Биохимия микроорганизмов

↑Классификация микроорганизмов по отношению к количеству и качеству питательных веществ

Разные микроорганизмы предъявляют различные требования к количеству питательного субстрата в среде обитания. По отношению к количеству углеродсодержащего органического питательного вещества представители мира микробов подразделяются на две группы. Для олиготрофов оптимальны низкие концентрации питательных веществ (от долей до 100 мг в л), а обычные для лабораторных сред количества (от 1 до 100 г в л) лимитируют их рост. При таких концентрациях растут микроорганизмы-копиотрофы. Истинно олиготрофными считаются организмы, эволюционно приспособленные к эксплуатации экониш с постоянно низкими потоками вещества и энергии. Такой рост обеспечивается высокоэффективными транспортными системами и экономным расходованием полученного вещества и энергии. Для олиготрофов характерны:

• аэробность,
• высокое соотношение поверхности к объему, образование различных выростов,
• малые размеры,
• отсутствие покоящихся стадий,
• высокое сродство к субстрату,
• транспортные системы с широкой субстратной специфичностью, одновременное поглощение всех доступных субстратов,
• способность к накоплению резервных веществ,
• высокая гибкость катаболизма,
• низкие скорости роста в оптимальных условиях,
• регуляция анаболизма скоростью поглощения веществ,
• низкие скорости эндогенного метаболизма. Высокие концентрации питательных веществ ингибируют рост истинных олиготрофов.

По способности использовать полимерные соединения, часто нерастворимые в воде, микроорганизмы подразделяются на функциональные группы гидролитиков и диссипотрофов. Первые обладают мощными внеклеточными гидролазами, а разрушение высокомолекулярных соединений происходит при тесном контакте микробной клетки с поверхностью твердой частицы. Образующиеся при гидролизе растворимые в воде органические вещества служат питанием самим гидролитикам, а также микроорганизмам-диссипотрофам, не имеющим таких ферментов. Диссипотрофы (микрофлора рассеяния) потребляют те вещества, которые по тем или иным причинам не использованы гидролитиками, остались в незначительных количествах и «рассеялись» в окружающей среде.

 

↑Типы питания микроорганизмов

Способы питания микроорганизмов чрезвычайно разнообразны. Функциональные возможности конкретного микроорганизма зависят от наличия у него набора энергодающих и пластических реакций. В качестве основных признаков при определении типа питания (трофии) в микробиологии принято характеризовать источники энергии и углерода для синтезов и донор электронов (окисляемое вещество). Источниками энергии для микроорганизмов могут быть свет или восстановленные химические соединения. Микроорганизмы, живущие за счет энергии света и преобразовывающие ее в макроэргические связи молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), называются фототрофами. Этот процесс носит название фотосинтеза. Хемотрофия характеризуется использованием энергии химических реакций, в результате которых образуется АТФ. Такой процесс называют хемосинтезом. Органотрофы в качестве донора электронов применяют органическое вещество, а литотрофы - неорганическое. Микроорганизмы, использующие в качестве источника углерода в конструктивном обмене углерод углекислого газа, носят название автотрофов, а использующие готовые органические вещества - гетеротрофов. Углекислый газ они могут использовать как дополнительный источник углерода при гетеротрофной фиксации СО₂, однако осуществлять биосинтезы только за счет этого процесса гетеротрофы не способны. Обычно гетеротрофная фиксация СО₂ поставляет до 10% от всего ассимилированного углерода. Для более полного обозначения типа обмена веществ применяют составной термин, первая часть которого обозначает природу источника энергии (фото- или хемо-), вторая - указывает на донор электронов (лито- или органо-), а третья говорит об источнике углерода для конструктивного обмена (авто- или гетеро-). Комбинация этих признаков дает восемь вариантов типов питания.

Таблица.

Типы питания микроорганизмов.

Источник энергии	Донор электронов	Источник углерода
		Органические вещества	СО2
Свет	Органические вещества	Фотоорганогетеротрофия	Фотоорганоавтотрофия
	Неорганические вещества	Фотолитогетеротрофия	Фотолитоавтотрофия
Энергия химических связей	Органические вещества	Хемоорганогетеротрофия	Хемоорганоавтотрофия
	Неорганические вещества	Хемолитогетеротрофия	Хемолитоавтотрофия

 

Высшие животные и растения способны только к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии соответственно, тогда как у микроорганизмов представлены все типы метаболизма, к тому же многие из них способны к переключению на другой тип питания в зависимости от условий существования.

Набор потребляемых органических веществ у некоторых микроорганизмов очень широк (например, у представителей родов Pseudomonas и Actinomyces) или достаточно узок. Так, облигатные метилотрофы могут расти только на одноуглеродных соединениях. У некоторых микроорганизмов потребности в питании так сложны, что они способны развиваться только внутри клетки-хозяина (например, риккетсии и хламидии). В то же время, ряд микроорганизмов может употреблять сложные неприродные соединения (пластики, красители, пестициды и др.) в качестве источников энергии и углерода.

 

↑Проникновение веществ в микробную клетку

Первой стадией метаболизма того или иного вещества является его поглощение клеткой (транспорт). Прокариотические микроорганизмы, грибы и водоросли могут транспортировать внутрь клетки только вещества, растворенные в воде. Некоторые эукариоты способны поглощать из окружающей среды нерастворимые вещества в виде твердых кусочков или капель жидкостей, не смешивающихся с водой. Этот процесс носит название эндоцитоза. При фагоцитозе поглощаются твердые вещества, при пиноцитозе – жидкости. Среди микроорганизмов эндоцитоз могут осуществлять некоторые простейшие. Рядом с частицей пищи участок ЦПМ втягивается внутрь и замыкается, образуя вокруг нее вакуоль. Эта вакуоль, находясь в цитоплазме, сливается с лизосомой, содержащей набор гидролитических ферментов. В образовавшейся пищеварительной вакуоли частица пищи лизируется. Растворимые продукты гидролиза диффундируют в цитоплазму, а неразрушенные остатки экскретируются наружу путем, обратным эндоцитозу. У высших животных эндоцитоз сохранился в виде защитной функции поглощения чужеродных клеток фагоцитами, а обратный эндоцитозу процесс – при выделении гормонов.

У прокариот клеточная стенка и ЦПМ являются существенным препятствием для высокомолекулярных веществ. Поэтому такие соединения сначала расщепляются вне клетки на олиго- и мономеры соответствующими экзогидролазами. Они выделяются во внешнюю среду или располагаются на наружной стороне ЦПМ. У грамотрицательных бактерий эти ферменты могут быть локализованы в периплазматическом пространстве. Высокомолекулярные вещества в этом случае проникают в их периплазму через поры, образованные белками-поринами, находящимися в наружной мембране.

У микроорганизмов существует несколько принципиально различных способов поступления веществ в клетку. Все незаряженные молекулы (Н₂О, газы) могут поступать в клетку путем пассивной диффузии. В этом случае вещества с невысокой скоростью проникают в клетку по градиенту концентрации. Процесс не требует затрат энергии и происходит до тех пор, пока не наступит равновесие между содержанием данного вещества вне и внутри клетки. При облегченной диффузии скорость значительно увеличивается за счет участия специфических, часто индуцибельных, белков-переносчиков (пермеаз). Пермеазы либо расположены поперек мембраны, либо способны передвигаться через мембрану как в свободном, так и в связанном с транспортируемым веществом состоянии. Облегченная диффузия также не требует энергетических затрат и продолжается, пока есть градиент концентраций. Эукариотические клетки путем облегченной диффузии транспортируют различные сахара и аминокислоты. У прокариот (например, бактерий кишечной группы) путем облегченной диффузии переносится глицерол. Экскреция продуктов метаболизма у микроорганизмов, как правило, происходит также путем облегченной диффузии.

Микроорганизмы, часто живущие в бедных средах, вынуждены поглощать питательные вещества из разбавленных растворов. Поступление веществ в клетку против градиента концентрации происходит благодаря механизмам активного транспорта. Такие механизмы требуют затрат метаболической энергии. При работе многих мембранных ферментов происходит выброс протонов во внешнюю среду и образуется трансмембранный градиент протонов. Этот процесс носит название первичного транспорта. Протонный градиент в клетке всегда поддерживается на определенном уровне с помощью дыхания, фотосинтеза, брожения. Активный транспорт называют вторичным, поскольку он происходит за счет этого трансмембранного градиента протонов. У микроорганизмов известно несколько видов вторичного (активного) транспорта. При симпорте в одном направлении переносятся одновременно два вещества, при унипорте – одно, а антипорт предполагает движение двух веществ в противоположных направлениях.

Грамотрицательные микроорганизмы из-за наличия наружной мембраны имеют дополнительные компоненты транспортных систем для переноса вещества через периплазматическое пространство (связывающие белки). Эти высокоспецифичные растворимые белки образуют комплекс с субстратом на внутренней стороне внешней мембраны и пересекают периплазму, доставляя его на соответствующие пермеазы, которые с затратой энергии транспортируют субстрат внутрь клетки. Транспортные системы с участием связывающих белков имеются и у некоторых грамположительных микроорганизмов, но тогда связывающие белки «заякорены» своей N-концевой частью в ЦПМ.

 

↑Способы получения энергии у микроорганизмов

↑Основные стадии катаболизма

Подавляющее большинство высших организмов обладает аэробным дыханием, при котором органические вещества полностью окисляются в присутствии кислорода до углекислого газа и воды. У микроорганизмов возможности получения энергии значительно шире. Окисляемые ими органические субстраты намного разнообразнее, к тому же они могут использовать в качестве субстратов неорганические вещества. Варианты преобразования солнечной энергии у микроорганизмов многообразней, чем у высших растений.

