Метаболизм бактериальной клетки

Метаболизм бактериальной клетки

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

Метаболизм бактериальной клетки.

                                                                      Реферат

студента 3 курса 6 группы

                                                       Ковальчука К.В.

Минск 2003г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение  ……………………………………………………………………………….3                                                                                                                           

Катаболизм углеводов …………………………………………………………………3                                                                                         

Цикл трикарбоновых кислот …………………………………………………………..5

Дыхательная цепь и  окислительное фосфорилирование…………………………….5                                                                                                 

Вспомогательные циклы и глюконеогенез………………….…………………………7                                                                                                    

Брожение…………………………………………………………………………………8                                                                                                                       

Использование неорганических доноров водорода………..………………………….9 

Фиксация СО2……………………………………………………………………………………………………..10    

Фотосинтез……………………………………………………………………………….11

Разложение природных веществ………………………………………………………..12

Биосинтетические процессы…………………………………………………………….12

Литература………………………………………………………………………………..13

Введение.

Метаболизм  представляет собой совокупность всех химических реакций, проходящих в клетке. В процессе метаболизма происходит превращение одних веществ в другие (обмен веществ) и, соответственно, превращение энергии запасённой в этих веществах. Для поддержания жизнедеятельности клетка нуждается в энергии и в определённых веществах. Источником энергии для клетки чаще всего служит расщепление органических соединений. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, сопровождающихся выделением энергии, называется энергетическим метаболизмом (катаболизмом). В процессе катаболизма происходит не только запасание энергии в доступной для клетки форме, но также и образуются  низкомолекулярные вещества, которые являются субстратом для синтеза различных компонентов и соединений, необходимых для функционирования клетки (организма). Совокупность таких  биосинтетических процессов составляет анаболизм. Связующим звеном между катаболизмом и анаболизмом является ряд реакций промежуточного обмена, или амфиболизма.

Катаболизм углеводов.

В зависимости от механизма преобразования энергии в доступную для клетки биохимическую форму различают два главных типа метаболизма – фототрофный и хемотрофный. Организмы, способные использовать в качестве источника энергии для роста свет, называют фототрофными (фотосинтезирующими). В отличие от них хемотрофными (хемосинтезирующими) называют организмы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций с участием субстратов, которые служат для них источником питания (питательные вещества). Для большинства микроорганизмов основными питательными веществами служат.

Можно выделить четыре важнейших этапа катаболизма глюкозы:

1 - начальное расщепление до с3-соединений

2 - окисление пирувата

3 - цикл трикарбоновых кислот

4 - дыхательная цепь

 Начальное расщепление до с3-соединений

Много путей ведет от глюкозы к Сз-соединениям и среди них к пировиноградной кислоте—одному из важнейших промежуточных продуктов обмена веществ. Чаще других используется путь распада  через образование фруктозо-1,6-дифосфата (гликолиз). Другой ряд реакции, к осуществлению которых способно большинство организмов образует цикл, известный под названи­ем окислительный пентозофосфатный путь. Обратная последовательность реакций включает основные этапы, ведущие к регенерации, акцептора СО2 при автотрофной фиксации СО2. Только у бактерий встречается, видимо, путь Энтнера—Дудорова (или КДФГ-путь по характерному промежуточному продукту). Другие сходные механизмы распада гексоз имеют более специальное значение. Глюкоза в клетке сначала фосфорилируется в положении 6 с участием фермента гексокиназы и АТФ в качестве донора фосфата. Глюкозо-6-фосфат представляет собой метаболически активную форму глюкозы в клетке и служит исходным пунктом для любого из трёх упомянутых путей распада.

В процессе гликолиза (рис.1.)происходит расщепление глюкозы до пирувата; при этом сначала потребляется энергия 2 молекул АТР, а затем образуются 4 молекул АТР путём переноса фосфатной группы с субстрата на ADP (субстратное фосфорилирование), а также восстановление 2 молекул  NAD до NADH2. Пируват служит исходным пунктом дальнейших процессов расщепления, преобразования и синтеза.

Обе реакции, протекающие с выделением энергии при превра­щении триозофосфата в пировиноградную кислоту, являются для анаэробных организмов важнейшими  этапами, доставляющими энергию. В анаэробных условиях все микроорганизмы, сбраживающие углеводы (за немногими исключениями), используют энергию, получаемую в результате окисления глицеральдегидфосфата в пируват.

