Симбиотические взаимоотношения

Симбиотические (или ассоциативные) взаимоотношения характеризуются взаимной выгодой. Симбиоз (греч.simbiosis– сожительство) - форма тесного существования двух или большего числа различных видов организмов при условии взаимной пользы для каждого из них. Мутуализм, или кооперация – разновидность симбиоза, когда связи между симбионтами менее прочные, и они могут развиваться самостоятельно. Например, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.

Комменсализм – форма симбиоза микроорганизмов с макроорганизмом, при которой микроорганизмы пользуются защитой или пищей за счет макроорганизма, не причиняя ему ни пользы, ни вреда. Например, взаимодействие нормальной микрофлоры с организмом человека или животного.

Метабиоз – продукты обмена одного вида микроорганизмов служат пищевым или энергетическим субстратом для другого вида микроорганизмов. Например, почвенные бактерии рода Nitroisomonas, окисляя азот до нитратов, обеспечивают субстрат для бактерий рода Nitrobacter.

Синтрофия– явление совместного роста двух или более видов микроорганизмов на среде, недоступной каждому виду в отдельности. Сателитизм – разновидность синтрофии, когда один вид микроорганизмов выделяет в среду ростовые вещества для другого (витамины, аминокислоты). В основе синтрофии может лежать также удаление токсических продуктов.

Синергизм – форма существования, при которой у микроорганизмов взаимно усиливаются физиологические функции и возникают новые свойства. Например, "чайный гриб" – симбиоз уксуснокислых бактерий и дрожжей. Уксуснокислые бактерии сбраживают сахар, образовавшиеся продукты используются дрожжами, которые синтезируют витамины для уксуснокислых бактерий.

Антагонистические взаимоотношения

Антагонистические взаимоотношения проявляются в подавляющем влиянии одного или нескольких членов микробного сообщества другими представителями.

Пассивный (или конкурентный) антагонизм – взаимодействия, при которых разные виды микроорганизмов используют одни и те же питательные вещества. Это конкуренция за пищу и жизненное пространство. В этой борьбе преимущества получают быстрорастущие микроорганизмы, не требовательные к источникам питания.

Активный антагонизм обусловлен выделением бактерицидных веществ. Ими могут быть неспецифические продукты обмена, например, органические кислоты, спирты, аммиак, фенолы и др., вызывающие коагуляцию белков цитоплазмы. Так, молочнокислые бактерии, подкисляя среду, вызывают угнетение гнилостных бактерий. Наиболее резко выпаженные антагонистические взаимоотношения проявляются в форме паразитизма и хищничества, т.е. удовлетворения своих пищевых потребностей за счет жертвы. Хищники умертвляют свою жертву сразу, паразиты питаются за счет живого организма, который остается живым в течение более длительного времени. Например, риккетсии, бактериофаги являются клеточными паразитами.

Антибиоз – форма антагонизма, обусловленная продуцированием антибиотиков (греч. anti – против, bios– жизнь), т.е. специфических микробоцидных или микробостатических веществ, избирательно действующих на другие микроорганизмы.

Антибиотики

Термин впервые введен в 1942 г. З.Ваксманом для обозначения химических веществ, продуцируемых микроорганизмами и способных подавлять рост других микроорганизмов. Продуцентом первого антибиотика пенициллина был штамм микроскопического гриба Penicillium notatum, выделенный английским ученым А. Флемингом в 1928 г. В 1941-42 гг. оксфордские биохимики Е.Чейн и Г.Флори получили из культуральной жидкости этого гриба пенициллин в чистом виде. За это открытие А.Флеминг, Е.Чейн и Г.Флори были удостоены Нобелевской премии. Первый отечественный пенициллин крустозин был получен в 1943 г. З.В. Ермольевой из Prnicillium crustosum. Этот антибиотик в годы Великой Отечественной войны получил высокую оценку как средство лечения гнойно-воспалительных процессов. С открытием антибиотиков возникла новая область в биологии – наука об антибиотиках. В настоящее время известны полусинтетические антибиотики, представляющие собой модификации ядер молекул природных антибиотиков, обнаружена также противоопухолевая активность некоторых антибиотиков.