Связь реакций катаболизма и анаболизма яснее прослеживается при гетеротрофном микробном метаболизме. Обычно центральным амфиболитом считают глюкозу, т.к. она первая из органических веществ образуется при фотосинтезе и она же может вступать в катаболизм для получения энергии. У микроорганизмов выявлены три пути окисления глюкозы. Гликолиз, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса встречается как у прокариот, так и у эукариот. В нем из молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, синтезируется 2 НАДН и 2 АТФ. Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный, или путь Варбурга-Диккенса-Хорекера) распространен у растений, а у микроорганизмов в большинстве случаев играет вспомогательную роль. В результате его реакций образуются важные интермедиаты для последующих синтезов, пируват, три молекулы пиридиннуклеотидов и 2 АТФ. Кетодезоксифосфоглюконатный путь (КДФГ-, или путь Энтнера-Дудорова) присущ только микроорганизмам и приводит к образованию двух молекул пирувата, 1 АТФ, 1 НАДФН и 1 НАДН на молекулу глюкозы. 

Далее пируват, полученный в реакциях одного из путей использования глюкозы, преобразуется в «активированную уксусную кислоту» (ацетил-КоА).

«Активированная уксусная кислота» затем поступает в окислительные циклы или участвует в процессах брожений. У дышащих микроорганизмов основным окислительным циклом является цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), или цикл Кребса. За один оборот цикла из ацетил-КоА образуется 2 молекулы углекислоты, 4 восстановительных эквивалента и 1 АТФ. Основной синтез АТФ происходит в электронтранспортной цепи (ЭТЦ), куда восстановленные коферменты передают электроны. ЦТК выполняет функцию не только конечного окисления питательных веществ, но и обеспечивает организм многочисленными предшественниками для процессов биосинтеза. При интенсивном отведении интермедиатов цикла Кребса в анаболические реакции выработка энергии снижается из-за существенного замедления скорости конечного окисления ацетил-КоА. Для восполнения количества отведенных промежуточных продуктов служат короткие обходные пути (анаплеротические реакции), наиболее распространенным из которых является глиоксилатный шунт. При росте на средах с органическими кислотами и другими углеродными соединениями (не сахарами), дополнительные реакции требуются не только для обеспечения работы ЦТК, но и для синтеза промежуточных продуктов глюконеогенеза.

↑Различные виды брожений и вызывающие их микроорганизмы

Брожением называют процесс образования АТФ в анаэробных условиях, при котором одна часть органического вещества окисляется, а другая – восстанавливается. Еще Л. Пастер определил брожение как жизнь без кислорода. Брожению подвергаются вещества, которые не полностью восстановлены и не полностью окислены. Существует несколько видов брожений, характерных для тех или иных групп микроорганизмов и приводящих к образованию различных конечных продуктов.

Исторически первым было изучено спиртовое брожение у дрожжей. Дрожжи, как и большинство грибов, осуществляют аэробное дыхание, однако в отсутствии кислорода они способны сбраживать углеводы до этанола и углекислоты: С₆Н₁₂О₆ → 2 СО₂ + 2 С₂Н₅ОН. При этом пируват образуется в процессе гликолиза. Дрожжевое спиртовое брожение происходит при температурах до 30^оС, а саморазогрев бродящей массы подавляет процесс.

Молочнокислое брожение осуществляют филогенетически неродственные микроорганизмы, объединяемые по признаку образования молочной кислоты. Это представители порядков Lactobacillales и Bacillales из класса “Bacilli” и члены семейства Bifidobacteriaceae из класса Actinobacteria. Они различны по морфологии, но все грамположительны и неподвижны. Они могут использовать лактозу, чем схожи с бактериями кишечной группы. Различают два варианта молочнокислого брожения. При гомоферментативном молочнокислом брожении сахара используются путем гликолиза, молочной кислоты образуется ~ 90% и только 10% приходится на другие продукты (ацетат, ацетоин, этанол). Так сбраживают сахара многие лактококки и лактобациллы. При гетероферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через пентозофосфатный путь, а лактата образуется ~ 50%. Такой тип брожения осуществляют лейконостоки, ряд лактобацилл, бифидобактерии и некоторые другие микроорганизмы. Бифидобактерии отличаются особой модификацией гетероферментативного молочнокислого брожения без образования этанола и выделения СО₂: 2 глюкоза → 2 лактат + 3 ацетат.

Пропионовокислое брожение осуществляют пропионовокислые бактерии, обитающие в рубце и кишечнике жвачных животных. Основная их часть относится к подпорядку Propionibacterineae из класса Actinobacteria. Это грамположительные, неподвижные бесспоровые палочки, способные осуществлять характерное "снеппинг"-деление с образованием из клеток «вилочек» и «заборчиков». Эта группа микроорганизмов интересна также тем, что у нее впервые в 1936 г. Харландом Вудом была обнаружена фиксация СО₂ в гетеротрофных условиях. Она заключается в том, что ферменты пируват- или ФЕП-карбоксилазы достраивают С₃-кислоты до С₄-кислот с помощью СО₂ (в том числе и экзогенного). Пропионовокислое брожение включает стадию гетеротрофной фиксации СО₂, а образование пропионовой кислоты происходит по метилмалонил-КоА-пути в соответствии с суммарной реакцией: 1½ глюкоза → 2 пропионат + ацетат + СО₂. В качестве кофакторов в брожении участвуют биотин и витамин В₁₂.

Смешанное (муравьинокислое) брожение приводит к образованию этанола и сложной смеси органических кислот (уксусной, молочной, янтарной, муравьиной и др.). Формиат сначала может накапливаться, а затем расщепляться с помощью гидрогенлиазы на Н₂ и СО₂. Такое брожение осуществляют микроорганизмы, объединенные в несколько родов: Escherichia, Klebsiella, Shigella, Salmonella, Erwinia, Proteus, Enterobacter, Serratia, входящих в порядок Enterobacteriales.

Сложное двухстадийное маслянокислое и ацетонобутиловое брожение осуществляют микроорганизмы рода Clostridium, относящегося к сем. Clostridiaceae. Его продуктами являются масляная и другие органические кислоты, а также ацетон, бутанол, этанол, изо-пропанол. Клостридии - это грамположительные палочки с перитрихиальным жгутикованием, формирующие сферические или овальные эндоспоры, раздувающие клетку. Характерные для клостридий запасные вещества – это крахмалоподобные полисахариды. Клостридии относят к универсальным микроорганизмам, способным использовать множество субстратов. Они обладают мощным комплексом экзогидролаз. По питательным предпочтениям их подразделяют на три группы. Сахаролитические клостридии растут на сахаросодержащих и полисахаридных средах. Протеолитические (или пептолитические) виды способны использовать белки и аминокислоты. Именно среди них много болезнетворных форм. Пуринолитические клостридии гидролизуют нуклеиновые кислоты и сбраживают пурины и пиримидины.

Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение характеризуется четко выраженной двухфазностью. В I фазе клетки активно растут, образуют кислые продукты и рН снижается. При этом рост культуры замедляется, хотя субстрата еще достаточно. В течение II стадии восстановительные эквиваленты переносятся на образовавшиеся кислые продукты и получаются нейтральные вещества, вследствие чего рН возвращается к нормальному уровню и культура снова может развиваться. Биологический смысл двухфазности заключается в более полном использовании субстрата за счет поддержания комфортных для культуры условий существования путем сброса избыточных восстановительных эквивалентов на образовавшиеся кислые продукты брожения. Таким способом решаются две проблемы – «исправления рН» и избавления от «лишнего» восстановителя. Синтез ряда ферментов II фазы (в частности, ацетоацетатдекарбоксилазы) индуцируется понижением рН среды до 5,0.

Клостридии могут осуществлять парные брожения, когда одно вещество служит донором, а другое – акцептором электронов. Так, сбраживание аминокислот без предварительного дезаминирования происходит в соответствии с реакцией Стикленда. Донорами могут служить аланин, лейцин, изо-лейцин, валин, серин, акцепторами – глицин, пролин, аргинин, триптофан. Например, в реакции: аланин + 2 глицин → 3 ацетат + 3 NH₃ + CO₂, донор подвергается дезаминированию и окислительному декарбоксилированию, а акцептор – восстановительному дезаминированию. Другим примером парного процесса является сукцинат-этанольное брожение у C. kluyveri с суммарным уравнением: сукцинат + этанол → 3 ацетат.

Гомоацетатное брожение - это сложный процесс, часть реакций которого происходит за счет анаэробного дыхания. Единственным его продуктом является уксусная кислота (ацетат). Микроорганизмы, его осуществляющие (гомоацетогены), распространены во многих таксономических группах (например, среди клостридий).

Гомоацетогены способны перерабатывать богатый набор субстратов (сахара, органические кислоты, спирты, аминокислоты, одноуглеродные соединения, ароматические вещества, молекулярный водород). В гетеротрофных условиях две молекулы ацетата дает типичное брожение, а третья получается за счет анаэробного карбонатного дыхания. Ключевым ферментным комплексом является СО-дегидрогеназа-ацетил-КоА-синтаза. При автотрофном росте гомоацетогенов на СО₂ + Н₂ водород служит донором, а углекислый газ – акцептором электронов. Органическое вещество в этом случае синтезируется по ацетил-КоА-пути, или пути Вуда-Льюнгдала. Формирование АТФ путем субстратного фосфорилирования ограничено, а ее образование на мембранах сопряжено с восстановлением углекислоты до ацетил-КоА.

↑Виды анаэробного дыхания и использующие их микробы

Анаэробный энергодающий процесс, в котором конечным акцептором электронов служит окисленное органическое или неорганическое вещество, отличное от кислорода, называют анаэробным дыханием.

Анаэробное дыхание сопряжено с функционированием ЭТЦ и происходит на мембранах. Виды анаэробного дыхания подразделяются по используемому конечному акцептору электронов.

 

Таблица

Виды анаэробного дыхания.

