XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Несмотря на то что органическая жизнь в целом очень сложное и многогранное явление, отдельные механизмы, поддерживающие ее существование, могут быть разобраны до совершенно простых составляющих. К таким условно сложным, но на самом деле очень простым механизмам относится и метаболизм микроорганизмов.

В микробной клетке постоянно протекают реакции, обеспечивающие ее жизнедеятельность. При этом из мономеров формируются клеточные полимерные структуры. Мономеры поступают в клетку в готовом виде из внешней среды или синтезируются самой клеткой. Эти реакции катализируются ферментами. Обмен веществ бактериальной клетки с окружающей средой и превращение одних веществ в другие внутри микробной клетки под влиянием ферментов называется метаболизмом. Следовательно, метаболизм - это направленное преобразование веществ внутри клетки, основанное на воспроизводство структур и обеспечение жизненных функций микробной клетки (рост и размножение, отложение резервного пищевого материала, транспорт питательных веществ в микробную клетку, выделение продуктов метаболизма, движение, спорообразование и т.д.). При этом в клетке происходят последовательные ферментативные реакции разрушения и синтеза биомолекул. Промежуточные или конечные вещества, образующиеся в результате этих реакций, называются метаболитами. Метаболизм бактерий включает питание, получение энергии, рост и размножение бактерий, а также их взаимодействие с окружающей средой [1,10].

Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

• его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных.

• процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции.

• субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения).

• бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра [11].

В микробиологии общая картина метаболизма в любом организме представляет собой цикл реакций, одни из которых обеспечивают организм энергией, а другие постоянно пополняют организм материей (поставляют строительный материал). Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и биосинтетических структурах. Клетка очень экономно высвобождает энергию, и синтезируют веществ ровно столько, сколько необходимо ей в настоящий момент.

Особенности метаболизма бактерий состоят в том, что прокариотические клетки в качестве окислителей могут использовать не только кислород, а и другие органические и неорганические соединения. Такие особенности метаболизма у бактерий обусловлены наличием двух видов ферментов (белковых молекул, ускоряющих реакции в живых клетках):

• экзоферменты – белковые молекулы, которые клетка продуцирует наружу и которые разрушают наружный субстрат до исходных молекул (именно эти молекулы уже могут поступать через клеточную стенку в цитоплазму);

• эндоферменты – белковые молекулы, действующие внутри клетки и вступающие в реакцию с молекулами субстрата, поступившими извне [4].

Каждый фермент обладает специфичностью действия, т. е. может расщеплять лишь определенные соединения. Кроме того, для действия каждого фермента имеются свои кардинальные точки в отношении температуры, рН и других условий [8].

Жизненная стратегия бактерий состоит в постоянном воспроизведении своей биомассы за счёт интенсивного обмена веществ. Однако, все многообразие химических реакций, происходящих внутри бактериальной клетки, сводится к двум разнонаправленным, но тесно взаимосвязанным процессам: анаболизм и катаболизм [5].

Пути реакций анаболизма и катаболизма состоят из большого числа последовательных ферментативных реакций и делятся на три этапа:

1. Периферический (начальный) метаболизм – превращение субстрата под действием экзоферментов микроорганизмов.

2. Промежуточный метаболизм (амфибализм) – ферментативные реакции, приводящие к образованию промежуточных продуктов метаболизма, общих для катаболических и анаболических путей.

3. Конечный метаболизм – использование конечных продуктов конструктивного метаболизма для построения вещества клеток и выведение в окружающую среду конечных продуктов [2].

Периферический метаболизм прокариот характеризуется большим разнообразием, что проявляется в использовании в качестве исходных субстратов и энергии широкого набора неорганических и органических веществ. Эта способность обусловлена различиями в наборах клеточных экзоферментов. Промежуточный метаболизм бактерий значительным разнообразием не отличается. Эти этапы важны для идентификации микробиологами прокариотов по тем ферментам, которые они вырабатывают на разных стадиях метаболизма [5].

Энергетический катаболизм (реакция разрушения).

Фактически этот вид метаболизма обеспечивается за счет окислительного дыхания. В процессе дыхания организуется приток в организм элементов-окислителей, окисляющих уже присутствующие в этом организме определенные химические соединения с выделением энергии АТФ. Эта энергия присутствует в клетке в виде фосфатных связей [10].

Наиболее выгодным типом окислительно-восстановительных реакций у бактерий, в результате которых генерируется наибольший запас энергии в виде молекул АТФ, является аэробное дыхание. Наименее выгодным типом энергодающих реакций является брожение, сопровождающееся минимальным выходом АТФ.

Основной процесс энергетического метаболизма многих прокариот аэробное дыхание, при котором донором водорода или электронов являются органические вещества, а конечным акцептором - молекулярный кислород. Основное количество энергии при аэробном дыхании образуется в электрон-транспортной цепи, т.е. в результате мембранного фосфорилирования. Окислительному фосфорилированию предшествует гликолиз и цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

При анаэробном дыхании конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи являются неорганические или органические соединения.

Брожение– совокупность анаэробных окислительно-восстановительных реакций, при которых органические соединения служат как донорами, так и акцепторами электронов. АТФ при брожении синтезируется в результате реакций субстратного фосфорилирования [3,7].

Конструктивный анаболизм (реакции созидания)

Это процесс биосинтеза органических молекул, которые необходимы для поддержания жизни в клетке. Протекает в виде химических реакций, в которые вступают поступающие в клетку вещества и собственные внутриклеточные продукты катаболизма (амфиболиты). Эти реакции обеспечиваются энергией за счет потребления накопленного в АТФ энергетического запаса [10].

