6.1. Общая характеристика энергетического метаболизма
Ранее было отмечено, что по отношению к энергетическим источни-
кам все микроорганизмы подразделяются на две группы: хемотрофные и
фототрофные. Хемотрофные микроорганизмы используют для синтеза
молекул АТФ энергию, освобождаемую в результате химических реак-
ций, фототрофные – световую энергию в процессе протекания фотосин-
теза.
Синтез молекул АТФ из АДФ и фосфатов может происходить двумя
способами:
• фосфорилированием в дыхательной или фотосинтетической элек-
тронтранспортной цепи. Этот процесс у прокариот связан с мембранами
или их производными, поэтому его называют мембранным фосфорили-
рованием. Синтез АТФ в данном случае происходит при участии фер-
мента АТФ-синтазы:
АДФ + Фн АТФ;
• фосфорилированием на уровне субстрата. При этом фосфатная
группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого
энергией, чем АТФ:
S ~ Ф + АДФ S + АТФ.
Такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфо-
рилирования. В клетке реакции субстратного фосфорилирования не свя-
заны с мембранными структурами и катализируются растворимыми
ферментами промежуточного метаболизма.
У хемотрофных бактерий генерация энергии в молекулах АТФ сво-
дится к двум типам биохимических реакций: окисления и восстановле-
ния. Окисляться микроорганизмами могут самые разнообразные органи-
ческие и неорганические вещества, являющиеся донорами электронов.
Поскольку электроны не могут самостоятельно существовать, они обяза-
тельно должны быть перенесены на молекулы, способные их восприни-
мать. Такие молекулы называются акцепторами электронов. Донором
электронов не может быть предельно окисленное вещество, а их акцеп-
тором – предельно восстановленное. При биологическом окислении ча-
ще всего происходит одновременный перенос двух электронов; при этом
от субстрата отщепляются также два протона (Н+). Такое окисление суб-
страта, происходящее с отщеплением двух протонов и двух электронов,
называется дегидрированием. Поэтому нередко термины «донор водоро-
да» и «донор электронов» употребляются как синонимы.
Все окислительно-восстановительные реакции энергетического мета-
болизма у хемотрофных микроорганизмов можно разделить на три типа:
• аэробное дыхание, или аэробное окисление;
• анаэробное дыхание;
• брожение.
Основной процесс энергетического метаболизма многих прокариот –
аэробное дыхание, при котором донором водорода или электронов яв-
ляются органические (реже неорганические) вещества, а конечным ак-
цептором – молекулярный кислород. Основное количество энергии при
аэробном дыхании образуется в электронтранспортной цепи, т. е. в ре-
зультате мембранного фосфорилирования.
Анаэробное дыхание – цепь анаэробных окислительно-восстано-
вительных реакций, которые сводятся к окислению органического или
неорганического субстрата с использованием в качестве конечного ак-
цептора электронов не молекулярного кислорода, а других неорганиче-
ских веществ (нитрата – , нитрита – , сульфата – , сульфита, а также органических веществ (фумарата и др.). Мо-
лекулы АТФ в процессе анаэробного дыхания образуются в основном в
электронтранспортной цепи, т. е. в результате реакций мембранного
фосфорилирования, но в меньшем количестве, чем при аэробном дыха-
нии.
Брожение – совокупность анаэробных окислительно-восстанови-
тельных реакций, при которых органические соединения служат как до-
норами, так и акцепторами электронов. Как правило, доноры и акцепто-
ры электронов образуются из одного и того же субстрата, подвергающе-
гося брожению (например, из углевода). Сбраживанию могут подвер-
гаться различные субстраты, но лучше других используются углеводы.
АТФ при брожении синтезируется в результате реакций субстратного
фосфорилирования.
Наиболее выгодным типом окислительно-восстановительных реак-
ций у бактерий, в результате которых генерируется наибольший запас
энергии в виде молекул АТФ, является аэробное дыхание. Наименее вы-
годным типом энергодающих реакций является брожение, сопровож-
дающееся минимальным выходом АТФ.
Поскольку большинство микроорганизмов в качестве источника
энергии использует углеводы, и в первую очередь глюкозу, рассмотрим
основные пути ее расщепления или катаболизма.
У бактерий возможны три пути катаболизма глюкозы:
1) гликолиз, или фруктозодифосфатный путь, или путь Эмбдена –
Мейергофа – Парнаса (по имени исследователей, внесших большой
вклад в изучение этого процесса);
2) окислительный пентозофосфатный путь, или гексозомонофосфат-
ный путь, или путь Варбурга – Диккенса – Хореккера;
3) 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь (КДФГ-путь), или
путь Энтнера – Дудорова.