Акцептор электронов	Восстановленный продукт	Название дыхания - процесс	Примеры микроорганизмов
NO	NO	Нитратное – диссимиляционная нитратредукция	Бактерии кишечной группы
NO	NO→ NO → → N2O → N2	Нитратное – денитрификация	Pseudomonas, Bacillus
SO	H2S	Сульфатное – диссимиляционная сульфатредукция	Desulfovibrio, Desulfotomaculum
Sо	H2S	Серное – серуредукция	Desulfuromonas, Thermoproteus
CO2	CH4	Карбонатное - метаногенез	Метаногенные археи
CO2	ацетат	Карбонатное - гомоацетогенез	Гомоацетогенные бактерии
Fe3+	Fe2+	«Железное»	Geobacter
Фумарат	Сукцинат	Фумаратное	Propionibacterium

 

Процессы восстановления (редукции) акцепторов электронов приводят к образованию продуктов, которые могут не идти непосредственно в реакции анаболизма или способны сразу ассимилироваться. В первом случае редукцию называют диссимиляционной, во втором - ассимиляционной. Анаэробное дыхание относится к диссимиляционной редукции.

Анаэробное нитратное дыхание встречается в двух модификациях. Процесс называют нитратредукцией, если восстановление нитрата идет только до уровня нитрита (NO→ NO). Такая форма нитратного дыхания присуща энтеробактериям. Восстановление нитрата до нитрита кишечной микробиотой может приводить к цианозу, когда эритроциты, блокированные нитритом, не способны переносить кислород. У некоторых микроорганизмов, восстанавливающих нитрат до нитрита, при накоплении последнего в культуральной жидкости иногда происходит ассимиляционная нитритредукция (аммонификация нитрата), не дающая энергии, но зато преобразующая нитрит в NH. Аммоний поступает в реакции синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений.

При восстановлении нитрата через ряд интермедиатов до газообразного азота процесс называется денитрификацией (NO→ NO→ NO → N₂O → N₂). Такая форма нитратного дыхания встречается у псевдомонад и бацилл. Это единственный процесс, позволяющий превратить связанный азот в газообразный, и именно таким образом происходит вынос азота из почвы.

Микроорганизмы, осуществляющие нитратное дыхание, относятся к факультативным анаэробам и обладают полной дыхательной системой. Донором электронов обычно служит органическое вещество. Синтез мембрансвязанных нитрат- и нитритредуктаз индуцируется только в анаэробных условиях, а у некоторых микроорганизмов – еще и в присутствие нитрата. Процесс денитрификации необходимо учитывать в земледелии. Обеднение почвы азотом может активизироваться при неграмотном внесении удобрений и создании анаэробных условий. Одновременное внесение минеральных нитратов и навоза вместе в качестве удобрений при пониженном содержании кислорода в почве (например, после дождя) стимулирует мощную денитрификацию. Поэтому, чтобы не происходило выноса азота из почвы, необходима вспашка, т.е. создание аэробных условий, и раздельное использование минеральных и органических азотных удобрений.

При сульфатном дыхании конечным акцептором электронов служит сульфат. Физиологическую группу микроорганизмов, восстанавливающих сульфат, называют сульфатредукторами, или сульфидогенами. Эта группа объединяет представителей с разным систематическим положением.

Сульфатное дыхание можно также назвать диссимиляционной сульфатредукцией (8[H] + SO→ H₂S + 2H₂O + 2OH^-). Первая стадия диссимиляционного и ассимиляционного процессов одинакова, а все последующие проводятся разными ферментами. Донорами электронов могут служить молекулярный водород, органические кислоты, спирты и другие органические соединения. Сульфатредукторы способны расти гетеротрофно, причем часть их окисляет органические вещества до воды и углекислого газа, а другие осуществляют неполное окисление с образованием ацетата из-за отсутствия a-кетоглутаратдегидрогеназы в ЦТК. При истощении сульфата и наличии органических веществ сульфатредукторы могут переходить на сбраживание молочной и пировиноградной кислот с образованием ацетата и Н₂. В таких условиях они становятся синтрофами, для которых обязательно присутствие группы микроорганизмов, потребляющих молекулярный водород.

У автотрофных сульфатредукторов (Н₂/СО₂ и SO) присутствует ацетил-КоА-путь фиксации СО₂ (путь Вуда-Льюнгдала), такой же как у гомоацетогенов. В этом случае основным ферментным комплексом является СО-дегидрогеназа-ацетил-КоА-синтаза со сложным активным центром.

Серное дыхание может происходить в местообитаниях, связанных с вулканической деятельностью, где много серы в анаэробных условиях.

Больше всего серувосстанавливающих микроорганизмов обнаружено среди архей-экстремофилов.

При «железном» дыхании восстановление Fe³⁺ в Fe²⁺ термодинамически выгодно (ОВП пары +770 мВ), однако при нейтральном рН соединения трехвалентного железа практически нерастворимы в воде. В природе Fe³⁺ содержится в различных минералах (гематит, ферригидрит, магнетит, молвсит и т.д.). Широко распространены Fe(OH)₃ и пириты FeS (FeS₂).

В настоящее время обнаружены микроорганизмы, способные восстанавливать четрехвалентный марганец в двухвалентный: MnO₂(IV) (нерастворимый) → MnO(II) (растворимый).

Одним из распространенных видов дыхания, где конечным акцептором служит органическое вещество, является фумаратное дыхание. К нему способны практически все микроорганизмы, имеющие электронтранспортную цепь с сукцинатдегидрогеназой (2[H⁺] + фумарат → сукцинат). При этом цепь переноса электронов короткая, с одним пунктом сопряжения, где происходит окислительное фосфорилирование. Это, например, энтеробактерии, вибрионы и пропионовые бактерии. К фумаратному дыханию способны также некоторые факультативно анаэробные черви (Ascaris, Fasciola, Arenicola).

Карбонатным дыханием называют анаэробное дыхание, где конечным акцептором электронов служит углекислота (или СО). Такой вид дыхания присутствует у гомоацетогенных микроорганизмов. Второй большой физиологической и систематической группой, получающей энергию с помощью карбонатного дыхания, являются образующие метан микроорганизмы, или метаногены. Это самая большая группа архей из филума Euryarchaeota, повсеместно распространенных в анаэробных местообитаниях.

Считают, что метаногены – это древнейшие организмы в истории Земли, когда атмосфера состояла из СО₂, Н₂ и СО. По морфологии они варьируют от простых палочек, кокков и сарцин до спиральных форм и нерегулярных коккоидов. В их клеточных стенках содержится псевдомуреин, пептиды и/или полисахариды

Метаногены могут расти в мезофильных и экстремально термофильных условиях. Они потребляют довольно узкий набор питательных субстратов. В автотрофных условиях (Н₂/СО₂, СО) органическое вещество у них синтезируется по ацетил-КоА-пути, причем только 5% поглощенного углекислого газа идет на биосинтез. 95% СО₂ используется для получения энергии в процессе карбонатного дыхания и восстанавливается до метана. В гетеротрофных условиях роста метаногены способны использовать только уксусную кислоту, осуществляя ацетокластический метаногенез. Особым случаем гетеротрофии, при котором потребляются органические одноуглеродные соединения (без С-С-связей), является свойственная метаногенам метилотрофия. С₁-соединения представляют у метаногенов третью группу питательных веществ. Это формиат, метанол, метиламин, ди- и три-метиламины и т.д. Особенно важен для метаногенов метанол, т.к. он в значительных количествах образуется в анаэробных зонах при гидролизе широко распространенных природных биополимеров пектина и лигнина.

Реакции, приводящие к образованию метана, различаются по энергетическому выходу. Например:

4Н₂ + СО₂ → СН₄ + 2Н₂О      ∆G°´= -135 кдж/моль метана

4НСООН → СН₄ + СО₂ + 2Н₂О    ∆G°´= -130 кдж/моль метана

СН₃СООН → СН₄ + СО₂       ∆G°´= -31 кдж/моль метана

 

↑Аэробное дыхание и его модификации

При аэробном дыхании конечным акцептором электронов в цепи переноса является молекулярный кислород, поэтому для облигатно аэробных микроорганизмов он – необходимое ростовое вещество. При таком конечном акцепторе (ОВП пары О₂/Н₂О +810 мВ) получается существенный выигрыш энергии по сравнению с брожением и анаэробным дыханием. Аэробные микроорганизмы могут иметь анаэробные стадии превращения сахаров или стадии брожения (например, гликолиз и молочнокислое брожение в мышцах), но исключительно за счет них эти организмы обеспечить себя энергией не могут.

У большинства микроорганизмов аэробное дыхание принципиально не отличается от процесса в митохондриях. ЭТЦ у прокариот расположена в цитоплазматической мембране. В зависимости от условий роста у микроорганизмов ЭТЦ может модифицироваться.

Микроорганизмы обладают широкими возможностями в использовании различных доноров электронов. Многоуглеродные субстраты могут при дыхании подвергаться полному или неполному окислению. В первом случае единственным окисленным продуктом будет СО₂, а конечным этапом окисления, как правило, цикл Кребса. При неполном окислении питательного субстрата в качестве конечных продуктов в среду выделяются наряду с углекислым газом различные органические соединения, часто схожие с продуктами некоторых брожений.

Окисление субстрата начинается с его преобразования в вещество, которое клетка способна транспортировать внутрь и с которым смогут работать клеточные ферменты. У микроорганизмов подготовительными реакциями использования биополимеров будут реакции гидролиза с помощью выделяемых в среду ферментов. Поэтому для окисления белков некоторые патогенные, портящие продукты и почвенные бактерии и грибы синтезируют внеклеточные протеазы, которые гидролизуют белки до коротких пептидов и аминокислот. Разложение белка микроорганизмами (аммонификация) всегда сопровождается образованием ряда продуктов: аммиака при дезаминировании аминокислот, сероводорода при расщеплении серусодержащих аминокислот (метионина, цистеина и их производных) и индола при распаде триптофана. При этом происходит подщелачивание среды. Из аминокислот при дезаминировании образуются органические кислоты (пируват, ацетат и другие интермедиаты ЦТК), которые входят в цикл Кребса для полного окисления и получения клеткой энергии. Также они могут быть использованы как источник углерода для синтезов клеточных компонентов. Аминогруппы аминокислот идут либо на анаболизм азотсодержащих веществ клетки, либо выделяются в виде иона аммония.

