Материал: Физиология бактерий

21

Дыхание – это метаболический процесс получения энергии в реакциях окисления – восстановления путем последовательного переноса электронов от одного соединения к другому до конечного акцептора. Таким образом, образование АТФ при дыхании происходит в результате транспорта электронов. Процесс переноса электронов происходит в цитоплазматической мембране или во внутриклеточных мембранных структурах. Этот процесс протекает с участием сложной мультиферментной системы, которая называется дыхательной цепью. Доноры электронов при этом окисляются, отдавая электроны, а акцепторы – восстанавливаются, принимая электроны. Донорами электронов в процессах дыхания могут быть как органические соединения (у органотрофов), так и неорганические вещества (у литотрофов). Конечным акцептором электронов при дыхании служат либо молекулярный кислород (аэробное дыхание), либо неорганические соединения (анаэробное дыхание). Выделяющаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. Органические соединения обычно полностью окисляются до углекислого газа. Таким образом, дыхание бактерий – это цепь биохимических окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых образуется АТФ.

Если конечным акцептором электронов при дыхании служит молекулярный кислород, то такой тип дыхания называется аэробным. При аэробном типе дыхания реакции расщепления сложных соединений происходят в присутствии кислорода. Размножение аэробных бактерий также происходит в присутствии кислорода.

Если акцептором электронов при дыхании служат неорганические соединения (сульфаты, нитраты, карбонаты), то такой тип дыхания называется анаэробным. При анаэробном типе дыхания реакции расщепления сложных соединений происходят в бескислородных условиях. Размножение аэробных бактерий также протекает при отсутствии кислорода.

По типу дыхания бактерии подразделяются на несколько групп. Облигатные (строгие) аэробы растут и размножаются только при

свободном доступе кислорода (например, микобактерии туберкулеза); они требуют для своего развития присутствия в среде культивирования не менее 20% кислорода. Кислород для облигатных аэробов является конечным акцептором электронов.

Микроаэрофильные бактерии (микроаэрофилы) развиваются при низкой

(до 1%) концентрации кислорода в окружающей атмосфере (например, лептоспиры, бруцеллы).

Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода воздуха, так и при его отсутствии (энтеробактерии). Они обладают смешанным типом метаболизма: в присутствии кислорода энергия у них запасается в результате дыхания, а при отсутствии кислорода процесс получения энергии переключается на брожение.

Облигатные анаэробы растут и размножаются только в бескислородных условиях (возбудитель ботулизма). Тип метаболизма у них бродильный.

Аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для получения энергии, но могут развиваться в его атмосфере (например, молочнокислые бактерии).

Различное отношении микроорганизмов к кислороду связано с наличием у них различных ферментных систем, в частности, супероксиддисмутазы, каталазы и

22

пероксидазы, которые участвуют в нейтрализации токсичных перекисных соединений.

Брожение – это процесс получения энергии, при котором донорами и акцепторами электронов служат органические соединения (углеводы, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др.). При брожении конечный акцептор водорода образуется за счет самого субстрата. Например, при брожении глюкозы ее молекула, состоящая из 6 атомов углерода, вначале фосфорилируется, а затем расщепляется на две молекулы по 3 атома углерода. Одна из этих молекул после отщепления фосфора в конечном счете превращается в молекулу пировиноградной кислоты. Восстановление пировиноградной кислоты сопровождается образованием молекулы молочной кислоты.

Продуктами брожения являются органические кислоты, спирты, газы. Эти восстановленные конечные органические соединения выделяются в питательную среду и накапливаются в ней. В зависимости от природы конечных продуктов различают спиртовое, молочнокислое, муравьинокислое, маслянокислое брожение. Получение энергии путем брожения наблюдается у облигатных и факультативных анаэробов в бескислородной среде.

Спиртовое брожение характерно в основном для дрожжей и некоторых видов бактерий. Конечными продуктами спиртового брожения являются этиловый спирт и углекислый газ. Из одной молекулы глюкозы получается две молекулы этанола и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения используется в виноделии, хлебопекарной промышленности.

Молочнокислое брожение наблюдается у лактобацилл, бифидобактерий, стрептококков. Конечными продуктами молочнокислого брожения являются молочная кислота, уксусная кислота, этиловый спирт. Этот вид брожения используется при получении молочнокислых продуктов питания.

Муравьинокислое брожение характерно для энтеробактерий и вибрионов. Конечными продуктами этого вида брожения являются муравьиная, янтарная, молочная кислота, ацетоин.

Маслянокислое брожение характерно для строгих анаэробов (в частности, клостридий). При этом продуктами сбраживания углеводов являются масляная, уксусная, капроновая и другие органические кислоты, бутанол, ацетон, изопропанол и другие соединения.

Таким образом, образование АТФ у аэробных и анаэробных бактерий протекает разными путями (рисунок 26).

23

Рисунок 26 – Образование АТФ у аэробов и анаэробов.

Образующаяся в клетке энергия в последующем расходуется в процессе роста и размножения микроорганизмов.

Конструктивный метаболизм бактерий

Основные компоненты клетки синтезируются из аминокислот, фосфатов, пуриновых и пиримидиновых оснований, органических кислот. Поставщиками этих веществ являются в том числе и промежуточные продукты энергетического метаболизма.

Выше было сказано, что среди бактерий выделяют прототрофы, которые способны синтезировать все компоненты клетки из одного источника углерода и энергии. В случае, когда бактерии теряют способность синтезировать какой-либо фермент, участвующий в биосинтетических реакциях, то для их роста и размножения требуется недостающее вещество, которое называется фактором роста. Такие бактерии называются ауксотрофами. Факторами роста могут быть аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины.

