобных превращений может быть выше традиционных.  Например, при гликолизе внутриклеточного крахмала или гликогена на 1  моль глюкозы образуется 3 моля АТФ, а не 2, как при простом включении глюкозы в этот путь. Это объясняется тем, что в результате расщепления  крахмала с помощью а-1,4-глюканфосфорилазы (фосфоролиза) образуется  глюкозо-1-фосфат, превращающийся в глюкозо-6-фосфат ещё до вступления в путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Следовательно, АТФ не затрачивается на  его образование, и, значит, общий выход АТФ выше.

Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные  соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот  и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом.

 Углеродные соединения  для биосинтетических реакций  бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита.

 

 Биосинтез аминокислот  и белков бактериями Аминокислоты. Большинство свободно живущих  бактерий способно  синтезировать  все необходимые им аминокислоты. Теоретически все 20  необходимых  аминокислот могут находиться  в окружающей среде и быть  доступными для утилизации. Кроме  того, бактерии способны получать  аминокислоты из белковых молекул,  расщепляя их бактериальными  протеазами  и пептидазами. Образующиеся  при этом олигопептиды и аминокислоты  транспортируются в клетку, где включаются в биосинтетические пути либо  расщепляются на низкомолекулярные продукты. Паразитические бактерии  потребляют готовые аминокислоты из организма хозяина. Бактериям,  культивируемым на питательных средах, содержащих только неорганические  источники азота или ограниченное количество аминокислот, приходится  синтезировать некоторые из них (или даже все) из доступных  азотсодержащих соединений. Основное назначение источников азота —  поступление в бактериальную клетку «сырья» для формирования аминных  (NH2) и иминных (NH) групп в молекулах аминокислот, нуклеотидов,  гетероциклических оснований и других химических компонентов.

При этом азотсодержащие вещества, помимо сырья для пластического  обмена, могут включаться в энергетический метаболизм (например, у анаэробов  некоторые аминокислоты могут образовывать окислительно-восстановительные системы). Наиболее доступные минеральные источники азота в природе — аммонийный ион (NH4+) и аммиак (NH3), легко проникающие в клетки и просто трансформирующиеся в амино- и иминогруппы, Основные исходные соединения для синтеза аминокислот — пируват (образуется в гликолитическом цикле), а-кетоглутарат и фумарат {образуются в ЦТК). При синтезе молекул аминокислот атом азота вводится на последних этапах биосинтеза путём переаминирования; лишь L-аланин, L-глутамат и аспартат образуются через прямое аминирование.

Пептиды и белки. Бактериальная  клетка способна синтезировать  несколько  тысяч различных белков, каждый из которых содержит в среднем  200 аминокислотных остатков. Информация, направляющая синтез этих  белков, закодирована в последовательности нуклеотидов  ДНК. Синтез  полипептидной цепи происходит в цитоплазме клетки на  рибонуклеопротеидных частицах (рибосомах) в сочетании с молекулой мРНК  или информационной РНК (иРНК), которая синтезируется на матрице ДНК в процессе транскрипции.

Бактериальная рибосома обладает массой 2,7*106 Д и состоит на 65% из рибосомной РНК (рРНК) и на 35% из белка (примерно 50  различных белков). Информация, содержащаяся в молекулах мРНК,  транслируется в полипептидную цепь при участии особого класса молекул РНК, известных как тРНК. Многофункциональность тРНК позволяет им  присоединяться к определённым аминокислотам, связываться с рибосомой и узнавать определённые последовательности из трёх нуклеотидов (кодон) в составе мРНК. Узнаваемый кодон соответствует конкретной аминокислоте;  нужная аминокислота «подаётся» при помощи узнающей её молекулы тРНК к концу растущей полипептидной цепочки. Так растёт будущая молекула белка.

 

 

 

 

 

Гликолиз. Гликолитический  путь окисления. Путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса.

 

Гликолитический путь (гликолиз, путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса, фруктозо-1,6-дифосфатный путь) доминирует у большинства аэробных и анаэробных микроорганизмов — 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.

 

 

Пентозофосфатный путь окисления. Схема Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера.

 

Пентозофосфатный путь (схема  Варбурга-Диккенса-Хореккера-Рэкера, 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 С02 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+.