У многих аэробных и анаэробных почвенных и фитопатогенных бактерий (цитофаг, миксобактерий, клостридий, эрвиний) и грибов имеются экзоферменты для гидролиза целлюлозы, ксилана древесины и луба, крахмала, пектина, агара, хитина, лигнина. Образовавшиеся при гидролизе дисахариды далее подвергаются либо гидролизу, либо фосфоролизу. Моносахара превращаются в пируват по одному из рассмотренных ранее путей: гликолизу, пентозофосфатному или КДФГ-пути. В аэробных условиях ацетил-КоА образуется из пирувата с помощью пируватдегидрогеназного комплекса с тиамином (В₁) в качестве кофермента.

Липиды расщепляются микробными липазами до глицерола и жирных кислот. Глицерол затем фосфорилируется, окисляется до ДОАФ и катаболизируется через реакции гликолиза. Жирные кислоты подвергаются β-окислению до ацетил-КоА, метаболизируемого в цикле Кребса.

Ароматические соединения сначала подвергаются атаке моно- или диоксигеназ, внедряющих в бензольное кольцо один или два атома кислорода, соответственно. Образовавшаяся β-кетоадипиновая кислота или ее производное затем расщепляется до линейного продукта, который разлагается на ацетил-КоА и сукцинат, входящие в ЦТК.

Предельные и непредельные углеводороды (кроме одноуглеродных соединений) используются почвенными микроорганизмами разных групп. Сначала они окисляются до соответствующих жирных кислот с помощью оксигеназ, а затем подвергаются β-окислению.

Производные пуринов и пиримидинов «входят» в ЦТК через фумарат, а пентозы – через α-кетоглутарат.

Неполное окисление многоуглеродных органических субстратов происходит либо из-за дефектов ферментных систем микроорганизмов, либо в результате существенного замедления их работы из-за неоптимальности условий культивирования.

Типичными представителями микроорганизмов, осуществляющих неполные окисления, являются уксуснокислые бактерии. Эти грамотрицательные мелкие палочки широко распространены в природе и живут на листьях растений. Они устойчивы к кислотам до рН=3-5 и к этанолу (9-10%). Уксуснокислые бактерии способны образовывать органические кислоты путем неполного окисления сахаров и спиртов. Наиболее известны два рода: Acetobacter с перитрихиальным жгутикованием и Gluconobacter с полярно расположенными жгутиками. У представителей рода Acetobacter высокая активность алкогольдегидрогеназы сочетается с низкой активностью ферментов ЦТК, а у бактерий рода Gluconobacter отсутствует ключевой фермент ЦТК α-кетоглутаратдегидрогеназа. Уксуснокислые бактерии используют в биотехнологии для превращения этанола в ацетат, сорбита в сорбозу, образования глюконата и ацетона.

Многие грибы способны выделять в среду продукты метаболизма (органические кислоты и аминокислоты). Это связано с “дезорганизацией” их метаболизма путем изменения условий культивирования, затормаживающей деятельность определенных ферментов ЦТК. Причиной накопления промежуточных продуктов в “узких местах” может быть избыток субстрата, изменение рН и концентрации микроэлементов. С помощью грибов можно получать (в том числе и в промышленных масштабах) следующие продукты: молочную (Rhizopus nigricans, Saprolegnia), фумаровую (Mucor, Rhizopus), глюконовую (Aspergillus niger), щавелевую (многие грибы при высоком рН), лимонную (A. niger) и итаконовую (A. itaconicus, A. terreus) кислоты. L-глутаминовая кислота образуется промышленным продуцентом Corynebacterium glutamicum путем восстановительного аминирования накапливающегося интермедиата цикла Кребса - α-кетоглутаровой кислоты.

Одна из групп бактерий, использующих многоуглеродные субстраты, отличается уникальной способностью к биолюминесценции. Большинство фотобактерий (светящихся бактерий) - это морские организмы, хемоорганотрофы, сходные с представителями сем. Enterobacteriaceae. Они представляют собой грамотрицательные, факультативно анаэробные палочки, передвигающиеся с помощью жгутиков. Большинство склонно к психрофилии и является галофилами. В анаэробных условиях осуществляют смешанное брожение. По большей части, это свободноживущие микроорганизмы, но есть и симбионты морских животных (рыб и моллюсков). Например, Photobacterium phosphoreum и P. leiognathi живут в светящихся органах рыб.

Свечение наблюдается только в присутствии кислорода и осуществляется совместно с аэробным дыханием. У фотобактерий имеется обычная дыхательная цепь и работает цикл Кребса. Обычно бактерии испускают сине-зеленый свет (472-505 нм), но один штамм Vibrio fisheri светится желтым светом с длиной волны 545 нм. Свет испускает возбужденный флавин под действием фермента люциферазы при окислении альдегида с 13-18 атомами углерода в молекуле. 

Система люциферазы очень чувствительна к различным загрязнениям, поэтому светящиеся микроорганизмы можно использовать в неизбирательных экспресс-тестах на общую токсичность.

Использование одноуглеродных соединений (метилотрофия) характеризуется определенными особенностями метаболизма. Одноуглеродными (С₁-) соединениями называют такие углеродсодержащие вещества, в состав молекулы которых входит один или несколько атомов углерода, не связанных С-С связями. Физиологическая группа, способная расти на одноуглеродных соединениях, называется метилотрофными микроорганизмами.

Наибольшее значение имеют такие С₁-соединения как метан, выделяемый метаногенами, метанол, образуемый при разложении пектина и лигнина, продукт смешанного брожения формиат и метиламины, получающиеся при гибели морских животных и растений. Формальдегид в свободном виде не встречается. Формиат никогда не накапливается в больших количествах. Триметиламин образуется из N-окиси триметиламина, которая синтезируется у морских обитателей как осморегулятор, поддерживающий в цитоплазме их клеток осмотическое равновесие.

В анаэробных условиях С₁-соединения используются различными группами микроорганизмов. Метан в отсутствии кислорода может окисляться до СО₂ только ассоциацией по крайней мере двух микроорганизмов – метаногенного архея и сульфатредуцирующей бактерии, и анаэробное окисление метана количественно связано с восстановлением сульфата.

Метанол в анаэробной зоне используется сульфатредукторами, гомоацетогенами или метаногенами. Формиат может расщепляться самими энтеробактериями, образующими его при смешанном брожении.

Окисление метана в аэробных условиях происходит в соответствие со схемой:

СН₄ → СН₃ОН → НСОН → НСООН → СО₂

Метилотрофы подразделяют на факультативных и облигатных. Факультативные метилотрофы способны использовать как одно-, так и многоуглеродные соединения. Облигатные метилотрофы растут только на С₁-соединениях. Среди них выделяют группу, способную окислять только метан (метанотрофы). Другие одноуглеродные соединения (обычно метанол) они окисляют значительно реже и менее эффективно.

Метанотрофы – это грамотрицательные микроорганизмы, обладающие хорошо развитой системой внутрицитоплазматических мембран, на типе которой и строится их первичная классификация. I тип представляет собой стопки «тарелочек» и характерен для семейства Methylococcaceae. II тип этой системы имеет мембраны, параллельные ЦПМ и не пересекающие центр клетки, и встречается в семействе Methylosinaceae. Только члены рода Methylocella обладают уникальной системой в виде мембранных везикул.

В природе метилотрофы играют важную роль в глобальном цикле углерода. Они являются бактериальным газовым фильтром для метана, выделяемого в атмосферу метаногенными археями.

Окисление восстановленных неорганических соединений для получения энергии, сопряженное с построением клеточного материала из СО₂, свойственно только прокариотам. Такой “modus vivendi” носит название хемолитоавтотрофии. Процесс хемолитоавтотрофии был открыт в 1887 году С.Н. Виноградским, работавшим в ту пору в Страсбурге в лаборатории А. де Бари. Исследуя метаболизм бесцветной нитчатой серобактерии из рода Beggiatoa, растущей на поверхности донных осадков в застойных водоемах, ученый заметил, что клетки росли и размножались, окисляя Н₂S и откладывая элементарную серу в цитоплазме. При исчерпании сероводорода микроорганизмы окисляли отложенную серу до сульфата. В 1902 г. А.Натансоном были выделены первые тиобациллы, а в 1904 г. М. Бейеринк показал, что Thiobacillus thioparus и T. thiooxidans (в настоящее время относимая к роду Acidithiobacillus) используют в своем метаболизме сероводород. В настоящее время известно значительное число микроорганизмов, способных окислять восстановленные соединения серы. Их называют тионовыми микроорганизмами. Эти микроорганизмы принимают участие в глобальном цикле серы, окисляя ее восстановленные соединения до сульфатов. Сероводород образуется повсеместно в процессе аммонификации и окисляется тионовыми микроорганизмами по достижении аэробной зоны. Природные выходы элементарной серы на поверхности земли (сольфатары) имеются в районах с вулканической активностью.

Тионовые микроорганизмы являются, в основном, аэробами. Короткий период они могут существовать без кислорода, окисляя сероводород в процессе нитратного дыхания, но при наличии подвижности активно покидают анаэробные местообитания.

Традиционно организмы, окисляющие восстановленные соединения серы, делят на две группы: I группа окисляет сероводород и откладывает элементарную серу в виде капель внутри клеток, а II группа никогда серу внутри клеток не откладывает. К I группе относятся морфологически своеобразные микроорганизмы. Это представители родов Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca, Thiospirillopsis, Achromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospirа, Thiovulvum, Bilophococcus. В эту группу входят грамотрицательные бесцветные клетки разной морфологии (крупные кокки и овалы, мелкие спирали, нити и длинные палочки), растущие на средах с H₂S и откладывающие серу в клетках. Большинство образует мощные капсулы или чехлы. Они обычно растут на границе аэробной и анаэробной зон (в зоне хемоклина стратифицированных озер), образуя налет на донных осадках.

