Общие сведения об энергетическом метаболизме микроорганизмов

Рис. 1. Общая схема метаболизма.

Дыхание в широком смысле – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окисление одного субстрата сопровождается восстановлением другого. Для аэробных гетеротрофов, к которым относимся и мы с вами, донорами электронов (восстановителями) служат органические вещества, а акцептором (окислителем) – молекулярный кислород.

Начальной стадией энергетического метаболизма служит окисление полученных с пищей веществ (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот и глицерола) до пирувата (соль пировиноградной кислоты). Для глюкозы здесь возможны три альтернативные метаболические пути: гликолиз, пентозофосфатный путь (пентозофосфатный шунт), КДФГ-путь (путь Энтнера-Дудорова, 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный). Их функции не только энергетические, но и биосинтетические (промежуточные вещества используются в синтезе других метаболитов клетки). Энергетическая функция первой стадии проявляется в синтезе ATP путем субстратного фосфорилирования – прямого переноса фосфатной группы с высокоэнергетического промежуточного соединения на ADP. Кроме того, в результате окисления углеводов происходит образование восстановленных форм никотиновых нуклеотидов – NADH, NADPH. В таком виде эти соединения служат восстановительными эквивалентами - используются затем в биосинтетических процессах, где требуется восстановление субстратов, - а также поставляют электроны в электронтранспортную цепь дыхания (далее – ЭТЦ).

После выработки пирувата его дальнейшая судьба бывает различна. Один из вариантов последующих изменений - полное окисление до углекислого газа и воды. Так, пируват, проходя пируват-дегидрогеназный комплекс, превращается в ацетил-кофермент А, который поступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) и окисляется в нем до углекислого газа. Образовавшиеся в результате этого процесса восстановительные эквиваленты поставляют электроны в ЭТЦ дыхания.

В ЭТЦ частицы проходят ряд белковых и небелковых переносчиков электронов, имеющих специальные химические группы, способные окисляться и восстанавливаться (гемы, хиноны, атомы железа в железосерных кластерах, атомы меди). После контакта с этими и другими элементами итогом существования электронов должно стать их полное окисление, т. е. для электронов в ЭТЦ необходим конечный акцептор. В случае аэробного дыхания (как у нас с вами) им является кислород, который восстанавливается до воды. Для бескислородного же, анаэробного дыхания конечным акцептором электронов могут являться разные неорганические вещества, такие как нитрат, нитрит, сера, сульфат, трехвалентное железо, а также некоторые органические вещества (например, фумарат, диметилсульфоксид).

И в аэробном, и в анаэробном дыхании участвует ЭТЦ! (хотя ее строение различно для каждого из этих типов)

Энергия окислительно-восстановительных превращений в ЭТЦ расходуется на создание протонного градиента – разности концентраций H⁺ с двух сторон мембраны (некоторые микроорганизмы вместо протонов используют ионы натрия). Протонный градиент аккумулирует в себе энергию: протоны стремятся выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны под действием диффузии и электростатического отталкивания (однако мембрана слабо проницаема для протонов). Мембранный фермент АТР-синтаза использует энергию этого «аккумулятора» для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата: она образует канал для протонов, и, проходя через него, протоны совершают работу по синтезу АТР. Данный процесс называется окислительным фосфорилированием (ср. с субстратным фосфорилированием на первой стадии). В ходе окислительного фосфорилирования задействуются ЭТЦ, протонный градиент, АТР-синтаза.

Таким образом, дыхание в узком смысле – это перенос электронов по ЭТЦ, сопровождаемый запасанием энергии в виде протонного градиента (и затем – посредством окислительного фосфорилирования).

Наравне с полным возможно и неполное окисление пирувата без участия ЭТЦ. Обеспечивающие его процессы называют брожениями. Брожение происходит и у прокариот, и у эукариот (и даже у нас с вами).

Брожение. Отличие от дыхания. Функции брожения

Брожение – это энергетический метаболизм, осуществляемый в анаэробных условиях без участия неорганических акцепторов электронов. В более узком смысле брожение можно определить как бескислородное преобразование пирувата.

