[ H ]                                                 АТР        [ H ]                                   оксалоацетат

                      ацетоацетил-СоА                                           Н2        СО2                                       [ H ]

                                                               ацетат           этанол          

бутанол                                                                                                             АТР

                           [ H ]           СО2     [ H ]                                                                                          сукцинат

                                                                  пропан-2-ол

бутират           ацетон                                                                                                СО2

                                                                                                                                                            пропионат

Большинство природных соединений, состоя­щих из углерода, водорода, кислорода и (или) азота, поддается сбраживанию в анаэробных условиях. Предпосылкой для сбраживания является возможность частичного окисления субстрата в результате внутримолекулярного расщепления, сопровождающегося выделением энергии. Сбраживаются, например, полисахариды, гексозы, пентозы, тетрозы, многоатомные спирты, органические кислоты, аминокислоты (за исключением ароматических, лишь условно поддающихся сбраживанию), пурины, пиримидины.

Наряду с соединениями, которые сбраживаются в анаэробных условиях, есть вещества, неспособные сбраживаться. Это алифатические и ароматические углеводороды, стероиды, каротиноиды, терпены, порфирины. В аэробных условиях все эти вещества поддаются расщеплению и полностью окисляются, но в анаэробных условиях они стабильны. Стабильность их может быть обусловлена двумя причинами: 1) большинство названных соединений содержит только атомы углерода и водорода; при внутримолекулярном рас­щеплении таких соединений энергия не выделяется; 2) насыщен­ные углеводороды и полиизопреноиды могут окисляться только в присутствии молекулярного кислорода.

Использование неорганических доноров водорода.

Многие группы почвенных и водных бактерий могут использовать в ка­честве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфида, тиосульфата, сульфита и двухвалентного железа), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО2 т.е. способны получать в результате их окисления вос­становительные эквиваленты и энергию для синтетических процессов. Получение энергии происходит, как правило, в результате дыхания с О2, как конечным акцептором водорода. Электроны, освобождающиеся при окислении упомянутых неорганических субстратов, поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с или цитохрома а. Поскольку фосфорилирование при этом может происходить лишь на одном этапе окисления, выигрыш в энергии соответствен­но невелик. Часть этой энергии затрачивается на то, чтобы «оттеснить» электроны, поступающие на участок цитохромов, по дыхательной цепи назад, на уровень пиридиннуклеотидов (восстановительные эквиваленты для синтезов), и восстановить последние. Лишь немногие из относящихся к этой группе бактерий способны расти за счет «анаэробного дыхания», используя в качестве акцепторов водорода нитрат, нитрит, закись азота и т. п. Такой образ жизни с использованием неорганического донора во­дорода называют хемолитотрофным. Большинство бактерий с таким типом метаболизма используют СО2 в качестве единственного или главного источника клеточного угле­рода. Они являются поэтому автотрофами (хемолитоавтотрофами). По­чти все аэробные хемолитоавтотрофные бактерии, до сих пор изученные в этом отношении, ассимилируют углерод СО2 через рибулозобисфосфатный цикл.

Превращение аммиака (аммония) в нитрат- нитрификация - осуществляется  двумя группами нитрифицирующих бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат:

à à   

При окислении нитрита электроны переносятся на цитохром а1.

Различные соединения серы могут окисляться тиобациллами до сульфата:

à Sà

Электроны, высвобождающиеся при окислении сульфита до сульфата, поступают вдыхательную цепь. Некоторые тиобациллы способны использовать выделяющуюся при этом окислении энергию для фосфорилирования на уровне субстрата:

                      аденозинфосфосульфат                       

         АМР     2                                     Pi        ADP

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного:

По­чти во всех группах бактерий, синтезирующих АТР путем окислитель­ного фосфорилирования в анаэробных условиях («анаэробное дыха­ние»), есть формы, способные использовать молекулярный водород в качестве донора электронов. Существуют также аэробные бактерии, окисляющие водород с использованием кислорода в качестве конечного акцептора электронов.

Ряд бактерий способны использовать СО в качестве единственного источника электронов, окисляя его до СО2.

Фиксация СО2.

Большинство бактерий , способных расти в условиях, когда единственным источником углерода служит углекислота, фиксируют её через рибулозобифосфатный цикл. К таким бактериям относятся аэробные хемолитоавтотрофные, фототрофные и цианобактерии. Рибулозобифосфатный цикл – это восстановительный процесс, в котором СО2 восстанавливается до уровня углеводов. На первом этапе при участии рибулозобифосфат-карбоксилазы к рибулозо-1,5-бифосфату присоединяется СО2, и в результате образуются две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. [ Этот же фермент в отсутствие СО2 и в присутствии О2 окисляет рибулозобифосфат до фосфогликолата и 3-фосфоглицерата. Эта реакция участвует в образовании гликолевой кислоты у автотрофных бактерий (в фотодыхании)].  Затем  3-фосфоглицерат восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата за счёт NAD(P)H2 и гидролиза АТР. На последнем этапе цикла глицеральдегид-3-фосфат и его изомер дигидроксиацетонфосфат участвуют в ряде реакций, приводящих к регенерации рибулозобифосфата, и цикл замыкается.