II группа тионовых микроорганизмов – это одиночные небольшие палочковидные клетки, относящиеся к родам Thiobacillus, Acidithiobacillus, Sulfobacillus. Они никогда не откладывают элементарную серу в клетках и проводят процесс до образования сульфата. Микроорганизмы этих родов различаются по отношению к рН: первые растут при слабокислых значениях рН, а ацидитиобациллы и сульфобациллы - при рН<4,0 (до 1,5). Большинство представителей этой группы – мезофилы. Они широко распространены и обитают в почвах, соленых болотах, в зоне термоклина стратифицированных озер, в сольфатарах, там, где на выходе горячих серных источников на поверхности образуются желтые осадки элементарной серы, в сточных водах, в кислых шахтных водах (рН 2,5-1,5). Наличие в щелочных почвах тиобацилл иногда используют для «исправления» рН: в почвы вносят порошок серы, и образующийся при ее окислении SO подкисляет почву. При температуре выше 50^оС серу окисляют археи (Sulfolobus, Acidianus) или представители рода Sulfobacillus.

Следующая группа хемолитоавтотрофов - это металлокисляющие микроорганизмы. Наиболее изучены виды, способные окислять Fe²⁺ до Fe³⁺. Такие микроорганизмы легко обнаруживаются в природных водоемах в виде обрастаний нижней части водных растений. Большинство железоокисляющих микроорганизмов растут при средних температурах в аэробных условиях, экстремальные термофилы встречаются только среди архей. При рН<7,0 Fe²⁺ стабилен, поэтому в таких природных местообитаниях развиваются ацидофильные железоокислители. Они, как правило, заключены в слизистые чехлы, которые постепенно инкрустируются гидроксидом железа (III). Лишь некоторые представители железоокислителей (например, Galionella ferruginea) растут в нейтральных средах. Поскольку при рН=7,0 в аэробных условиях Fe²⁺ нестабилен, то галионеллы обитают на выходе подземных ключей, где концентрация кислорода очень низкая. G. ferruginea была выделена Х.Г.Эренбергом в 1836 г. Это фасолевидные клетки, прикрепляющиеся к поверхности с помощью слизистой скрученной ножки, инкрустированной Fe(OH)₃.

Выделены микроорганизмы, способные окислять и другие металлы с переменной валентностью (Cu²⁺, U⁴⁺, As³⁺, Sb³⁺, Mo⁴⁺, Se⁰, Zn²⁺, Co²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Au⁰ и т.д.).

Процесс превращения аммиака в нитрат использовался в Европе для получения селитры при изготовлении пороха задолго до того, как стала известна его микробная природа. Земляные валы поливали кровью животных со скотобоен, перекапывали для обогащения кислородом и вносили золу для нейтрализации и как источник калия. Белки крови разлагались под действием почвенных микроорганизмов с выделением аммиака, который окислялся нитрифицирующими бактериями до нитрата. При реакции нитрата с ионами калия из золы образовывался выцвет селитры, который растворяли и выпаривали.

Нитрифицирующие микроорганизмы – это грамотрицательные виды, объединенные по способности окислять аммиак, а не филогенетически. Названия родов нитрификаторов I фазы обычно начинается с Nitroso- , а нитрификаторов II фазы – с Nitro-. Микроорганизмы I и II стадий нитрификации в природе всегда живут вместе, и ядовитый нитрит, образованный бактериями I стадии, быстро потребляется нитрификаторами II фазы. Клетки различной формы (палочковидные, изогнутые, спиральные, кокковидные) могут быть подвижными в молодом возрасте, а при старении формируют биопленки. Нитрификаторы имеют в разной степени развитые внутриклеточные разрастания ЦПМ. Так, у Nitrosomonas они параллельны мембране клетки, у Nitrosococcus образуют стопки ламелл, у Nitrosolobus формируют инвагинации.

Процесс нитрификации происходит в две стадии: NH→ NO→ NO. На I стадии аммиак проникает в клетки и окисляется монооксигеназой до гидроксиламина: NH₃ + ½O₂ → NH₂OH. Эта реакция идет с затратой энергии в виде восстановителя. При окислении гидроксиламина периплазматической гидроксиламиноксидоредуктазой образуется нитрит (NH₂OH + Н₂О → HNO₂ + 4H⁺ + 4ē).

II стадия нитрификации приводит к окислению нитрита в нитрат с участием мембрансвязанного фермента нитритоксидоредуктазы: NO + H₂O → NO+ 2H⁺ + 2ē и 2H⁺ + 2ē + ½O₂ → H₂O. Нитрификация может происходить и в анаэробных условиях. Показано, что в анаэробных реакторах, осуществляющих очистку стоков от соединений азота, аммоний окисляется в присутствии нитрита: ¹⁵NH+¹⁴NO→ ^{14, 15}N₂↑ + H₂O. Процесс получил название АнАммОкс (anammox – anaerobic ammonia oxidation), а наличие такой реакции доказано с помощью меченых соединений. Анаэробное окисление аммония осуществляют особые бактерии-планктомицеты, входящие в филум Planctomycetes. Этот процесс всегда происходит автотрофно.

Некоторые гетеротрофные почвенные бактерии и плесневые грибы способны к гетеротрофному окислению аммиака (аммония). В этом случае ионы аммония окисляются до нитрата без запасания энергии. Такой процесс наносит вред сельскому хозяйству, поскольку приводит к вымыванию связанных форм азота из почвы вследствие перевода аммонийного азота в более растворимые нитратные формы.

Водородные микроорганизмы окисляют молекулярный водород и ассимилируют СО₂. Н₂ – очень энергоемкий субстрат, дающий до 3 молекул АТФ при прохождении электронов по ЭТЦ. С этим субстратом работают ферменты гидрогеназы, которые бывают двух типов: поглощающая (у водородокисляющих микроорганизмов) и выделяющая (у микроорганизмов, образующих водород в процессе брожений, фототрофов и т.д.). У аэробных форм конечным акцептором электронов служит кислород. Эти микроорганизмы способны расти на очень простой среде, по сути дела осуществляя постепенную реакцию “гремучего газа”. Среди анаэробов водородотрофные микроорганизмы распространены в группах метаногенов, гомоацетогенов, сульфатредукторов и пурпурных бактерий.

Угарный газ может служить как акцептором электронов (при карбонатном дыхании), так и донором электронов (у карбоксидобактерий). Если микроорганизмы используют СО как донор электронов, то акцептором может быть О₂, S^o, SO, NO, Fe³⁺, CO₂. СО появляется в природе, в основном, за счет деятельности человека, горения лесов, извержения вулканов. В атмосфере он подвергается фотоокислению до СО₂.

Карбоксидобактерии похожи по метаболизму на водородных, часто эти активности присутствуют у одного микроорганизма. Аэробные карбоксидобактерии обладают оксидазными системами, малочувствительными к угарному газу. Ферменты анаэробов к угарному газу нечувствительны.

Окисление СО кислородом происходит в соответствии со следующей реакцией:

СО + ½О₂ → СО₂

↑Фотосинтез и особенности разных групп фототрофных микроорганизмов

Многие микроорганизмы могут поглощать свет и использовать его в качестве источника энергии для синтеза АТФ и восстановительных эквивалентов. Такой процесс преобразования световой энергии в химическую носит название фотосинтеза. Фотосинтез – один из наиболее важных метаболических процессов на Земле, т.к. почти вся наша энергия происходит от энергии Солнца. Эта энергия дает возможность фотосинтезирующим организмам образовывать органический материал для роста. Автотрофные фотосинтетики являются первичными продуцентами в пищевых цепях биосферы. Фотосинтез также восполняет потребности аэробно дышащих организмов в кислороде.

Способность к фотосинтезу наблюдается в разных систематических группах живых организмов. Среди эукариот это, прежде всего, высшие растения, а также многоклеточные зеленые, бурые, красные и одноклеточные эвгленовые, диатомовые и динофлагеллятные водоросли. Фотосинтезирующие микроорганизмы-прокариоты составляют группы цианобактерий, зеленых и пурпурных бактерий, гелиобактерий и галоархей.

У разных групп фототрофных микроорганизмов фотосинтетический аппарат характеризуется различной степенью сложности. Основными фотосинтетическими пигментами являются сложные молекулы, имеющие разные заместители при тетрапиррольном ядре и различающиеся способностью поглощать свет разной длины волны. У эукариот и цианобактерий это хлорофиллы (Хл), у пурпурных, зеленых и гелиобактерий – бактериохлорофиллы (Бхл).

Таблица.

Организация фотосинтетического аппарата у разных групп фототрофных прокариот.

Группа	Основные фотосинтетические пигменты и их максимумы поглощения	Организация фотосинтетического аппарата
Пурпурные бактерии	Бхл a – 800-810, 830-890 нм Бхл b – 835-850, 1020-1040 нм	Ламеллы, трубочки или везикулы, связанные с ЦПМ
Зеленые бактерии	Бхл с –745-755 нм Бхл d – 705-740 нм Бхл е – 719-726 нм Бхл a (минорный) – 807, 830-890 нм	Хлоросомы и ЦПМ
Гелиобактерии	Бхл g – 670 и 788 нм	ЦПМ
Цианобактерии	Хл a – 665 нм Хл b – 645 и 430 нм	Тилакоиды с фикобилисомами или без них
Галоархеи	Бактериородопсин	«Пурпурные мембраны» в ЦПМ

 

Вспомогательные пигменты представлены каротиноидами и фикобилипротеинами, поглощающими свет в областях спектра (470-640 нм), отличных от областей основных пигментов. Наличие вспомогательных пигментов позволяет использовать более широкий спектр световых волн при фотосинтезе, а также защищать клетки от высокой интенсивности солнечного света, приводящей к окислению и повреждению фотосинтетического аппарата.