Следует отметить, что все перечисленные пути катаболизма глюкозы
у микроорганизмов могут протекать при разных типах энергетического
метаболизма (аэробное дыхание, анаэробное дыхание, брожение).
Все пути катаболизма начинаются с того, что глюкоза, поступившая в
клетку, сначала фосфорилируется при участии фермента гексокиназы и
АТФ как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат, который пред-
ставляет метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит ис-
ходным соединением для любого из трех путей катаболизма углеводов.
Пути расщепления глюкозы состоят из многих биохимических реак-
ций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом.
Наиболее распространенным путем катаболизма глюкозы у многих
микроорганизмов является гликолиз. При этом глюкозо-6-фос-
фат изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы и фосфорили-
руется далее в фруктозо-1,6-дифосфат, который затем расщепляется на
3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон. Послед-
ний под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в
3-ФГА. Таким образом, из одной молекулы глюкозы образуются две мо-
лекулы 3-ФГА. На эти реакции превращения глюкозы в 3-ФГА затрачи-
вается энергия двух молекул АТФ. Далее происходит окисление каждой
молекулы 3-ФГА до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК).
1,3-ФГК – высокоэнергетическое соединение, содержащее макроэр-
гическую фосфатную связь, реагирует с АДФ (фермент фосфоглицерат-
киназа), отдавая высокоэнергетическую фосфатную группу, в результате
чего синтезируется молекула АТФ.
Таким образом, энергия, освободившаяся при окислении 3-ФГА, пу-
тем субстратного фосфорилирования оказывается аккумулированной в
молекуле АТФ. Образуется 3-фосфоглицериновая кислота (3-ФГК).
Далее 3-ФГК под действием фермента фосфоглицеромутазы превра-
щается в 2-ФГК, из которой в результате отщепления воды образуется
фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП). Это также высокоэнергети-
ческий фосфат, с которого богатая энергией фосфатная группа перено-
сится пируваткиназой на АДФ, образуется молекула АТФ и пировино-
градная кислота (ПВК). Это второе фосфорилирование на уровне суб-
страта.
Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется че-
тыре молекулы АТФ, в которых аккумулируется освободившаяся энер-
гия. Поскольку в начале процесса на активирование глюкозы были за-
трачены две молекулы АТФ, чистый выход АТФ на одну молекулу глю-
козы составляет две молекулы. Суммарное уравнение гликолиза можно
записать следующим образом:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн + 2НАД 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2НАД · Н2
Пентозофосфатный путь расщепления углеводов характерен для
некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae, а также для ге-
тероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых масляно-
кислых бактерий. В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путем
активирования глюкозы молекулой АТФ, превращается через ряд про-
межуточных реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подверга-
ется окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-
фосфата, СО2 и НАДФ · Н2 . Рибулозо-5-фосфат включается в сложный
цикл, приводящий к образованию из трех его молекул двух молекул глю-
козо-6-фосфата и одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.
Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл, а 3-ФГА может быть
превращен в пировиноградную кислоту.
С энергетической точки зрения этот путь катаболизма углеводов в 2
раза менее эффективен, чем гликолитический, так как при окислении од-
ной молекулы глюкозы образуется только одна молекула АТФ. Однако
большое значение этого пути в том, что он обеспечивает клетки бактерий
пентозами (рибулозо-5-фосфатом), которые являются предшественника-
ми нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, в этом цикле обра-
зуются две молекулы НАДФ · Н2, которые необходимы клетке для вос-
становительных реакций биосинтеза.
Путь Энтнера – Дудорова встречается у прокариот реже других. Он
характерен в основном для псевдомонад и уксуснокислых бактерий. От
пентозофосфатного пути он отличается тем, что 6-фосфоглюконовая ки-
слота превращается в пировиноградную кислоту и 3-ФГА. Последний
может превращаться в пировиноградную кислоту. Из одной молекулы
глюкозы при функционировании этого пути синтезируется одна молеку-
ла АТФ, по одной молекуле НАДФ · Н2 и НАД · Н2. Следует подчеркнуть,
что путь Энтнера – Дудорова является самым кратчайшим механизмом
расщепления углеводов до пировиноградной кислоты.
Таким образом, рассмотрев пути катаболизма глюкозы, мы можем
заключить, что важнейшим продуктом, образующимся в них, является
пировиноградная кислота, которая подвергается дальнейшим превраще-
ниям. Пируват занимает центральное положение в метаболизме клеток и
может служить предшественником многих продуктов.
|