 

 

 

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+. 
Катаболизм жиров и жирных кислот бактериями. Эндогенный энергетический метаболизм бактерий. Жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот) ивоска (сложные эфиры жирных кислот и одноатомных спиртов) — восстановленные субстраты и доступны бактериям в качестве источников энергии. Первоначально эфиры жирных кислот гидролизуются до глицерина или одноатомного спирта и свободных жирных кислот (гидролиз катализируют внутри- и внеклеточные липазы). После фосфорилирования глицерин может включаться в гликолитический путь и утилизироваться с образованием АТФ. 
Жирные кислоты метаболизируются через каскад окислительных реакций. Цель этих превращений — образование ацетил-КоА, вступающего в цикл Крёбса. 
 
 Эндогенный энергетический метаболизм Большинство бактерий способно длительно выживать при отсутствии экзогенных источников энергии. При этом бактерии нередко проявляют признаки активного метаболизма (например, сохраняют подвижность). Это связано со способностью бактерий продуцировать энергию окислением внутриклеточных компонентов. 
Основные внутриклеточные эндогенные источники энергии — ЛПС,  липиды и поли-В-масляная кислота. Они расщепляются деполимеризующими  ферментами до мономеров, которые включаются в вышеперечисленные пути.  Эффективность подобных превращений может быть выше традиционных.  Например, при гликолизе внутриклеточного крахмала или гликогена на 1  моль глюкозы образуется 3 моля АТФ, а не 2, как при простом включении  глюкозы в этот путь. Это объясняется тем, что в результате расщепления  крахмала с помощью а-1,4-глюканфосфорилазы (фосфоролиза) образуется  глюкозо-1-фосфат, превращающийся в глюкозо-6-фосфат ещё до вступления в  путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Следовательно, АТФ не затрачивается на  его образование, и, значит, общий выход АТФ выше. 
Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные  соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот  и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом. 
 Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита. 
 
 Биосинтез аминокислот и белков бактериями Аминокислоты. Большинство свободно живущих бактерий способно  синтезировать все необходимые им аминокислоты. Теоретически все 20  необходимых аминокислот могут находиться в окружающей среде и быть  доступными для утилизации. Кроме того, бактерии способны получать аминокислоты из белковых молекул, расщепляя их бактериальными протеазами  и пептидазами. Образующиеся при этом олигопептиды и аминокислоты  транспортируются в клетку, где включаются в биосинтетические пути либо  расщепляются на низкомолекулярные продукты. Паразитические бактерии  потребляют готовые аминокислоты из организма хозяина. Бактериям,  культивируемым на питательных средах, содержащих только неорганические  источники азота или ограниченное количество аминокислот, приходится  синтезировать некоторые из них (или даже все) из доступных  азотсодержащих соединений. Основное назначение источников азота —  поступление в бактериальную клетку «сырья» для формирования аминных  (NH2) и иминных (NH) групп в молекулах аминокислот, нуклеотидов,  гетероциклических оснований и других химических компонентов. 
При этом азотсодержащие вещества, помимо сырья для пластического обмена, могут включаться в энергетический метаболизм (например, у анаэробов некоторые аминокислоты могут образовывать окислительно-восстановительные системы). Наиболее доступные минеральные источники азота в природе — аммонийный ион (NH4+) и аммиак (NH3), легко проникающие в клетки и просто трансформирующиеся в амино- и иминогруппы, Основные исходные соединения для синтеза аминокислот — пируват (образуется в гликолитическом цикле), а-кетоглутарат и фумарат {образуются в ЦТК). При синтезе молекул аминокислот атом азота вводится на последних этапах биосинтеза путём переаминирования; лишь L-аланин, L-глутамат и аспартат образуются через прямое аминирование. 
Пептиды и белки. Бактериальная клетка способна синтезировать  несколько тысяч различных белков, каждый из которых содержит в среднем  200 аминокислотных остатков. Информация, направляющая синтез этих  белков, закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК. Синтез  полипептидной цепи происходит в цитоплазме клетки на  рибонуклеопротеидных частицах (рибосомах) в сочетании с молекулой мРНК  или информационной РНК (иРНК), которая синтезируется на матрице ДНК в  процессе транскрипции. 

 

 

 

Вывод уж как нибудь сооруди.. Типа в ходе работы, мы выяснили сколько типов ферментов перерабатывают бактерии их пути и пр..