Антибиотикаминазываются специфические вещества, образуемые клеткой в процессе жизнедеятельности, а также их производные и синтетические аналоги, обладающие способностью избирательно подавлять развитие микроорганизмов или задерживать развитие злокачественных новообразований.

По происхождению антибиотики подразделяются на: 1) продуцируемые актиномицетами (стрептомицин, эритромицин, мономицин, канамицин, нистатин, гентамицин), большинство используемых в медицине антибиотиков, выделено из актиномицетов; 2) продуцируемые грибами, продуцентами более 100 антибиотиков являются микроскопические грибы (пенициллин, цефалоспорины – р. Cephalosporium); 3) продуцируемые бактериями, чаще всего продуценты антибиотиков встречаются среди спорообразующих грибов (грамицидин – Bacillus brevis, полимиксин – Bacillus polymyхa), хотя имеются и среди неспорообразующих бактерий (из молочнокислых бактерий Streptococcus lactis получен и нашел применение в пищевой промышленности антибиотик низин), один и тот же микроорганизм может продуцировать большое количество антибиотиков разного строения (из Bacillus subtilis выделено свыше 70 антибиотиков, из Pseudomonas aeruginosa – более 30); 4) продуцируемые растениями (фитонциды), например, из бессмертника получен антибиотик аренарин, из чеснока – аллицин, из зверобоя – иманин и новоиманин, эти антибиотики применяют в медицине и в растениеводстве для борьбы с возбудителями болезней сельскохозяйственных растений; 5) полученные из тканей животных (к таким антибиотикам относится лизоцим – белок, губительно, действующий на микроорганизмы; лизоцим содержится в слюне, яйцах, сыворотке крови, лейкоцитах, молоке, рыбьем жире. Из молок рыб получен антибиотик экмолин, он обладает антимикробным и антивирусным действием, усиливает эффективность действия других антибиотиков при совместном применении).

По химическому составу наиболее распространенные антибиотики относятся к следующим группам: 1) азотсодержащие гетероциклические соединения, имеющие в своем составе β-лактамное кольцо (пенициллины, цефалоспорины); 2) ароматические соединения, производные диоксиаминофенилпропана (левомицетин, хлорамфеникол); 3) тетрациклины, содержащие четыре конденсированных шестичленных цикла (тетрациклин и его производные); 4) аминогликозидные соединения, в составе которых имеются аминосахара (стрептомицин, мономицин, канамицин, гентамицин); 5) макролиды, содержащие макроциклическое лактонное кольцо, связанное с аминосахарами (эритромицин, олеандомицин); 6) ациклические соединения с несколькими сопряженными двойными связями -(СН=СН)– (полиеновые соединения - нистатин, леворин). Имеются и другие химические группы антибиотиков, которые реже используются качестве химиотерапевтических препаратов (рисунок Б.1).

По механизму антимикробного действия можно выделить антибиотики: угнетающие синтез клеточной стенки бактерий (пенициллины, цефалоспорины); нарушающие функции рибосом и процессы синтеза белков в микробных клетках (макролиды, аминогликозиды, тетрациклины, левомицетин): нарушающие функции цитоплазматической мембраны (полимиксин, нистатин, леворин, грамицидин); нарушающие синтез РНК бактерий (рифампицин); подавляющие репликацию ДНК (новобиоцин). Механизм действия противоопухолевых антибиотиков обусловлен главным образом нарушением метаболизма ДНК и РНК опухолевых клеток.