Основные и вспомогательные пигменты объединены в антенны, цель которых уловить как можно больше фотонов и затем передать энергию пигменту реакционного центра (РЦ), непосредственно связанному с ЭТЦ. Поглощение порции света приводит к переходу одного из электронов основного пигмента РЦ в возбужденное состояние. Он отрывается от молекулы пигмента и передается первичному переносчику в ЭТЦ. Двигаясь от переносчика к переносчику, электрон отдает энергию и возвращается к пигменту, восстанавливая его. В пунктах сопряжения ЭТЦ энергия может быть потрачена на образование макроэргической связи АТФ. Такой процесс синтеза АТФ, при котором электрон движется по кругу, называется циклическим фотофосфорилированием. В этом случае восстановительные эквиваленты не образуются. При нециклическом фотофосфорилировании электрон пигмента идет на восстановление пиридиннуклеотида, а окисленный пигмент получает электрон от внешнего донора через ряд переносчиков, т.е. поток электронов становится незамкнутым. Перенос электронов от такого донора также может сопровождаться образованием АТФ. Роль внешнего донора могут играть некоторые органические вещества, восстановленные соединения серы, молекулярный водород и вода. Циклическое и нециклическое фотофосфорилирование с участием всех доноров электронов, кроме воды, осуществляют фотосистемы I типа (ФС I). Использование воды предполагает ее окисление до молекулярного кислорода и требует участия дополнительной фотосистемы II (ФС II). ФС I поглощает квант света (≥680 нм) и передает электрон на низкопотенциальный переносчик ферредоксин, который восстанавливает НАД(Ф)⁺ до НАДФН. Так как этот электрон потрачен на синтез восстановителя, то другой электрон для восстановления пигмента фотосистемы I поставляет ФС II. Антенны ФС II поглощают более коротковолновый свет (≤680 нм) и передают энергию пигменту РЦ II, высокоэнергетичный электрон которого, проходя по ЭТЦ II, восстанавливает пигмент РЦ I и обеспечивает образование АТФ. Сам пигмент РЦ II получает необходимый электрон, окисляя воду. При этом в качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется О₂. Поток электронов от воды через ФС II и ФС I к пиридиннуклеотиду носит название Z-схемы. Фотосинтез с выделением кислорода при участии ФС II называют оксигенным. При функционировании только ФС I с использованием отличных от воды доноров электронов происходит аноксигенный фотосинтез, так как в этом случае кислород не образуется.

Часто под фотосинтезом подразумевают не только образование АТФ и восстановителей под действием света, но и их дальнейшее использование для автотрофной ассимиляции СО₂ и синтеза клеточных компонентов. Тогда процесс делят на две стадии: световая стадия заключается в поглощении света и его преобразовании в энергию химических связей, а темновая стадия проходит уже без участия света и приводит к ассимиляции углерода с затратой синтезированных в световой стадии АТФ и восстановителей. В этом случае суммарное уравнение фотосинтеза в общем виде может быть записано так: СО₂+Н₂А → (СН₂О)+А, где Н₂А и А – восстановленная и окисленная формы донора электронов. Темновые реакции ассимиляции у разных микроорганизмов происходят по-разному.

Пурпурные бактерии – это грамотрицательные микроорганизмы, осуществляющие аноксигенный фотосинтез. Фотосинтетический аппарат у них расположен во внутриклеточных выростах ЦПМ различной формы. По традиции очень разнородную группу пурпурных бактерий делят на серных и несерных. Первые откладывают элементарную серу внутри и вне клеток, вторые никогда серу не откладывают.

Пурпурные бактерии формируют только ФС I, содержащую Бхл a, b и каротиноиды. Синтез бактериохлорофиллов подавляется кислородом, но может идти в темноте.

Пурпурные бактерии – это, в основном, водные микроорганизмы, обычно живущие в бескислородных водах с сероводородом. Они развиваются на глубинах, куда проникает свет, в редких случаях обнаруживаются на больших глубинах. Бактерии несерной группы предпочитают богатые органикой пресные водоемы, болотистые почвы и прибрежные морские воды, при этом они редко образуют скопления, придающие воде окраску. Пурпурные серные бактерии, наоборот, образуют видимые скопления в прозрачных водоемах на границе анаэробной зоны.

Зеленые бактерии четко подразделяются на две группы. Хлоробии – грамотрицательные микроорганизмы, осуществляющие аноксигенный фотосинтез и откладывающие снаружи элементарную серу. Клетки зеленых серных бактерий представляют собой неподвижные или скользящие палочки, вибрионы или нити, не содержащие внутрицитоплазматических мембран. Часто они образуют различные выросты клетки (простеки), увеличивающие всасывающую и светособирающую поверхность. Некоторые представители образуют газовые вакуоли.

В качестве запасного вещества хлоробии могут накапливать в клетках гликоген. ФС I лежит в ЦПМ и содержит Бхл a, c, d или e и каротиноиды циклического типа. Светособирающие пигменты находятся в хлоросомах (хлоробиум-везикулах), округлых тельцах, покрытых белковой оболочкой. Они прикреплены к внутренней стороне ЦПМ базальной пластинкой.

Зеленые нитчатые (несерные) бактерии филогенетически далеко отстоят от зеленых серных бактерий. Зеленые несерные бактерии имеют палочковидные клетки, собранные в нити, с чехлами или без, передвигающиеся скольжением и обладающие рядом таксисов. У некоторых видов формируются газовые вакуоли.

Фотосинтетический аппарат локализован в хлоросомах и ЦПМ и содержит Бхл a, c, d или e (см. табл.) и каротиноиды. Бактериохлорофиллы синтезируют на свету и в темноте, но в отсутствии кислорода. Вспомогательные пигменты представлены β-, γ-каротином или миксобактином. Представители этой группы требуют для фотосинтеза высокой интенсивности света. Зеленые несерные бактерии – это обитатели горячих серных и пресных вод.

Гелиобактерии относятся к грамположительным микроорганизмам. Эти микроорганизмы имеют атипичную клеточную стенку: муреин по строению близок к грамположительному типу, липополисахариды отсутствуют, наличие белкового слоя варьирует, а клетки красятся по Граму отрицательно. Гелиобактерии – это одноклеточные плейоморфные палочковидные или спиральные организмы, передвигающиеся путем скольжения или с помощью жгутиков. В природных местообитаниях они способны образовывать эндоспоры, но в лабораторной культуре это свойство теряется.

Фотосинтетический аппарат локализован в ЦПМ и построен по принципу ФС I. Основным пигментом является Бхл g. Гелиобактерии на свету растут только в анаэробных условиях при высокой интенсивности света, осуществляя аноксигенный фотосинтез, схожий с процессом у зеленых серных бактерий. В качестве доноров электронов эти микроорганизмы используют восстановленные соединения серы и молекулярный водород. В темноте они могут существовать микроаэрофильно или за счет серного дыхания.

Одной из обширнейших и древних групп фотосинтезирующих организмов, способных к оксигенному фотосинтезу, являются цианобактерии. Они имеют отдаленное родство с грамположительными бактериями. Эта группа включает в себя самых сложно организованных представителей прокариотических организмов. Цианобактерии бывают одноклеточные, колониальные и нитчатые, часто существующие в виде устойчивых агрегатов. Их грамотрицательные клеточные стенки, как правило, состоят из четырех слоев (муреин и три прозрачных слоя). На поверхности может присутствовать также белковый S-слой. Многие представители имеют внешние оболочки (чехлы), способствующие агрегации клеток. Чехлы могут быть структурированными и инкрустированными различными веществами, поэтому часто сохраняются в виде окаменелостей и образуют строматолиты. В агрегатах поверхностные структуры могут быть общими для всех клеток. Некоторые нитчатые цианобактерии образуют специализированные клетки с утолщенной клеточной стенкой (гетероцисты) - основное место фиксации азота. В них отсутствует ФС II, а в качестве восстановителей используются сахара, транспортируемые через плазмодесмы из соседних клеток. В гетероцистах не функционирует цикл Кальвина, но имеется пентозофосфатный путь. Из гетероцист в другие клетки через плазмодесмы поступают связанные формы азота. Для переживания неблагоприятных условий цианобактерии образуют акинеты – круглые толстостенные клетки, аналогичные спорам бактерий, имеющие зернистую структуру и содержащие в качестве запасных веществ цианофицин и глюкан.

Одноклеточные цианобактерии могут размножаться множественным делением с образованием из одной клетки большого количества мелких, часто подвижных клеток-байоцитов. Нитчатые формы образуют гормогонии – части нити, обладающие активным скользящим движением. Цианобактерии также размножаются бинарным делением и почкованием.

Фотосинтетический аппарат локализован в плоских мембранных мешочках (тилакоидах), собранных стопками и связанных с ЦПМ. Основными фотосинтетическими пигментами являются хлорофиллы: Хл a – у типичных цианобактерий и Хл a и b – у цианобактерий-прохлорофит. Светособирающие пигменты находятся в фикобилисомах. Фикобилисомы, имеющие полусферическую или полудисковидную форму, располагаются на наружной стороне тилакоидов и содержат фикоэритрин (565 нм), фикоцианин (600 нм), а также их модификации, каротиноиды разных типов и светособирающие формы хлорофиллов. Цианобактерии имеют две фотосистемы (ФС I и ФС II) и два вида антенн. Оксигенный фотосинтез осуществляется по Z-схеме, причем переносчики электронов в ЭТЦ похожи по составу на растительные (пластохинон и пластоцианин, НАД⁺ и НАДФ⁺, флавопротеиды, цитохромы, в том числе цит f). Процесс фотосинтеза принципиально не отличается от фотосинтеза у эукариотических групп (водорослей, высших растений). ФС I адсорбирует более длинноволновый свет, чем ФС II.

До недавнего времени микроорганизмы родов Prochloron, Prochlorothrix и Prochlorococcus относили к специальной группе прохлорофит (порядок Prochlorales), но теперь они причислены к цианобактериям. От традиционных цианобактерий прохлорофиты отличаются составом пигментов. Так, представители рода Prochloron являются симбионтами асцидий с диаметром клетки 10-30 мкм. Кокковидные клетки обладают развитой системой внутрицитоплазматических мембран. Фотосинтетический аппарат содержит Хл а и b в соотношении 4,7:1, не содержит фикобилинов и локализован в тилакоидах.