Субстраты брожения имеют среднюю степень окисления (они не полностью окислены и не полностью восстановлены). Так, например, пируват может подвергаться брожению, а высокоокисленные (углекислый газ) и высоковосстановленные соединения (углеводы, жирные кислоты) - нет.

У большинства типов брожения субстрат служит одновременно и донором, и акцептором электронов.

При брожении ATP синтезируется путем субстратного фосфорилирования. Таким образом, в брожении не участвует ЭТЦ, что является основным отличием брожения от дыхания. Разница между ними состоит также в том, что при брожении окисление субстрата неполное (распада до углекислого газа, как при дыхании, не происходит).

Восстановительные эквиваленты при брожении не образуются, а обычно, наоборот, расходуются. Это определяет важную роль брожения в метаболизме. Когда все присутствующие в клетке окисленные формы NAD⁺ восстанавливаются, а ЭТЦ не успевает с ними справиться, гликолиз останавливается. Однако протекание гликолиза и других путей первичного окисления глюкозы жизненно необходимо для клетки (синтез ATP и промежуточных веществ для биосинтезов). Чтобы позволить гликолизу работать дальше, нужно окислить восстановительные эквиваленты и создать новый запас их окисленных форм. Вот тут и помогает брожение.

Таким образом, у брожения две основных функции: энергетическая (синтез АТP) и защита от остановки гликолиза (окисление избытка восстановленных восстановительных эквивалентов).

Основные типы брожения

Каждый из них мы будем характеризовать по следующему плану:

1. Субстрат и путь его образования;
2. Основные продукты;
3. Основные реакции;
4. Микроорганизмы, осуществляющие данный тип брожения, и использование данного типа брожения в биотехнологии.

Спиртовое брожение

1. Исходным субстратом является пируват. Он образуется из глюкозы путем гликолиза (дрожжи) или по КДФГ-пути (бактерия Zymomonas mobilis).

2. Основным и фактически единственным продуктом данного типа брожения, как видно из его названия, является этанол. Однако также возможны искусственные модификации дрожжевого брожения, при которых образуются глицерол или глицерол и ацетат.

3. Спиртовое брожение состоит из двух основных реакций. Вначале пируват декарбоксилируется до ацетальдегида под действием фермента пируватдекарбоксилазы, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола (на одну молекулу ацетальдегида затрачивается 1 NADH).

Рис. 2. Спиртовое брожение у дрожжей.

Если в среду, где растут дрожжи, добавить вещество, связывающее ацетальдегид (таким веществом является бисульфит натрия: его производные альдегидов выпадают в осадок, это качественная реакция на альдегиды), то вместо ацетальдегида акцептором водорода станет дигидроксиацетонфосфат (промежуточный продукт гликолиза) и в результате будет образован глицерол. Такой способ применяют в промышленности.

4. Данный тип брожения характерен как для прокариот, так и для эукариот.

Самым типичным представителем являются грибы-аскомицеты дрожжи (например, Saccharomyces cerevisiae – пекарские дрожжи). Общеизвестно, что дрожжи применяют в хлебопечении, а также в изготовлении кваса, алкогольных напитков (пива, вина и других) и кисломолочных продуктов (кефир, кумыс). Помимо этого, стоит сказать, что дрожжи входят в состав так называемого «чайного гриба» и, как уже было отмечено, могут производить глицерин.

В присутствии кислорода пекарские дрожжи переключаются на аэробный метаболизм и не производят спирт. Аэробный метаболизм оказывается гораздо выгодней энергетически, чем анаэробный, т. к. при наличии кислорода дрожжи лучше растут. Это явление называется эффектом Пастера.

Этанол является токсичным для живых организмов, в том числе и для дрожжей (влияет на клеточные мембраны). Наибольшие концентрации спирта выдерживают дрожжи, используемые при производстве рисовой водки сакэ.

Рис. 3. Saccharomyces cerevisiae: слева – вид под световым микроскопом, справа – срез под электронным.