По антимикробному спектру антибиотики подразделяются на две группы - антибиотики узкого спектра действия и антибиотики широкого спектра действия. К антибиотиками узкого спектра действия относится пенициллины, оказывающие губительное действие только на грамположительные бактерии и кокки, спирохеты. Они неактивен в отношении грамотрицательных бактерий, кислотоустойчивых бактерий, микоплазм, риккетсий, простейших. Антибиотиками широкого спектра действия являются аминогликозиды, они подавляют рост кислотоустойчивых бактерий (микорбактерий туберкулеза), рост многих грамположительных и грамотрицательных бактерий, некоторые действуют на простейших. К антибиотикам широкого спектра действия относятся также тетрациклины.

Многие антибиотики постепенно утратили свою эффективность в связи с возникновением у микроорганизмов устойчивости к ним. Естественная устойчивость обусловлена отсутствием у микроорганизмов "мишени" для действия антибиотиков, т.е. отсутствием у микроорганизмов такого звена в цепи метаболических реакций, которое блокировалось бы под действием антибиотиков. Приобретенная устойчивость может быть обусловлена мутациями в хромосомных генах, контролирующих синтез компонентов клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, рибосомальных или транспортных белков. Такого рода мутации делают клетку неуязвимой для антибиотиков.

Антибиотики в пищевой промышленности. К использованию антибиотиков для консервирования пищевых продуктов необходимо относиться с осторожностью. Особенно это касается тех антибиотиков, которые находят применение в медицине. В первую очередь это связано с тем, что у микроорганизмов может возникнуть устойчивость к ним, что приведет к потере лечебного действия антибиотиков. К антибиотикам в пищевой промышленности предъявляются определенные требования: они должны иметь широкий антибактериальный спектр действия; не обладать токсичностью и не влиять на качество пищевых продуктов; легко инактивироваться при тепловой обработке или при хранении. Этим требованиям отвечают антибиотики из группы тетрациклинов. Тетрациклины выделяются различными стрептомицетами и химически очень близки между собой. Тетрациклины нашли применение и в рыбной промышленности. Они активны против ряда микроорганизмов, особенно против грамотрицательных бактерий, которые играют большую роль в порче рыбы. К пищевым антибиотикам относится также низин, который не применяется в медицине. Низин подавляет развитие грамотрицательных бактерий, действует на вегетативные клетки и прорастающие споры.

Пробиотики

Пробиотики (лат. probiotic – для жизни) – микроорганизмы или субстанции, которые способны оказывать оздоровляющий эффект на микроорганизмы при их применении.

Термин впервые использовали в 1965 г. Д. Лили и Р. Стилвел для обозначения метаболитов, продуцируемых одними микроорганизмами для стимуляции роста других. Позже этим термином стали обозначать микроорганизмы, которые при введении в состав продуктов питания человека или в корма животных, воздействуют на организм путем оздоровления микрофлоры кишечника, поддерживают и восстанавливают биологический баланс его нормальной микрофлоры. Живые микроорганизмы (например, штаммы живых бактерий в йогурте) должны присутствовать в достаточно большом количестве, оставаясь стабильными и жизнеспособными как при хранении, так и после введения в организм; они должны адаптироваться в организме хозяина и оказывать благоприятное влияние на его здоровье. В качестве пробиотиков чаще всего используют бифидобактерии и молочнокислые бактерии (в частности лактобациллы).

Пребиотики – это вещества или диетические ингредиенты, которые избирательно стимулируют рост и биологическую активность микроорганизмов в кишечнике, положительно влияющих на состав микробиоциноза.