Часть триозофосфатов выводится из цикла и используются для синтеза гексозофосфатов и других сахаров. Ряд промежуточных продуктов также выводятся из цикла и используются для разнообразных синтезов.

Анаэробные автотрофные бактерии располагают двумя другими механизмами ассимиляции СО2. Метанобразующие, ацетогенные и сульфатредуцирующие бактерии, способные использовать в качестве доноров электронов Н2 или СО, восстанавливают СО2 по анаэробному ацетил-СоА пути до ацетил-СоА и пирувата. Зелёные серобактерии фиксируют СО2 исключительно с помощью реакций восстановительного цикла трикарбоновых кислот; СО2 фиксируется благодаря восстановительному карбоксилированию сукцинил-СоА.

Фотосинтез.

Фотосинтез – происходящее в клетках фототрофных организмов преобразование световой энергии в биохимически доступную энергию (АТР) и восстановительную силу [NAD(P)H2], а также связанный с этим синтез клеточных компонентов. Фотосинтетическое фосфорилирование и фотосинтетическое восстановление пиридиннуклеотидов – это процессы, ведущие к образованию первых стабильных продуктов фотосинтеза. АТР и NAD(P)H2 используются затем для фиксации СО2 и дальнейших процессов биосинтеза. Организмы, использующие воду в качестве донора электронов, осуществляют оксигенный фотосинтез, идущий с выделением кислорода. Организмы, использующие в качестве донора электронов другие вещества (с более высокой степенью восстановления – Н2S, H2, органические вещества), осуществляют  аноксигенный фотосинтез, идущий без выделения кислорода. Фотосинтез происходит в мембранах или на их поверхности, а фиксация СО2 – в цитоплазме.

Мембрана содержит в себе пигментные молекулы, переносчики электронов и ферменты. Подавляющее большинство молекул (бактерио)хлорофилла, а также дополнительные пигменты(каротиноиды, фикобилипротеины) образуют систему антенны, ответственную за поглощение света и распределение энергии. Незначительная часть молекул (бактерио)хлорофилла выполняет роль фотохимического реакционного центра, в котором протекает собственно фотохимическая окислительно-восстановительная реакция. Пигменты антенн улавливают свет и передают энергию первичному донору реакционного центра [комплекс (бактерио)хлорофилла с белками].   Под воздействием энергии света донор передаёт электрон первичному акцептору реакционного центра и сам окисляется (возникает «дырка»). Дырка затем заполняется электроном от какого-либо внешнего донора. От первичного акцептора электроны проходят через ряд переносчиков, в конце восстанавливая NADP. При оксигенном фотосинтезе работают две фотосистем, связанные между собой электрон транспортной цепью, важным звеном в которой является пластохинон, который подобно убихинону в дыхательной цепи находится в большом избытке и выполняет функцию депо электронов. Фотосинтетический перенос электронов показан на следующей схеме:

    Fe-S

-белок

                                цит.b                                                               Fd              NADP

X320      пласто-                  циклический

               хинон                 поток электронов

                             цит.f          

                                                пластоцианин                                   пигменты

пигменты                                                                                           антенн                         h

                  антенн                 h                            Хл.а.

Хл.а.         

                                2H2O

                                O2 + 4                                                

Две фотосистемы вместе со связывающей их электрон-транспортной цепью обеспечивают направленный поток электронов от воды (с внутренней стороны мембраны) к NADP(с внешней стороны). Перенос 1 электрона через обе фотосистемы сопровождается выведением 2 протонов во внешнюю среду  (с участием пластохинона). В результате мембрана аккумулирует энергию в форме протонного потенциала, и эта энергия используется для синтеза АТР с помощью АТРазы или для совершения какой-либо работы.

В аноксигенном фотосинтезе участвует только одна фотосистема: она поддерживает циклический транспорт электронов. В качестве доноров электронов могут использоваться  сероводород, сера, тиосульфат, органические соединения (малат, сукцинат и др.) и молекулярный водовод. Фотосинтетический перенос электронов приводит к созданию протонного градиента; для восстановления NADH2 требуется обратный транспорт электронов, протекающий с затратой энергии.

В плазматической мембране галобактерий выделяются тёмно-красные пятна, образованные так называемой пурпурной мембраной. Её цвет обусловлен наличием в ней бактериородопсина. Благодаря этому пигменту на свету создаётся протонный градиент между наружной и внутренней сторонами мембраны, т.е. энергия света превращается в одну из конвертируемых форм энергии.

Разложение природных веществ.