Спиртовое брожение протекает не только в дрожжах, но и, в частности, в растительных клетках. Оно происходит в тех органах, которые испытывают дефицит кислорода (дефицит может возникнуть при прорастании семян в почве, при затоплении корней растения и т. д.).

Бактерии также осуществляют спиртовое брожение. Например, в промышленности используют бактерию Zymomonas mobilis, которая сбраживает сок тропического растения агавы, в результате чего получают алкогольный напиток текилу.

Молочнокислое брожение

В зависимости от получаемых в ходе него продуктов молочнокислое брожение делится на два типа: гомоферментативное и гетероферментативное. Рассмотрим их отдельно.

Гомоферментативное молочнокислое брожение

1. Субстратом является пируват, образующийся из гексоз путем гликолиза.

2. Единственным продуктом является лактат (соль молочной кислоты).

3. Пируват под действием фермента лактат-дегидрогеназы восстанавливается до лактата. При этом расходуется 1 NADH на одну молекулу пирувата.

 

Рис. 4. Гомоферментативное молочнокислое брожение.

4. Данное брожение характерно для бактерий родов Lactobacillus, Streptococcus. Это грамположительные бактерии.

Рис. 5. Lactobacillus.

Также молочнокислое брожение происходит в клетках растений. Как и спиртовое брожение, оно осуществляется в случае недостатка кислорода в корнях, прорастающих семенах.

У позвоночных метаболизм глюкозы до стадии образования лактата протекает при сильном и кратковременном мышечном напряжении, когда кислород не успевает поступать в мышцы с достаточной скоростью (например, при спринтерском беге).

У человека молочнокислое брожение имеет место в эритроцитах, сперматозоидах и других клетках.

В промышленности этот тип брожения используется при производстве кисломолочной продукции, а также при консервации продуктов питания (квашение). Консервация основана на том, что рост микроорганизмов замедляется при низких рН.

Гетероферментативное молочнокислое брожение

1. Субстратом являются гексозы, которые сбраживаются через пентозофосфатный путь.

2. Лактата образуется только 50%. Другими продуктами являются ацетат, этанол. Бактерии интенсивно выделяют углекислый газ в виде пузырьков.

3. Сахара по пентозофосфатному пути превращаются в ксилулозо-5-фосфат, расщепляемый затем на пируват и ацетилфосфат. Пируват восстанавливается до лактата, а ацетилфосфат может преобразовываться в этанол или ацетат.

4. Данный тип брожения осуществляют различные молочнокислые бактерии (например, некоторые виды рода Lactobacillus). Также оно может проходить благодаря бифидобактериям, которые являются важнейшим компонентом кишечной микрофлоры грудных детей, сдерживающим рост гнилостных бактерий.

Рис. 6. Гетероферментативное молочнокислое брожение. Цифрой 1 обозначен фермент фосфокетолаза-2.

Рис. 7. Бифиобактерии: слева – под световым микроскопом, справа – под сканирующим электронным. Видна их характерная особенность: при делении клетки они образуют V-образные структуры.

Пропионовокислое брожение

1. Субстратом является пируват, образующийся в гликолизе.

2. Основным продуктом является пропионат; кроме того, образуются и другие органические кислоты (ацетат, сукцинат, лактат). Выделяется углекислый газ.

3. Основная реакция:

1,5 глюкоза = 2 пропионат + ацетат + CO₂

4. Пропионовое брожение происходит при дозревании некоторых твердых сортов сыра. Образующаяся пропионовая кислота придает сыру острый вкус, а газ формирует «дырки». Более того:

- Пропионовокислые бактерии продуцируют витамины группы В (например, В₁₂).

- Рассматриваемый тип брожения используется при производстве хлебных заквасок, при силосовании. Пропионовая кислота удлиняет срок хранения хлеба и кормов.

- Некоторые пропионовые бактерии могут метаболизировать углеводороды.

Смешанное (муравьинокислое) брожение

1. Путем гликолиза глюкоза превращается в пируват.