Контрольные вопросы: 1. Какие точки действия внешних факторов на микроорганизмы называются кардинальными? 2. В чем различие эвритермных и стенотермных микроорганизмов? 3. В чем отличие клеточных мембран психрофильных и термофильных микроорганизмов? 4. Какие микроорганизмы называются термогенными? 4. Почему микроорганизмы лучше переносят низкие температуры, чем высокие? 5. В чем различие процессов стерилизации и пастеризации? 6. В чем заключается механизм губительного действия высушивания на микроорганизмы? 7. как называется приспособление микроорганизмов к изменению осмотического давления? 8. С чем связано губительное действие ультразвука на микроорганизмы? 9. Что происходит с молекулами ДНК при ультрафиолетовом облучении микроорганизмов? 10. Какие микроорганизмы называются ацидофильными, а какие – алкалифильными? 11. Что характеризует окислительно-восстановительный потенциал? Каковы значения шкалы rН₂? 12. Какие микроорганизмы называются микроаэрофилами? 13. Каким может быть воздействие химических веществ на микроорганизмы? 14.Что такое дезинфекция? 15. Что такое симбиоз? 16. Какие существуют разновидности симбиотических взаимоотношений микроорганизмов между собой и с макроорганизмами? 17. Чем отличаются паразиты от хищников? 18. Какие вещества называются антибиотиками? 19. Чем обусловлена резистентность микроорганизмов к антибиотикам? 20. Что такое пробиотики и пребиотики?

МЕТАБОЛИЗМ МИКРООРГАНИЗМОВ

Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ – метаболизм. Метаболизм – это совокупность химических превращений в клетке. В результате ассимиляции питательных веществ из простых веществ питательной среды строятся сложные органические вещества микробной клетки. Совокупность реакций синтеза метаболитов в микробной клетке составляет конструктивный (строительный) метаболизм, или анаболизм (греч. anabolέ – подъем). Другая система реакций обеспечивает расщепление (диссимиляцию) сложных веществ на простые с выделением энергии и составляет энергетический метаболизм, или катаболизм (греч. katabole - разрушение). У микроорганизмов часто очень трудно различить энергетический и конструктивный процессы. В большинстве случаев питательные вещества, потребляемые микроорганизмами, одновременно служат источником питания и источником энергии.

Ферменты микроорганизмов

Ферменты (лат. fermentare – бродить), или энзимы (греч. en – в, внутри, между + zymέ - закваска) – биологические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью и играющие важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

Различаются ферменты однокомпонентные, представляющие собой простые белки (протеины) и двухкомпонентные, представляющие собой сложные белки (протеиды). Двухкомпонентные белки состоят из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофактора). Небелковая часть имеет различную химическую природу – витамины, металлы, нуклеотиды и др. Большинство ферментов относится к двухкомпонентным.

Характерной особенностью ферментов является специфичность их действия – один и тот же фермент действует не только на определенное вещество. Специфические свойства фермента определяет белковая часть. Узнавание субстрата ферментом происходит в процессе связывания. Субстрат присоединяется в совершенно определенном участке молекулы фермента – каталитическом центре. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку.

Небелковая группа определяет каталитическую активность. В качестве активной группы выступает либо коферменты, либо простетическая группа. Коферментылегко отделяются от белковой части и способны к самостоятельному существованию (это большинство витаминов или их производные). Простетическая группа прочно связана с белковой частью и не отделяется от нее. Например, содержащий железо гем у ферментов цитохромной системы. Апофермент усиливает каталитическую активность кофакторов.

В настоящее время известно более 2000 ферментов. По типу катализируемой реакции ферменты классифицируют на 6 классов. В клетках микроорганизмов обнаружены ферменты всех классов. Название многих ферментов образуется путем добавления окончания "аза" к названию субстрата, на который воздействует данный фермент.

Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные процессы, к ним относятся дегидрогеназы, цитохромы, оксидазы, пероксидаза, каталаза.

Дегидрогеназы катализируют реакции отрыва водорода от молекулы субстрата (окисление) и перенос его на другое вещество (восстановление). Дегидрогеназы могут содержать в качестве активны группировок пиридиновые и флавиновые производные. Первичные (анаэробные) дегидрогеназы содержат в качестве коферментов пиридиновые производные (НАД – никотинамидадениндинуклеотид, НАДФ). Они передают оторванный от субстрата водород не на кислород, а на другие ферменты или переносчики. Вторичные (аэробные) дегидрогеназысодержат в качестве активных группировок флавиновые производные (ФАД – флавинадениндинуклеотид, ФМН - флавинаденинмононуклеотид), Они переносят водород от субстратов или пиридиновых дегидрогеназ непосредственно на молекулярный кислород или к цитохромам.