Анаболические процессы включают биосинтез микробной клеткой полисахаридов, белков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот, липидов. Реакции протекают в несколько этапов. В результате начальных стадий из продуктов разложения глюкозы образуются белковые молекулы-мономеры, которые на следующих этапах собираются в макромолекулы [6].

Аминокислоты – основной строительный материал для белка. В состав белка входят 20 аминокислот, и все они синтезируются самой бактерией.

Аминная группа аминокислот получает свой азот из нитратов, нитритов, молекулярного азота и аммиака. Именно в эти органические соединения преобразуется неорганический азот, перед тем как стать частью полимерных макромолекул той или иной аминокислоты.

Нуклеотиды – строительный материал для ДНК и РНК, а также для коферментов (небелковых молекул, являющихся активационными центрами белка). Если у бактерии есть доступ к остаткам нуклеиновых кислот или нуклеотиды присутствуют в субстрате, бактериальная клетка будет потреблять готовые нуклеотиды, и только при отсутствии готового продукта бактерия осуществляет сложный синтез нуклеинового полимера.

Липиды – органические вещества, состоящие из жиров и жироподобных веществ, синтезируются бактериями из промежуточного метаболита ацетил-КоА. В результате сложных реакций с использованием ферментов синтезируются жирные кислоты, из которых бактерия строит клеточные стенки и формирует цепи электронного транспорта.

Конструктивные и энергетические процессы в клетках протекают одновременно и очень тесно связаны между собой. Такая взаимосвязь приводит к образованию амфиболитов – промежуточных соединений, которые используются в каждом из метаболических путей [4].

Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д.

Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами:

• регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования;

• регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов);

• катаболитной репрессией [12].

Ретроингибирование – способ точного и быстрого регулирования образования продукта. В процессе ретроингибирования активность фермента, стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата, тормозится конечным метаболитом. Низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ ключевым ферментам метаболизма (регуляторам периодичности образования продукта).

Регуляция объема биосинтеза ферментов (индукция и репрессия) осуществляется на оперонном уровне путем изменения количества иРНК, образующихся в процессе транскрипции. Сущность катаболитной репрессии заключается в подавлении биосинтеза ферментов, обеспечивающих метаболизм одного источника углерода другим источником углерода.

Задача регуляторных механизмов заключается в эффективном регулировании и координировании путей метаболизма с целью поддержания необходимой концентрации клеточных компонентов [9].

Назначение метаболизма состоит в следующем:

1) генерация энергии в молекулах АТФ или других богатых энергией соединениях;

2) образование субъединиц, из которых синтезируются макромолекулы основных биополимеров клетки;

3) активация образованных субъединиц за счет переноса фосфатной группы с АТФ, происходящая с затратой энергии. Этот процесс необходим, поскольку только активированные субъединицы способны вступать в реакции полимеризации;

4) синтез специфических макромолекул из активированных субъединиц, т. е. их полимеризация:

а) в реакциях матричного синтеза;

б) за счет простой конденсации одинаковых активированных субъединиц [10].

Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации. Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов [11].

Список использованной литературы

1. Курс по микробиологии, вирусологии, иммунологии для студентов 2- 3 курсов факультета по подготовке специалистов для зарубежных стран. / Тапальский Д.В., Ильинская Т.Н., Шевцова Л.В., Лагун Л.В. ⎯ Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет», 2012. — 317 с.

2. Лекция 3. Физиология микроорганизмов. Метаболизм бактерий. // Студопедия URL: https://studopedia.su/9_22426_lektsiya-.html?ysclid=lp4b73bn71203332410 (дата обращения: 18.11.2023).

3. Литусов Н.В. Физиология бактерий. Иллюстрированное учебное пособие. –  Екатеринбург: Изд-во УГМУ, 2015. – 43 с.

4. Метаболизм или за счет чего живут бактерии URL: https://probakterii.ru/prokaryotes/vital-functions/metabolizm-bakterij.html?ysclid=lp4assjqck597477271 (дата обращения: 18.11.2023).

5. Метаболизм микроорганизмов // Лигабакт URL: https://www.agroxxi.ru/goshandbook/wiki/dictionary/Microorganism_metabolism.html (дата обращения: 18.11.2023).

6. Метаболизм микроорганизмов // studylib.ru URL: https://studylib.ru/doc/860028/metabolizm-mikroorganizmov?ysclid=lp4bgus8f5554564450 (дата обращения: 18.11.2023).

7. Метаболизм микроорганизмов // helpiks URL: https://helpiks.org/6-72382.html (дата обращения: 18.11.2023).

8. Обмен веществ микроорганизмов // comodity URL: http://www.comodity.ru/microbiology/classification/10.html?ysclid=lp4aqg6o8j676080813 (дата обращения: 18.11.2023).

9. Общая схема метаболизма микроорганизмов и механизмы его регуляции // pandia URL: https://pandia.ru/text/80/401/388.php?ysclid=lp49ye3mdz55742079 (дата обращения: 18.11.2023).

10. Общая характеристика метаболизма бактерий, особенности их биоэнергетики // studfile.net URL: https://studfile.net/preview/5244871/ (дата обращения: 18.11.2023).

11. Питание и особенности метаболизма бактерий // kartaslov.ru URL: https://kartaslov.ru/ (дата обращения: 18.11.2023).

12. Способы изучения биохимической регуляции метаболизма микроорганизмов // vseobiology.ru URL: https://vseobiology.ru/mikrobiologiya/178934sposoby-izucheniya-biokhimicheskoj-regulyatsii-metabolizma-mikroorganizmov (дата обращения: 18.11.2023).

Код для цитирования: Скопировать