2. Образуется этанол и сложная смесь органических кислот (ацетат, лактат, сукцинат, формиат). Формиат затем расщепляется на молекулярный водород и углекислый газ.

3. Глюкоза = сукцинат + лактат + ацетат + формиат + этанол + бутан-диол + CO₂ + H₂ + H⁺

4. Смешанное брожение характерно для энтеробактерий и бацилл (это грамотрицательные палочки). К ним относятся Escherichia coli, а также возбудители пневмонии, тифов, дизентерии, сальмонеллеза, холеры, чумы.

Рис. 8. E.coli: слева – под световым микроскопом, справа – под сканирующим электронным.

Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение

1. Глюкоза превращается в пируват (гликолиз).

2. Продукты - бутират (масляная кислота) и другие органические кислоты, а также ацетон, бутанол, этанол. Выделяются углекислый газ и водород.

3. Схема описываемого типа брожения достаточно сложна и для олимпиад не требуется.

Ввиду этого мы лишь заметим, что можно выделить две его стадии. На первой стадии образуются кислые продукты (органические кислоты), рН среды сильно падает. На второй стадии кислоты превращаются в ацетон и спирты, и рН возвращается к нормальным значениям.

4. Указанное брожение осуществляется группой микроорганизмов, называемых клостридии. Клостридии - это грамположительные анаэробы (строгие или факультативные), которые бывают как свободноживущими (в почве), так и симбионтами (в ЖКТ) и в ряде случаев являются возбудителями заболеваний (например, к клостридиям относятся возбудители газовой гангрены, ботулизма, столбняка).

Возбудитель ботулизма зачастую развивается в анаэробных условиях в плохо приготовленных мясных и грибных консервах, поэтому следует быть осторожными и не употреблять в пищу консервы из вздутых банок. Столбняком можно заразиться при попадании почвы на открытые раны. Возбудители обеих болезней – ботулизма и столбняка - образуют опаснейшие нейротоксины.

Рис. 9. Клостридии. Эти бактерии способны образовывать споры – структуры, позволяющие выжить, избежав воздействия неблагоприятных условий.

Рис. 10. Один из симптомов столбняка – сильные и длительные (тетанические) сокращения мышц.

Рис. 11. Будьте осторожны и не употребляйте в пищу вздувшиеся консервы! Они могут содержать возбудителей ботулизма.

Итоги

По определению Л. Пастера, брожение – это жизнь без кислорода. Вместе с тем брожение - не единственный анаэробный процесс: существует также и анаэробное дыхание, при котором происходит транспорт электронов по ЭТЦ и накопление протонного градиента.

Рис. 12. Луи Пастер. В середине XIX века впервые доказал, что спиртовое брожение – это не просто цепь химических реакций, а процесс, напрямую связанный с жизнедеятельностью дрожжевых грибков.

Брожение происходит на основе различных субстратов. Наравне с пируватом в качестве начального субстрата выступают, как мы уже видели, и пентозы (получающиеся пентозофосфатным путем). Используя исходное вещество, бактерии могут сбраживать глицерол, цитрат и другие низкомолекулярные органические соединения. Помимо них и начальных субстратов, субстратами брожений служат и аминокислоты (характерно для клостридий).

В результате брожений производятся разнообразные органические вещества – кислоты, спирты, а также углекислый газ и водород. На часть процессов расходуются восстановленные восстановительные эквиваленты. В ходе некоторых реакций происходит синтез АТP.

Нужно помнить, что реальный метаболизм сложно описать простыми схемами. Характерную трудность создает, в частности, то, что основные участники метаболизма (глюкоза, пируват, лактат, сукцинат, ацетат и др.) задействованы в клетке во множестве процессов. Из-за подобных особенностей в разных учебниках при описании обмена веществ могут быть указаны разные последовательности реакций.

---

Вопросы из регионального и заключительного этапа ВОШ

Вопросы с одним правильным ответом:

1) Пропионовые бактерии практически никогда не используются в:

а) сыроделии;

б) хлебопечении;

в) фармакологии;

г) процессе очистки морской воды от нефтяных загрязнений.