Цитохромы содержат атомы железа и обеспечивают протекание окислительно-восстановительных реакций в результате перехода железа из двухвалентного состояния в трехвалентное, т.н.являются переносчиками электронов. Непосредственно от цитохрома к кислороду передает электроны цитохромоксидаза. Цитохромы широко распространены в микробных клетках. Они могут переносить электроны не только на молекулярный кислород, но и на другие акцепторы электронов.

В случае, когда водород от окисляемого субстрата непосредственно передается на молекулярный кислород, в клетке образуется пероксид водорода. Нейтрализацию этого ядовитого соединения в клетках аэробных микроорганизмов осуществляют ферменты каталаза и пероксидаза. Каталаза катализирует расщепление пероксида водорода до воды и молекулярного кислорода. Пероксидаза катализирует также окисление пероксидом водорода органических веществ клетки. В обоих случаях происходит расщепление перекиси водорода.

Трансферазы. В эту группу объединены ферменты, катализирующие перенос группировок с одной молекулы на другую. Гексокиназы переносят фосфорные группировки, что обеспечивает фосфорилирование сахаров – пусковые реакции утилизации углеводов. Трансаминазы катализируют реакции переноса аминогрупп от аминокислот к кетокислотам, обеспечивая синтез необходимых клетке аминокислот. Исключительно важную роль в процессах переноса играет кофермент А. Назван он так потому, что впервые был идентифицирован как переносчик ацильного (уксусного) радикала СН₃СО^-. Известно, что большая часть углеродных атомов углеводов, жирных кислот и аминокислот подвергается превращениям с помощью кофермента А. Активной группой кофермента А является конечная тиоловая группа –SH тиоэтаноламина. Поэтому обычно этот кофермент обозначается КоА-SH. Благодаря наличию конечных тиоловых групп кофермент А может вступать в реакцию с конечными карбоксильными группами органических кислот:

СН₃СООН + КоА-SH → СН₃СО – S – КоА + Н₂О

Гидролазы.Ферменты этого класса обеспечивают расщепление сложных соединений с одновременным присоединением воды. В зависимости от того, какие связи при этом разрываются, гидролазы делятся на подклассы. Пептидгидролазы – многочисленные протеолитические ферменты, обеспечивающие разложение микроорганизмами белков различного происхождения. Эстеразы – гидролазы, разрушающие сложноэфирные связи. Сюда входят липазы, катализирующие гидролиз жиров до глицерина и жирных кислот, пектинэстеразы, катализирующие расщепление пектиновых субстратов. Гидролиз полисахаридов осуществляют в основном амилазы и целлюлазы. Благодаря их активности расщепляются такие соединения, как крахмал и целлюлоза.

Лиазы. Эти ферменты катализируют негидролитическое отщепление атомных группировок с образованием двойных связей или присоединение группировок по месту этих двойных связей (действуют на связи С=С, С=N, С=О и т.п.). Катализируют отщепление различных групп – СО₂, HN₃и др. У микроорганизмов активны декарбоксилазы, отщепляющие карбоксильную группу от аминокислот. Эти ферменты характерны для гнилостных микроорганизмов. В углеводном обмене важную роль играет альдолаза, обеспечивающая центральную реакцию превращения углеводов – расщепление гексозы на две триозы.

Изомеразы. Эти ферменты катализируют внутримолекулярные превращения, например, превращения одного изомера в другой. Триозофосфатизомераза обеспечивает взаимопревращения триоз, образующиеся при расщеплении гексоз. Галактозофосфатизомераза катализирует превращение галактозы в глюкозу.