Биосинтез белков. В процессе катаболизма бактерии разлагают белки под действием протеаз с образованием пептидов. В последующем под действием пептидаз пептиды разрушаются до аминокислот. В результате распада аминокислот клетка получает ионы аммония, которые требуются для синтеза собственных аминокислот. Большинство бактерий обладает способностью синтезировать все 20 аминокислот, из которых состоят белки. Белки в бактериальной клетке выполняют ферментативную функцию, а также являются составной частью структурных компонентов клетки (ЦПМ, ее производных, клеточной стенки, жгутиков, капсулы, спор).

Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена. Исходным материалом служат промежуточные продукты фруктозодифосфатного (ФДФ) и пентозофосфатного (ПФ) путей, цикл трикарбоновых кислот: пируват, кетоглутаровая кислота, оксалоацетат, фумарат, эритрозо-4-фосфат, рибозо-4-фосфат. Аминогруппы в состав аминокислот вводятся в

24

результате непосредственного аминирования или переаминирования. Перевод неорганического азота в органические соединения происходит всегда через аммиак. Нитраты, нитриты и молекулярный азот предварительно восстанавливаются в аммиак и только лишь после этого включаются в состав органических соединений.

В результате прямого аминирования образуются лишь L-аланин, L-аспартат, L-глутамат и L-глутамин. Все остальные аминокислоты получают свою аминогруппу в результате переаминирования, с одной из “первичных” аминокислот. В большинстве случаев аминогруппа вводится на последнем этапе синтеза путем переаминирования.

Биосинтез нуклеотидов. Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды – это те строительные блоки, из которых синтезируются нуклеиновые кислоты. Кроме того, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды входят в состав многих коферментов и служат для активации и переноса аминокислот, сахаров, липидов в реакциях полимеризации.

Исходным соединением для образования пентозной части нуклеотидов служит рибозо-5-фосфат, образующийся в ПФ-пути. Углеродный скелет пиримидинов происходит из аспартата, который образуется в цикле трикарбоновых кислот. Атомы азота и аминогруппы пуринов и аминосодержащих пиримидинов происходят из аспартата и глутамина.

Биосинтез липидов. Жиры или липиды являются важными компонентами ЦПМ и клеточной стенки грамотрицательных бактерий, а также служат запасными веществами. В бактериальных жирах преобладают длинноцепочечные (С14- - С18) насыщенные жирные кислоты и ненасыщенные жирные кислоты, содержащие одну двойную связь. Сложные липиды представлены фосфатидилинозитом, фосфатидилглицерином и фосфатидилэтаноламином.

Ключевым промежуточным продуктом для биосинтеза жирных кислот является ацетил-коэнзим А. Ключевыми промежуточными продуктами для синтеза фосфолипидов является продукт ФДФ-пути: диоксиацетилфосфат, восстанавливающийся в глицеро-3-фосфат, который соединяется с остатками жирных кислот.

Биосинтез углеводов. Углеводы представлены в бактериальной клетке в виде моно-, ди- и полисахаридов, а также комплексных соединений. Полисахариды входят в состав некоторых капсул, крахмал и гликоген являются запасными питательными веществами.

Синтез глюкозы происходит из пирувата, за счет обратных реакций, путей распада глюкозы. Для обхода реакций, идущих только в одном направлении, имеются обходные пути, например, глиоксилатный цикл.

Транспорт веществ из бактериальной клетки

Для обеспечения жизнедеятельности бактерии должны не только поглощать из внешней среды питательные вещества, но и выделять в окружающую среду гидролитические ферменты, токсины и другие соединения (метаболиты).

У грамположительных микробов белки секретируются непосредственно во внешнюю среду. У грамотрицательных бактерий секретируемые соединения

25

должны транспортироваться через две мембраны клеточной оболочки. Наличие наружной мембраны привело к тому, что у грамотрицательных бактерий в процессе эволюции сформировалось несколько систем секреции, различающихся по структуре и функциям. В настоящее время у бактерий выявлено 7 систем секреции.

Белки, секретируемые по I пути (система секреции I типа, T1SS), пересекают внутреннюю цитоплазматическую и наружную мембраны в один этап в результате образования во внутренней мембране, периплазматическом пространстве и наружной мембране одной поры (канала). Эта система секреции включает 3 компонента: АТФ-связывающую кассету (АВС-компонент, ATP-binding cassette), белки, соединяющие мембраны (MFP, membrane fusion protein) и белки наружной мембраны (OMP, outer membrane protein). Секреция в этом случае протекает без участия sec-белков (рисунок 27).

OMP

Наружная

мембрана

MFP

ЦПМ

ABC

Рисунок 27 – Бактериальная система секреции I типа.

Этим путем секретируются пороформирующие токсины: гемолизины, металлопротеазы, некоторые гидролитические ферменты, внеклеточная аденилатциклаза B. pertussis.

Система секреции II типа (T2SS) обеспечивает секрецию гидролитических ферментов, некоторых токсинов, протеинов, участвующих в формировании поверхностных структур бактериальной клетки (в частности, пилей). Эта система секреции широко представлена среди грамотрицательных бактерий, в связи с чем ее называют общим секреторным путем (GSP – general secretory pathway). Белки, секретируемые по II пути, проходят через внутреннюю и наружную мембраны отдельными этапами при участии sec-белков. После транслокации через внутреннюю мембрану секретируемые белки задерживаются в периплазматическом пространстве, где изменяют свою конформацию. В результате таких изменений секретируемый белок приобретает окончательную структуру и транспортируется через наружную мембрану (рисунок 28).