В аэробных условиях все вещества биологического происхождения подвергаются распаду. Каким бы сложным ни было то или иное вещество, в природе всегда найдётся микроорганизм, способный полностью или частично его расщепить, а продукты этого расщепления будут использованы другими микроорганизмами. Для большинства микроорганизмов основными питательными веществами служат углеводы. Главными составными частями растительного материала являются полисахариды: целлюлоза, крахмал, гемицеллюлозы, пектины, агар, лигнин. Все эти вещества представляют собой макромолекулы. Для их расщепления микроорганизмы выделяют в среду экзоферменты, расщепляющие полимеры до мономеров и низших олигомеров (моно-, ди-, олигосахаров) которые поступают в клетку, где подвергаются дальнейшим превращениям. Аналогично расщепляется хитин животных и грибов. Широко распространены бактерии разлагающие углеводороды; причём, чем длиннее цепь углеводородов, тем активнее они разлагаются. Белки сначала расщепляются внеклеточными протеазами до пептидов, способных проникнуть в клетку, и частично до аминокислот. Пептиды поступают в клетку и гидролизуются внутриклеточными протеазами до аминокислот. Последние либо используются клеткой как таковые для синтеза белка либо подвергаются ряду превращений: декарбоксилированию до биогенных аминов, дезаминированию до оксокислот, трансаминированию с переносом аминогруппы на оксокислоту. Образовавшиеся продукты вовлекаются в промежуточный обмен.

Биосинтетические процессы.

Биосинтез аминокислот. Большинство микроорганизмов способны синтезировать все двадцать аминокислот, из которых строятся белки. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена. Аминогруппы вводятся в результате прямого аминирования или переаминирования. Перевод неорганического азота в органические соединения происходит всегда через аммиак. Нитраты, нитриты и молекулярный азот предварительно восста­навливаются в аммиак (ассимиляционная нитратредукция) и толь­ко после этого включаются в состав органических соединений.

Лишь немногие из аминокислот образуются в результате пря­мого аминирования свободными ионами   Таким образом обычно аминируется  . Исходным материалом для синтеза аминокислот служат промежуточные продукты обмена (пируват, - кетоглутарат, оксалоацетат или фумарат, эритрозо-4-фосфат, рнбозо-5-фосфат и АТФ). В большинстве случаев аминогруппа вводится только на последнем этапе синтеза. Некоторые аминокислоты образуются в результате ряда превращений дру­гих аминокислот, и в этих случаях переаминирования не требует­ся.

Биосинтез нуклеотидов. Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот, входят в состав многих коферментов и участвуют в активации и переносе аминокислот, сахаров, липидов и компонентов клеточной стенки. Синтез всех пуриновых нуклеотидов идёт общим путём, разветвляющимся только на стадии инозиновой кислоты, после чего образуется либо адениловая, либо гуаниловая кислота. Общим является и путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов; здесь разделение происходит на уровне уридиловой кислоты.

Исходным соединением для образования пентозного компонента нуклеотидов служит рибозо-5-фосфат. Он может образовываться дву­мя путями: 1)окислительным — из глюкозо-6-фосфата через окислительный пентозофосфатный путь и 2)неокислительным — из фруктозо-6- фосфата и глицеральдегид-3-фосфата через реакции, катализируемые трансальдолазой и транскетолазой. Рибозо-5-фосфат используется для синтеза нуклеотидов в высокоэнергетической форме — в виде фосфорибозилпирофосфата. Восстанов­ление рибозы до дезоксирибозы происходит на стадии рибонуклеотида и осуществляется посредством различных реакций.

Биосинтез липидов. Липиды являются важными компонентами цитоплазматических мембран и кле­точных стенок; служат запасными веществами. В бактериальных жирах преобладают длинноцепочечные  на­сыщенные жирные кислоты и ненасыщенные жирные кислоты, со­держащие одну двойную связь; ненасыщенные жирные кислоты с несколькими двойными связями и стероиды, видимо, отсутству­ют; редки также триглицериды. Большое значение имеют слож­ные фосфолипиды. Биосинтез жирных кислот с длинной цепью протекает путем конденсации и восстановления ацетатных групп. Для повышения реакционной способности метильная группа ацетилкофермента А сначала карбоксилируется с образова­нием малонил-СоА:

СНз-СО ~ SСоА + СО2 + АТР + Н2О à НООС-СН2-СО ~ SСоА + АDP + Pi

В последующих реакциях конденсации карбоксильная группа сно­ва отщепляется в виде СО2. Синтез жирных кислот происходит при участии мультиферментного комплекса согласно уравнению

ацетил-СоА + 7малонил-СоА + 14 NADPH2 à пальмитил-СоА + 14NADP + 7СО2 + 7СоА + 7Н2О

Литература.

1. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987, 576 с.

2. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: Изд-во МГУ, 1992, 448 с.