Лигазы (синтетазы). Они обеспечивают реакции синтеза, сопровождаемые отщеплением остатков фосфорной кислоты от трифосфатов, например, АТФ. Благодаря этим ферментам синтезируются аминокислоты, ацетил-КоА, происходит карбоксилирование органических кислот.

Ферменты локализуются в микробной клетке в различных структурных элементах (рибосомах, мезосомах, ЦПМ и др.), действие их происходит строго согласованно. В микробной клетке ферменты могут функционировать независимо друг от друга или же могут структурно объединяться в полиферментные комплексы. В этих комплексах ферменты тесно связаны друг с другом и вне его теряют значительную часть своей активности.

Конститутивные ферменты с постоянной скоростью синтезируются в клетке независимо от наличия в среде субстрата, на который распространяется их действие. Таким ферментам принадлежит основная роль в клеточном обмене. Индуцибельные (адаптивные) ферменты– это такие, которые активно синтезируются только в том случае, когда имеется субстрат, превращение которого они катализирую.

По действию ферменты подразделяются на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с клеточными структурами и функционируют только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена. Большинство ферментов являются эндоферментами. Эти ферменты и после гибели микробной клетки временно остаются в активном состоянии. В результате их действия происходит самопереваривание, или автолиз клетки. При разрушении клетки ферменты поступают в окружающую среду.

Экзоферментысвободно выделяются в окружающую среду. К ним относятся ферменты, катализирующие расщепление сложных органических веществ на более простые. Таим образом обеспечивается внеклеточное переваривание, т.е. превращение экзогенного субстрата в усвояемую форму. Кроме того, экзоферменты могут быть средством, с помощью которого микроб-паразит внедряется в тело хозяина; могут иметь защитное значение, инактивируя в среде вредные для клетки вещества.

Активность ферментов. Ферменты обладают высокой активностью. Ничтожные количества фермента обеспечивают значительную скорость реакции и вызывают превращения больших количеств реагирующих веществ.

Белковая природа ферментов обуславливает их лабильность – потерю активности под влиянием некоторых факторов, важнейшими из которых являются температура и реакция среды. Максимальная активность достигается в области оптимальной для микроорганизма температуры, после сего начинается падение активности, связанное с денатурацией белковой части фермента. Почти все ферменты необратимо разрушаются при 80⁰С. В условиях близких к 0⁰С и ниже ферментативная активность замедляется и в большинстве случаев приостанавливается.

Большинство ферментов имеют максимальную активность в нейтральной среде, но для некоторых оптимум рН может находиться в кислой или щелочной области значений. Лучистая энергия разрушает ферменты. На активность ферментов влияет присутствие в среде различных химических соединений. Одни из них повышают активность ферментов (активаторы), другие – снижают (ингибиторы). Активаторами выступают витамины, двухвалентные катионы, ингибиторами – соли тяжелых металлов, антибиотики.

Различают обратимое и необратимое ингибирование. При необратимом ингибировании фермент полностью или частично теряет активность в результате необратимого разрушения или модификации его функциональных групп.

Обратимое ингибирование может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании ингибитор по структуре молекулы напоминает субстрат и может взаимодействовать с активным центром фермента, т.е. конкурировать за него с субстратом. В основе неконкурентного ингибирования лежит способность ингибитора взаимодействовать с какой-либо группой молекулы субстрата, существенно влияющей на его активность, но не входящей в активный центр.

Возможно также субстратное ингибирование, наблюдаемое при избыточной концентрации субстрата. В этом случае в результате реакции фермента одновременно с двумя молекулами субстрата образуется неактивный фермент-субстрат-ный комплекс. Ингибирование конечным продуктом осуществляется регуляторным механизмом клетки по типу обратной связи. Это заключается в подавлении синтеза ферментов, катализирующих реакцию, продукт которой оказывается в клетке в избытке.