В конце 70-х годов прошлого века у некоторых нефототрофных микроорганизмов были обнаружены пигменты фотосинтеза и реакции на свет. Эту сборную группу бактерий стали называть аэробными аноксигенными бактериями, или эритробактериями. Эти микроорганизмы изучены в разной степени, но у всех обнаружены компоненты фотосинтетического аппарата, хотя он развит в 5-50 раз хуже (по содержанию фотосинтетических пигментов), чем у типичных пурпурных бактерий. Все они – аэробы и гетеротрофы, способные расти на сложных средах. Представители этой группы имеют различную морфологию клеток и разные особенности метаболизма. Большинство этих микроорганизмов – мезофилы и нейтрофилы. Среди них есть пресноводные и морские, галотолерантные и галофильные.

Фотосинтетический аппарат, в особенности БХл а, синтезируется только в аэробных условиях, причем наличие света не обязательно, а сами микроорганизмы не могут расти при постоянном освещении.

Уникальный бесхлорофилльный тип фотосинтеза обнаружен у представителей домена Archaea, объединенных в класс Halobacteria.

Галобактерии (галоархеи) – это одноклеточные микроорганизмы разной морфологии, часто плейоморфные, некоторые имеют газовые вакуоли. Клетки неподвижны или движутся с помощью лофотрихальных жгутиков. Пигментация галоархей часто бывает красно-желтой из-за большого количества каротиноидов, которые, возможно, используются микроорганизмами для защиты от излишней инсоляции.

Характерной чертой этих микроорганизмов служит их абсолютная зависимость от высоких концентраций NaCl (до 20-30%).

Способность к фотосинтезу реализуется у галобактерий в неблагоприятных условиях при недостатке кислорода. В концентрированных растворах соли кислород очень плохо растворим, что приводит к созданию почти анаэробных условий. В этом случае галоархеи на свету при низком содержании кислорода образуют модифицированные клеточные мембраны, содержащие несколько видов пигментов – бактериородопсин, галородопсин, слоуродопсин, фобородопсин и археродопсин. Бактериородопсин отвечает за транслокацию протонов, галородопсин закачивает К⁺ в обмен на Na⁺, а слоу-, фобо- и археродопсины служат фоторецепторами на красный и синий свет, управляют активностью жгутиков для осуществления фототаксиса. Бактериородопсин (или ретиналь) синтезируется в присутствии небольшого количества О₂ из С₄₀-каротиноидов. Окисленный С₂₀-фрагмент присоединяется через лизин к белковой молекуле и мигрирует в ЦПМ, образуя там агрегаты. Это соединение имеет темно-пурпурный цвет, поэтому агрегаты получили название «пурпурных мембран». При поглощении света бактериородопсин изменяет конформацию, что сопровождается выбросом протонов из клетки и наведением трансмембранного потенциала. Энергия Δμ_Н+ с помощью фермента АТФазы преобразуется в макроэргические связи. Таким образом, галобактерии используют световую энергию, чтобы в неблагоприятных условиях синтезировать достаточное количество АТФ и пережить неблагоприятные условия.

 

↑Биосинтетические процессы у микроорганизмов

↑Основные пути ассимиляции углерода

Источником углерода для автотрофных организмов служит СО₂, для гетеротрофов – органические соединения. У микроорганизмов возможности автотрофной ассимиляции углекислого газа значительно шире, чем у высших растений. У цианобактерий, пурпурных бактерий и многих хемолитоавтотрофов представлен цикл Кальвина (рибулозобисфосфатный цикл) с ключевым ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилазой-оксигеназой ( РуБисКО). Восстановительный цикл трикарбоновых кислот (цикл Арнона) с ключевым ферментом цитратлиазой найден у зеленых серных бактерий и у аэробных бактерий рода Hydrogenobacter. Зеленые несерные бактерии могут осуществлять автотрофную ассимиляцию углекислого газа с помощью реакций гидроксипропионатного пути или восстановительного цикла дикарбоновых кислот. Эти пути имеют циклический характер. Первая стадия заключается в присоединении (фиксации) СО₂ к молекуле-акцептору. Затем углерод углекислого газа восстанавливается до уровня органических веществ (как правило, образуется С₃-соединение), которые отводятся в биосинтетические пути. Цикл замыкается с помощью реакций, приводящих к регенерации акцептора СО₂. У метаногенов, гомоацетогенов и сульфатредукторов присутствует нециклический ацетил-КоА-путь автотрофной ассимиляции СО₂ (путь Вуда-Льюнгдала), в котором из двух молекул углекислого газа образуется активированная молекула уксусной кислоты. Восстановление углерода углекислого газа происходит последовательно с участием ряда коферментов. 

Гетеротрофы не способны осуществлять полное построение вещества клетки за счет СО₂, однако и у них возможна фиксация углекислоты (гетеротрофная фиксация углекислого газа). Это, например, известная реакция Вуда-Веркмана, в которой пируват путем карбоксилирования достраивается до С₄-кислоты (оксалоацетата). Гетеротрофная фиксация СО₂ составляет 2-6% от общего потребления углерода клеткой, а на бедных средах может достигать уровня 30%. Чем проще среда культивирования, тем активней этот процесс. Таким путем удлиняются углеродные скелеты, а также поддерживается окислительно-восстановительный потенциал среды.

СО₂ – соединение углерода в самой окисленной форме и поэтому оно не может быть источником энергии. Другие одноуглеродные соединения (метан, метанол, формальдегид, формиат, метилированные амины, СО, цианиды и т.д) могут быть амфиболитами, т.е. источниками и углерода, и энергии. Эти соединения используются метилотрофами.

↑Ассимиляция азота

В конструктивных целях микроорганизмы способны использовать более обширный набор соединений азота, чем животные и растения. Это молекулярный азот, аммоний, нитрит, нитрат, гидроксиламин, метиламины, аминокислоты, мочевина, пурины, пиримидины, белки.

Азотфиксация – это уникальный процесс, присущий только прокариотическим микроорганизмам. Под азотфиксацией понимается способность некоторых групп бактерий и архей к энзиматическому восстановлению атмосферного N₂ до аммония (с образованием водорода), который затем включается в клеточное вещество. Азотфиксация по своему значению сопоставима с фотосинтезом, т.к. для подавляющего большинства живых организмов азот может быть доступен только в связанной форме. Связанный азот, «выносимый» из почвы растениями (порядка 110 млн. тонн в год), частично восполняется за счет внесения минеральных и органических азотных удобрений (около 30 млн. тонн в год). Однако основное связывание азота происходит путем микробной азотфиксации (молекулярный азот составляет в атмосфере ~78%). Именно микроорганизмы-азотфиксаторы замыкают глобальный цикл азота на Земле.

Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный нитрогеназный комплекс имеет принципиальное сходство в строении и свойствах и у анаэробов, и у аэробов. Один из его отличительных признаков – чрезвычайная чувствительность к наличию кислорода. Поэтому аэробные микроорганизмы сталкиваются с проблемой защиты нитрогеназы от кислорода.

Фиксация азота жестко регулируется наличием его связанных форм. Нитрогеназная активность ингибируется, если в среде есть NH. Газ азот – это химически инертное и очень стабильное вещество. Реакция 3Н₂ + N₂ → 2NH₃ – эндотермическая, поэтому чтобы разорвать тройную связь в молекуле азота необходимо, по крайней мере, 8 электронов и 16 молекул АТФ. В действительности АТФ затрачивается больше, т.к. часть ее необходима для поддержания анаэробных условий. Нитрогеназный ферментный комплекс состоит из двух белковых компонентов разной молекулярной массы. Для проявления нитрогеназной активности необходимы оба компонента, но они взаимозаменяемы у разных микроорганизмов. Нитрогеназа получает электроны и протоны непосредственно от низкопотенциального переносчика ферредоксина, который восстанавливается в реакциях фотосинтеза у фототрофов, при дыхании у аэробных диазотрофов или при брожении у анаэробов. Реакция проходит в несколько стадий: N≡N HN=NH H₂N-NH₂ 2NH₃.

Микроорганизмы, как и растения, потребляют нитрат и нитрит в процессе ассимиляционной нитратредукции. Процесс проходит в две стадии: NONONH. На первом этапе нитрат восстанавливается до нитрита с участием ассимиляционной нитратредуктазы (Е₁), которая переносит 2 электрона. Это растворимый фермент, содержащий ионы молибдена и ФАД. Реакция происходит в цитоплазме. Второй этап катализирует ферментный комплекс нитритредуктазы (Е₂), по строению схожий с диссимиляционным ферментом и включающий гем и железосерный кластер. Восстановление нитрита до аммония осуществляется последовательно, через ряд промежуточных продуктов, остающихся связанными с ферментным комплексом. При этом переносится 6 электронов. Возможно, также присутствует и другой фермент, восстанавливающий гидроксиламин. Продукт восстановления нитрата – аммоний встраивается в органические молекулы при пластическом обмене.

Источником аммония для микроорганизмов может служить мочевина, разлагаемая ферментом уреазой на углекислый газ и аммиак: NH₂ – CO – NH₂ + H₂O → CO₂ + 2NH₃ (NH)

Микроорганизмы имеют несколько систем ассимиляции NH: аммоний может присоединяться по двойной связи к непредельным жирным кислотам с образованием аминокислот, участвовать в восстановительном аминировании кетокислот, присоединяться к карбоксильной группе аминокислот с образованием амида, образовывать карбомоилфосфат при взаимодействии с углекислотой и АТФ. Аминогруппа может также передаваться кетокислотам от глутаминовой кислоты или глутамина в процессе реакций переаминирования.

↑Ассимиляция серы, фосфора и железа

Сера входит в состав метионина, цистеина, глутатиона, кофермента А, сульфолипидов и сульфополисахаридов. Некоторые из этих соединений используются и в катаболизме. В составе таких веществ сера находится в восстановленной форме (S^2-). Большинство микроорганизмов способно восстанавливать окисленные соединения серы до этого уровня с помощью ассимиляционной сульфатредукции. У микроорганизмов первая реакция этого процесса, заключающаяся в активировании сульфата за счет его присоединения к АМФ, совпадает с начальной стадией диссимиляционного восстановления сульфата. Далее этот комплекс фосфорилируется, и происходит восстановление сульфата в сульфит. Отделившись от молекулы-переносчика, сульфит восстанавливается ферментом сульфитредуктазой до уровня S^2- и включается в серусодержащие аминокислоты (цистеин). Процесс ассимиляционной сульфатредукции может проходить в двух вариантах, различающихся конечными стадиями у бактерий и грибов. Сложные серусодержащие соединения (сульфолипиды и сульфополисахариды) образуются при участии фосфорилированного комплекса сульфата с АМФ (ФАФС). Микроорганизмы, не способные осуществлять ассимиляционную сульфатредукцию, могут расти только при наличии S^2- в среде.