2) Чтобы предотвратить порчу продуктов питания под действием бактерий, необходимо:

а) исключить доступ углекислого газа к продуктам;

б) обеспечить неблагоприятные условия для жизни этих организмов;

в) предотвратить попадание на продукты прямых солнечных лучей;

г) ограничить доступ воздуха к продуктам.

3) Дрожжи, развиваясь без доступа кислорода на сахаристых средах, вызывают брожение:

а) молочнокислое;

б) маслянокислое;

в) спиртовое;

г) уксуснокислое.

4) Субстратное фосфорилирование происходит в ходе реакций:

а) бета-окисления жирных кислот;

б) цикла Кребса;

в) гидролитического расщепления белков;

г) переноса электронов переносчиками дыхательной цепи митохондрий.

5) Конечным продуктом бактериального брожения могут быть – I) этанол, II) этилен, III) этан, IV) ацетилен, V) ацетат:

а) I, V;

б) I, IV;

в) II, IV;

г) I, II, III, IV, V.

6) Способность бактерий к брожению применяется человеком в различных областях хозяйства и биотехнологии. Существует несколько типов брожения. Выберите утверждение, верное для всех вариантов брожения:

а) Все типы брожения свойственны только для грамположительных бактерий, так как без второй мембраны в клеточной стенке они не могут осуществлять дыхание.

б) В отличие от дыхания, все варианты брожения являются анаэробными процессами.

в) Все виды брожения применяются бактериями для получения нужных им продуктов, таких как спирты или кислоты.

г) Все типы брожения относятся к хемотрофному катаболизму.

7) Некоторые клостридии способны к образованию при брожении масляной кислоты, бутанола, изобутанола, ацетона и др. Состав продуктов брожения зависит от:

а) рН среды;

б) сбраживаемого сахара;

в) температуры;

г) соотношения в среде ионов К⁺ и Nа⁺.

8) В отношении факультативно анаэробных бактерий можно утверждать, что они:

а) могут использовать кислород;

б) не могут использовать кислород, но выдерживают его присутствие;

в) гибнут в присутствии кислорода;

г) все перечисленные утверждения верны.

9) Исключительной особенностью прокариотов (при сравнении с эукариотами) является:

а) образование ими спор;

б) способность жить в анаэробных условиях;

в) способность фиксировать атмосферный азот;

г) наличие среди представителей облигатных внутриклеточных паразитов.

10) В результате различных видов брожения образуются такие соединения, как:

1) метан;

2) уксусная кислота;

3) этанол;

4) СО₂;

5) этилен.

а) 1, 2, 3;

б) 1, 2, 4;

в) 2, 3, 4;

г) 3, 4, 5.

Вопросы со множественным выбором

11) Бактерии способны к реализации следующих биохимических процессов:

а) фотосинтеза;

б) хемосинтеза;

в) дыхания;

г) сбраживания сахаров;

д) азотфиксации.

12) Спиртовое брожение широко используется в хлебопечении, пивоварении и виноделии. В отношении спиртового брожения верным является утверждение о том, что:

а) дрожжи обеспечивают спиртовое брожение, так как у них нет митохондрий;

б) образование каждой молекулы этанола сопровождается выделением молекулы углекислого газа;

в) одна молекула сбраживаемой глюкозы обеспечивает образование 2 молекул АТФ;

 г) около 80% запасенной в молекуле глюкозы энергии выделяется при спиртовом брожении в виде тепла;

д) у дрожжей спиртовое брожение и гликолиз протекают одинаково до стадии превращения пировиноградной кислоты.

Вопросы по статье

1) Установите соответствие между микроорганизмами и способами использования человеком их биохимических процессов:

1. Сыроварение;

2. Изготовление текилы;

3. Изготовление кумыса;

4. Изготовление хлебной закваски.

А. Zymomonas mobilis;

Б. Saccharomyces;

В. Пропионовокислые бактерии;

Г. Lactobacillus.