Кинетика ферментативных реакций. Основным уравнением стационарной кинетики ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса-Ментен:

v = (K₊₂ ∙ [E_о] ∙ [S] ) / (K_m + [S] ) , (3.1)

где v – скорость реакции;

E_о –общая концентрация фермента в системе;

S - концентрация субстрата;

K_m = (K_-1 + K₊₂) / K₊₁ , (3.2)

где K_m – константа Михаэлиса-Ментен;

K₊₁ и K_-1 - константы скоростей прямой реакции образования ферментно-субстратного комплекса ЕS и обратной реакции его диссоциации;

K₊₂ – константа скорости образования конечного продукта.

Максимальная скорость реакции достигается при такой концентрации субстрата, когда весь фермент связан в ферментно-субстратный комплекс.

Энергетический метаболизм

Для синтеза структурных компонентов микробной клетки, поддержания процессов жизнедеятельности (роста, размножения, движения, переноса питательных веществ) микроорганизмам, наряду с питательными веществами, требуется значительное количество энергии.

Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее – химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень химических связей неодинаков. Для одних он имеет величину порядка 8-10 кДж, такие связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия (25-40 кДж), такие связи называются макроэргическими. Почти все известные соединения, обладающие макроэргическими связями, включают атомы фосфора или серы, которые участвуют в образовании этих связей.

Важнейшую роль в жизнедеятельности клетки играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), в состав молекулы которой входит аденин, рибоза (дают соединение аденозин) и три остатка фосфорной кислоты. Это основной аккумулятор энергии в клетке. Как химически высокостабильное соединение АТФ удобна для сохранения энергии, в то же время термодинамическая неустойчивость АТФ обеспечивает ее пригодность для быстрой мобилизации запасенной в ней энергии. Малые размеры АТФ способствуют быстрому перемещению ее в различные части клетки. При гидролизе АТФ происходит внутримолекулярное перераспределение энергии, избыток ее выделяется и используется клеткой: АТФ + Н₂О = АДФ + Ф_н + Энергия

Запас АТФ непрерывно возобновляется за счет реакции присоединения неорганического фосфора к аденозиндифосфату: АДФ + Ф_н + энергия = АТФ

Процесс образования АТФ называется фосфорилированием. Фосфорилирование бывает фотосинтетическое, окислительное и субстратное. Фосфорилирование осуществляется у прокариот на цитоплазматической мембране, у эукариот – в митохондриях.

Фотосинтетическое фосфорилирование происходит при фотосинтезе и вязано со способностью некоторых микроорганизмов превращать в результате сложных реакций энергию света непосредственно в макроэргические связи АТФ. Окислительное фосфорилирование идет сопряжено с реакциями биологического окисления в клетках микроорганизмов, при этом может происходить как окисление органических веществ, так и окисление неорганических веществ. Субстратное фосфорилирование имеет место в анаэробных условиях в процессах брожения, когда происходит перестройка сбраживаемого субстрата при участии ферментов.

Фототрофные (фотосинтезирующие) – это микроорганизмы, использующие энергию солнечного света, хемотрофные (хемосинтезирующие) – это микроорганизмы, использующие энергию химических реакций. Литотрофы, или хемолитотрофы (лат. litos – камень) – это микроорганизмы, использующие энергию окисления минеральных веществ, органотрофы, или хемоорганотрофы – это использующие энергию окисления органических веществ.

Брожение

Брожение – это способ получения энергии без участия атмосферного кислорода в результате окислительно-восстановительных реакций, в которых органические вещества функционируют как доноры и как акцепторы водорода.

Сбраживаться могут не все вещества, а только такие, которые имеют неполностью окисленные (или восстановленные) атомы углерода и поэтому способны подвергаться сопряженному процессу окисления – восстановления, приводящему к выделению энергии. В процессах брожения расщепляются вещества различной степени сложности. Наиболее доступным органическим субстратом для процессов брожения являются гексозы, в частности глюкоза. Брожения более сложных субстратов осуществляется после предварительного расщепления их до глюкозы или продуктов ее превращения. Некоторые микроорганизмы способны извлекать энергию при сбраживании пентоз, жирных кислот, аминокислот. У микроорганизмов есть несколько серий реакций, ведущих к выработке энергии путем расщепления гексоз в условиях анаэробиоза.