Фосфор входит в состав ДНК, РНК, АТФ и фосфолипидов. В окружающей среде фосфор присутствует в растворимой форме (РО), а также в виде нерастворимых органических и минеральных соединений. Микробные превращения фосфоросодержащих веществ обычно не приводят к изменению его валентности. Микроорганизмы не восстанавливают фосфор при включении его в органический материал.

Железо присутствует в природных местообитаниях неравномерно. Для осуществления реакций ассимиляции микроорганизмы вынуждены активно «добывать» его с помощью сидерофоров или получать из готовых железосодержащих органических соединений. Из гемоглобинов и других гем-белковых комплексов способны извлекать железо некоторые патогенные микроорганизмы родов Escherichia, Neisseria, Hemophylus. Запасание этого элемента осуществляется в виде отложений нерастворимых гидрооксидов железа в слизистых внеклеточных структурах (чехлах и стебельках), а также внутриклеточно в виде магнетосом и в составе ферритин-подобных белков. Запасание железа производится в форме Fe³⁺-соединений. При истощении внешних источников наличие запасов железа стабилизирует его ассимиляцию.

↑Синтез сложных органических веществ и биополимеров

К таким соединениям клетки относятся четыре класса макромолекул: нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и липиды. Они образуются из низкомолекулярных органических соединений, соединенных в цепь или в сеть. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов, белки – из аминокислот, полисахариды – из простых сахаров, а сложные липиды могут содержать как простые липиды, так и предшественники другой химической природы. Образование биополимера начинается с синтеза активированных предшественников (мономеров), чаще всего присоединенных к молекулам-переносчикам. При активации расходуется энергия АТФ. Молекулы-переносчики доставляют мономеры к растущей полимерной цепи.ругой химической природы.

Нуклеиновые кислоты синтезируются из пурин- и пиримидиннуклеозидтрифосфатов, которые имеют в целом сходное строение. В них пуриновое или пиримидиновое основание соединено с пентозой через атом азота (нуклеозид), а фосфатные группы находятся в 5'-положении (нуклеотид). Пуриновые основания – это аденин (А) и гуанин (Г), а пиримидиновые – урацил (У), цитозин (Ц) и тимин (Т). Синтез рибонуклеотидов начинается с образования 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ) в соответствии с реакцией:

Рибозо-5-фосфат + АТФ ФРПФ + АМФ

Рибозо-5-фосфат является промежуточным продуктом пентозофосфатного пути, и это еще раз демонстрирует тесную связь энергетических и конструктивных процессов метаболизма микрооорганизмов. Пуриновые рибонуклеотиды далее синтезируются путем последовательного присоединения амино- и углеродсодержащих групп к ФРПФ с образованием девятичленного пуринового кольца. В случае пиримидиновых рибонуклеотидов сначала происходит конденсация аспарагиновой кислоты и карбамоилфосфата с образованием шестичленного пиримидинового кольца, а затем присоединение рибозофосфатного остатка. Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов путем восстановления.

Белки синтезируются из двадцати аминокислот, предшественниками которых являются различные интермедиаты катаболизма, дающие их углеродные скелеты. Все аминокислоты делятся на группы в соответствии со своим биосинтетическим происхождением. Синтез аминокислот группы глутаминовой кислоты (глутаминовая кислота, глутамин, аргинин, пролин) берет начало от α-кетоглутарата, интермедиата цикла Кребса. Другой интермедиат ЦТК, оксалоацетат, дает начало цепи реакций, приводящих к образованию аспарагиновой кислоты, аспарагина, метионина, треонина, изолейцина и лизина (группа аспарагиновой кислоты). Синтезы группы ароматических аминокислот (триптофана, фенилаланина и тирозина) начинаются с конденсации ФЕП из гликолитического пути и эритрозо-4-фосфата из пентозофосфатного пути. Другие интермедиаты гликолиза, 3-ФГК и пируват, дают начало реакциям, приводящим к синтезу аминокислот группы серина (серин, глицин, цистеин) и группы пировиноградной кислоты (аланин, валин, лейцин) соответственно. Биосинтез гистидина сильно отличается от синтеза других аминокислот и тесно связан с путями образования пуринов. Два атома углерода пятичленного имидазольного кольца и три атома углерода боковой цепи происходят из фосфорибозилпирофосфата. Фрагмент C-N этого кольца образуется из пуринового ядра АТФ, а другой атом азота - из глутамина.

С путями биосинтеза аминокислот связано образование ряда важных азотсодержащих соединений клетки. Так, пара-оксибензойная и пара-аминобензойная кислоты образуются на путях биосинтеза группы ароматических аминокислот, полиамины (путресцин, спермидин, спермин) - группы глутаминовой кислоты, диаминопимелиновая и дипиколиновая кислоты - группы аспарагиновой кислоты, пантотеновая кислота - группы пировиноградной кислоты, а пурины и порфирины - группы серина.

Биосинтез белков происходит в процессе трансляции и для своего осуществления требует присутствия не только ферментов и мономеров (аминокислот), но и матрицы (молекулы мРНК), задающей последовательность присоединения аминокислот к растущей цепи, а также специфического переносчика для активирования мономера и отбора его в соответствии с заданным кодом (тРНК). Полипептидная цепочка, растущая от N-конца (аминогруппы) к С-концу (карбоксильной группе), выходя из рибосомы, определенным образом сворачивается.

Полисахариды синтезируются из фосфорилированных моносахаров с участием АТФ. При этом в роли переносчика мономера к растущей полисахаридной цепи выступает АДФ:

АТФ + глюкозо-1-фосфат → АДФ-глюкоза + ФФ_н

(глюкоза)_n + АДФ-глюкоза → (глюкоза)_n+1 + АДФ

Липиды – это группа соединений, разнообразных по химическому составу, но нерастворимых в воде. Их можно условно разделить на вещества, содержащие жирные кислоты, связанные эфирной связью (нейтральные жиры, фосфолипиды, гликолипиды, липополисахариды, полиалканоаты и т.д.), и вещества, содержащие изопреновые фрагменты (полиизопрены, каротиноиды, стеролы, хлорофиллы, хиноны и т.д.). Наращивание углеродной цепи образуемой жирной кислоты происходит на ацилпереносящем белке (АПБ). Синтез жирных кислот с нечетным числом атомов отличается только первой реакцией, где происходит конденсация пропионил-АПБ с малонил-АПБ. В синтезе фосфолипидов принимает участие интермедиат гликолиза диоксиацетонфосфат, который восстанавливается до 3-фосфоглицерола и присоединяет два остатка жирных кислот, связанных с АПБ. Первые стадии образования изопреноидных липидов связаны с последовательной конденсацией трех молекул ацетил-КоА в разных положениях и перегруппировкой полученного соединения. В результате синтезируется разветвленная мевалоновая кислота, которая претерпевает два последовательных фосфорилирования и декарбоксилирование с образованием активированного С₅-соединения, являющегося предшественником сложных изопреноидных веществ. Сложные липиды могут строиться из разнообразных предшественников – жирных кислот, многоатомных спиртов, изопренов, а также моносахаров, аминокислот и аминов. Высшие жирные кислоты синтезируются из активированной уксусной кислоты, предшественником других липидных макромолекул может быть изопреновый фрагмент.

Важной группой изопреноидных соединений являются порфирины – сложные азотсодержащие вещества, служащие простетическими группами ряда ферментов и хлорофиллов. Конденсация сукцинил-КоА и глицина и ряд последующих модификаций приводят к образованию пятичленного азотсодержащего кольца с тремя заместителями (порфобилиногена), четыре молекулы которого далее объединяются в тетрапиррольное ядро протопорфирина IX. Последующие реакции могут приводить к синтезу гема (при введении в молекулу атома железа) или образованию хлорофилла (при введении в молекулу магния). Различные формы хлорофиллов синтезируются в дальнейшем с помощью реакций периферического метаболизма определенных групп фототрофных микрооорганизмов.

↑Вторичные метаболиты

Вторичные метаболиты – это вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции образующего их организма. Каждый вторичный метаболит производится относительно ограниченным числом видов. Эти соединения синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фаз роста, и их формирование в значительной степени зависит от условий роста, особенно состава питательной среды. Многие вторичные метаболиты имеют химическую структуру, необычную для биологической материи, однако их образование берет начало от интермедиатов первичного метаболизма. В отличие от синтеза первичного метаболита, который происходит одновременно с ростом и размножением культуры, для продуцента вторичных метаболитов принято говорить о трофофазе (когда культура растет и размножается) и идиофазе (когда рост замедляется или останавливается и начинается синтез продукта). Механизмы переключения путей метаболизма с первичного на вторичный не ясны. Известны четыре класса биосинтетических реакций, «уводящих» интермедиат на путь вторичного метаболизма:

• преобразование первичного метаболита в специфический предшественник;
• реакции модификации или активации;
• полимеризация и конденсация;
• поздние реакции модификации.

К вторичным метаболитам причисляют антибиотики, токсины, иммунодепрессанты и стимуляторы, а также некоторые запасные вещества (поли-β-алканоаты). Эти соединения относятся к разнообразным классам органических веществ (аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, нерибосомальные пептиды, полиены, пирролы, терпеноиды, тетрациклины, поликетиды, изопреноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины и т.д.). О физиологической роли вторичных метаболитов в жизни собственного продуцента достоверно известно очень мало. Неизвестно, насколько распространен вторичный метаболизм в природе. Само понятие “вторичный метаболит” достаточно расплывчатое и многие исследователи его не признают.