Пентозофосфатный путь включает несколько циклов. В результате функционирования которых из трёх молекул глюкозо-6-фосфата образуются  три молекулы СО2 и три молекулы пентоз (рибулозо-5-фосфат и др.). Последние используются для регенерации двух молекул

                                                     АТР                     ADP+ Pi

                КДФГ-путь                                                                                                   Пентозофосфатный

                                                                                                          путь

                                                   ATP                           ADP+ Pi

                                                                                  NAD                  NADH2

                NADH2                     NAD                            Pi           

                                                                                     ADP+P                         ATP

                              Глицерол + Pi

                                                                               H2O

глюкозо-6-фосфата и одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Поскольку из двух молекул глицеральдегид-3-фосфата можно регенерировать молекулу глюкозо-6-фосфата, глюкоза может быть полностью окислена при превращении по пентозофосфатному пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 NADPà3CO2 + 2 глюкозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат +        6 NADPH + 6 H+

  Данный цикл не приводит к синтезу АТР, он представляет собой явно дополнительный путь. Его значение следует видеть в подготовке важных исходных веществ (пентозофосфатов, эритрозофосфата, глицеральдегид-3-фосфата), а также   восстановительных эквивалентов (NADH2) для процессов синтеза. В частности, он обеспечивает рибозой синтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

КДФГ-путь (путь Энтнера — Дудорова) начинается с дегидрирования глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконата, от него отщепляется вода и образуется 2-кето-З-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ). КДФГ расщепляется на пировиноградную кислоту и 3-фосфоглицериновый альдегид. Последний окисляется до пирувата, также как и в гликолизе. На каждый моль глюкозы, окисляемой до пирувата, в КДФГ-пути образуется 2 моля АТР, 1 моль NADH2 и 1 моль NADPH2.

Окисление пирувата.

Пируват занимает центральное положение в промежуточном метаболизме и может служить предшественником разнообразных продуктов. Многие организмы окисляют большую часть образующегося в ходе метаболизма пирувата до ацетилкофермента А.  Окисление может осуществляться с помощью одной из следующих реакций:

Пируват + СоА + NAD à Ацетил-СоА + NADH2 + CO2

Пируват + СоА + 2Fd à Ацетил-СоА + 2FdH + CO2     (Fd – ферредоксин)

Пируват + СоА à Ацетил-СоА + формиат

Цикл трикарбоновых кислот.

Цикл трикарбоновых кислот слу­жит для окисления ацетил-СоА до С02 с отщеплением водорода.

                                             Н2О                                                    При участии дегидрогеназ  водород

                           Ацетил-СоА      СоА                                       переносится на NAD(P) и FAD. Восс-              

                                                                                                         тановленные коферменты затем           

            оксалоацетат                                цитрат                       передают водород (электроны) в

                                                                                                  дыхательную цепь. В конечном

                     NAD                                                                     H2O               счёте окисление ацетата в цикле

                            NADH2                                                                                       даёт 2 молекулы СО2; 8 протонов и

малат                                                                   цис-аконитат 1 молекулу АТР. Цикл Кребса не

                                                                                                  только выполняет функцию конеч-

         Н2О                                                                                                   Н2О      ного окисления органических

фумарат                                                                                     веществ, но и обеспечивает про-

                                                глиоксилат                                  цессы биосинтеза различными

                FAD                                                                                                   предшественниками. Сам цикл

                      FADH2                 сукцинат                                                           также обеспечивается С4-дикарбо-

сукцинат                                                          изоцитрат          новыми кислотами, образующимися

                                                                                                                                  при карбоксилировании пирувата и

                          АТР                                                                                                                                NADP                   фосфоенолпирувата.

               CоА                                                                                                                            

                                                                                                             NADPH2

     ADP              сукцинил-СоА                              оксалосукцинат

                                      NAD

                                          NADH2                   

                    СО2                                               CO2

                        CоА             оксоглуторат

Дыхательная цепь и  окислительное фосфорилирование.

В то время как большинство анаэробных организмов способно синтезировать АТР только путём субстратного фосфорилирования, аэробы могут осуществлять более эффективную регенерацию АТР. Они обладают особым аппаратом: дыхательной (электрон-транспортной) цепью и АТР-синтетазой. Обе системы находятся в плазматической мембране. Ведущие своё происхождение от субстратов восстановительные эквиваленты (Н и электроны) поступают в дыхательную цепь  и транспортируются к терминальному акцептору электронов таким образом, что между внутренней и внешней мембранами создаётся электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда возникает благодаря определённому расположению компонентов дыхательной цепи в мембране. Некоторые из этих компонентов переносят электроны. Другие переносят протоны (Н+). Взаиморасположение переносчиков в мембране таково, что при транспорте электронов от субстрата к О2 протоны связываются на внутренней стороне мембраны, а освобождаются на внешней. Электрохимический градиент служит движущей силой для процесса регенерации АТР (и других процессов, требующих затраты энергии). обратный переход протонов с наружной стороны мембраны на внутреннюю сопряжён с синтезом АТР АТР-синтетазой. Синтез АТР за счёт энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилированием.

Компонентами  дыхательной цепи являются:

1.       флавопротеины - переносчики водорода; простетические группы – флавинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD).

2.       железосерные белки – переносчики электронов; содержат атомы железа, связанные с серой цистеина и неорганической серой (Fe-S-центры)

3.       хиноны – липофильные молекулы, способные переносить водород и электроны. По сравнению с другими компонентами содержатся в 10-15-кратном избытке.

4.       цитохромы – переносчики электронов; простетическая группа – гем. При переносе электронов эквивалентное им число протонов переходит в раствор. Во всех организмах найден цитохром с; существует также целый ряд других цитохромов.

Страницы: 1, 2