Гексозодифосфатный путь. Это наиболее распространенный путь. Назван он так по основному промежуточному продукту этого пути – дважды фосфорилированному сахару - дифосфофруктозе (фруктозо-1,6-фосфат). Этот путь носит название гликолиза (греч. glikos– сладкий, lisis – расщепление). По имени ученых, расшифровавших основные реакции этого пути, его называют также путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП-путь). В процессе гликолиза синтез АТФ происходит на уровне превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфо-глицериновую кислоту и фосфоенолпировиноградной кислоты в пировиноградную кислоту (пируват).

В результате расщепления глюкозы в процессе гликолиза расходуется две, а синтезируется четыре молекулы АТФ. Таким образом, общий выход составляет двемолекулы АТФ и две молекулы НАДН₂ (рисунок В.1).

Гексозомонофосфатный путь (ГМФ-путь). Система реакций этого пути позволяет использовать в качестве энергетического материала, не только гексозы, но и пентозы. Поэтому путь называется также пентозофосфатный окислительный путь (ПФ-путь). Этот путь необходим также для синтеза рибоз, необходимых для нуклеиновых кислот и других соединений. Эта система реакций носит также название путь Варбурга-Диккенса-Хорекера. Первая часть реакций этого пути представляет окислительный процесс, начинающийся также с фосфорилирования глюкозы, которая затем подвергается дважды дегидрированию и один раз декарбоксилированию. В результате образуется центральный метаболит этого пути – рибулозо-6-фосфат. Дальнейшая серия реакций представляет собой взаимопревращения углеродных соединений. Особенностью распада углеводов по ГМФ-пути является образование НАДФН₂, а не НАДН₂, как при гликолизе (рисунок В.2).

У анаэробных микроорганизмов этот путь обычно функционирует параллельно с гликолизом, так как ГМФ-путь сам по себе в анаэробных условиях не приводит к синтезу АТФ. Только у аэробных микроорганизмов этот путь может быть источником энергии после того, как оторванный с помощью НАДФ⁺, водород поступает в дыхательную цепь.

Кетодезоксифосфоглюконатный путь (КДФГ-путь). Этот путь обнаруживается только у микроорганизмов и представляет собой модификацию гликолиза и ГМФ-пути. По имени ученых, открывших путь, он называется путь Энтнера-Дудорова. Этот путь используется микроорганизмами для получения пировиноградной кислоты (ПВК) более коротким путем. Если при гликолизе для получения ПВК надо пройти девять этапов, то при КДФГ-пути достаточно четырех этапов. У некоторых микроорганизмов этот путь может быть единственным для получения энергии при усвоении сахаров в анаэробных условиях. КДФГ-путь также начинается с фосфорилирования глюкозы и образования АДФ из АТФ. Затем глюкозо-6-фосфат превращается в 6-фосфо-глюконовую кислоту, от которой отщепляется вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфо-глюконовая кислота. Это соединение расщепляется специфической альдолазой на ПВК и 3-фос-фоглицериновый альдегид, окисляющийся в ПВК. При расщеплении глюкозы КДФГ-путем образуется по одной молекуле АТФ, НАДН₂ иНАДФН₂ (рисунок В.3)

Для анаэробных микроорганизмов представленные процессы являются основной возможностью получения энергии при усвоении сахаров. В зависимости от наличия специфических для каждого вида микроорганизмов ферментов в анаэробных условиях происходит перенос водорода от НАДН₂ на ПВК или субстраты, образуемые из ПВК. В результате этого получаются различные восстановленные соединения, называемые продуктами брожения, а соответственно им называются процессы брожения. Различают несколько типов брожения – молочнокислое, маслянокислое, спиртовое и др., которые вызываются соответствующими микроорганизмами.