Энергетический метаболизм прокариот

1.

Энергетический метаболизм
прокариот

2.

Метаболизм
– совокупность ферментативных процессов,
протекающих в клетке и обеспечивающих её
энергетические и биосинтетические
потребности.
Энергетический
метаболизм (катаболизм) –
поток реакций,
сопровождающийся
мобилизацией энергии и
преобразованием её в
электрохимическую или
химическую форму, которая
затем используется во всех
.
энергозависимых процессах
Конструктивный
метаболизм
(биосинтез, анаболизм)
– поток реакций, в результате
которых за счет поступающих
извне веществ строится
вещество клетки и при этом
используется запасённая
клеткой энергия.

3. Классификация микроорганизмов

По источнику углерода
По источнику энергии
В зависимости от донора
электронов
Автотрофы
Гетеротрофы
СО2
органические соединения
Фототрофы
свет
Литотрофы
Хемотрофы
Энергия химических связей
Органотрофы
получают питательные вещества от
макроорганизма
питаются мертвым органическим материалом и
независимы от других организмов

4.

Факторы роста – вещества, которые прокариоты по
каким-либо причинам не могут синтезировать самостоятельно
из используемого источника углерода. К ним относятся
аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и др.
Такие вещества добавляют в питательные среды в готовом виде
в небольших количествах.
Микроорганизмы, которым в дополнение к основному источнику
углерода необходимы факторы роста, называются
ауксотрофы.
Микроорганизмы, которые синтезируют все необходимые
органические соединения из основного источника углерода
самостоятельно, называются прототрофы.

5.

6.

Бактерии, изучаемые медицинской
микробиологиейхемоорганогетеротрофы
Отличительной особенностью этой
группы является то, что источник
углерода у них является источником
энергии.

7.

• В общем виде процессы, способные служить
источником энергии для прокариот, можно
представить следующим образом
Должен существовать энергетический ресурс исходный субстрат
С помощью ферментных систем организм
извлекает энергию из этого субстрата в
реакциях его ступенчатого окисления

8.

9.

Способность использовать
химическую энергию присуща всем
без исключения организмам.
Особенно многообразны
возможности прокариот.
Мономеры, образованные при
расщеплении биополимеров, должны
быть ферментативным путем
трансформированы в молекулы,
способные включаться в качестве
метаболитов в функционирующие
клеточные катаболические системы

10.

Основные катаболические системы клетки:
гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса),
окислительный пентозофосфатный путь,
путь Энтнера-Дудорова
цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Общее для всех катаболических путей –
многоступенчатость процесса окисления
исходного субстрата
На некоторых этапах окисление субстрата
сопряжено с образованием энергии в той форме, в
которой она может быть использована клеткой

11. Схема энергетических процессов у прокариот.

12.

13.

Символ "~", введенный американским
биохимиком Ф. Липманом (F. Lipmann), служит
для обозначения макроэргической связи.

14. Брожение – наиболее примитивный способ получения энергии

Донор и акцептор электронов – органические
вещества, т.е. из субстрата в результате его
анаэробного преобразования извлекается лишь
незначительная доля той химической энергии,
которая в нем содержится.
Процесс протекает только в анаэробных условиях
Энергия запасается в молекулах АТФ в реакциях
субстратного фосфорилирования.
Все реакции катализируются растворимыми
ферментами.
Энергетический выход: при окислении 1 молекулы
глюкозы в среднем образуется 2 молекулы АТФ

15.

16. Продукты брожения глюкозы

17. Муравьинокислое брожение и семейство Enterobacteriaceae

Некоторые микроорганизмы, образующие при
брожении кислоты, объединяют в одну
физиологическую группу на том основании, что
характерным, хотя и не главным продуктом брожения
является у них муравьиная кислота.
Наряду с муравьиной кислотой такие бактерии
выделяют и некоторые другие кислоты; такой тип
метаболизма называют поэтому муравьинокислым
брожением или брожением смешанного типа.
Так как некоторые типичные представители этой
группы обитают в кишечнике, все семейство носит
название Enterobacteriaceae.
Будучи факультативными аэробами, они обладают
гемопротеинами (цитохромами и каталазой) и способны
получать энергию как в процессе дыхания (в аэробных
условиях), так и в процессе брожения (в анаэробных
условиях).

18.

1. Спиртовое брожение
дрожжи, грибы рода Mucor
2. Молочнокислое брожение.
Типичное (гомоферментативное)
молочнокислое брожение - процесс
расщепления углеводов (лактозы,
мальтозы, сахарозы, глюкозы и др.) с
образованием молочной кислоты без
побочных продуктов
Род Streptococcus,
Отдельные представители
рода Lactobacillus
Нетипичное (гетероферментативное)
Отдельные представители
молочнокислое брожение происходит рода Lactobacillus
с образованием молочной кислоты,
уксусной кислоты, этилового спирта и
газообразных продуктов - углекислоты.
3. Пропионовокислое
Propionibacterium spp. ,
Veillonella alcalescens,
Clostridium propionicum
4. Маслянокислое
Бактерии рода Clostridium
5. Муравьинокислое смешанного
типа
Cемейство
Enterobacteriaceae

19.

В процессе дыхания происходит окисление
восстановленных веществ с относительно низким
окислительно-восстановительным потенциалом,
образующихся в реакциях метаболизма или являющихся
исходными субстратами (NADH2, сукцинат, лактат и др.)
Окисление происходит в результате переноса
электронов от донора к акцептору по градиенту редокспотенциала через ряд последовательно
функционирующих переносчиков, встроенных в
мембрану – дыхательную электронотранспортную цепь

20. Организация дыхательной цепи

21.

Расположение переносчиков электронов в ЦПМ прокариот таково,
что
при
работе
любой
электронотранспортной
цепи
(фотосинтетической или дыхательной) во внешней среде
происходит накопление ионов водорода (протонов), приводящее к
подкислению среды, а в клеточной цитоплазме — их уменьшение,
сопровождающееся ее подщелачиванием, таким образом при
переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный
электрохимический градиент ионов водорода, обозначаемый
символом ΔμН+

22.

23. Дыхание (продолжение)

• Освобождающаяся припреносе электронов энергия первоначально
запасается в форме ΔμН+
• Разрядка ΔμН+ происходит с участием протонного АТФсинтазного
комплекса
• Локализованная в мембране АТФсинтаза катализирует реакции синтеза и
гидролиза АТФ в соответствии с уравнением
• Реакция, протекающая слева направо, сопряжена с транспортом H+ по
. что приводит к разрядке
градиенту ΔμH+, при этом выделяется энергия,
градиента и синтезу АТФ.
• Протекающая в противоположном направлении реакция гидролиза АТФ
сопровождается выделением энергии
и приводит к переносу Н+ против градиента, что приводит к
образованию (или возрастанию) ΔμH+ на мембране.
• Таким образом, АТФ-синтазный ферментный комплекс служит
механизмом, обеспечивающим взаимное превращение двух форм
клеточной энергии (ΔμH+ и АТФ), устройством, сопрягающим процессы
окислительной природы с фосфорилированием.

24. Особенности дыхательных цепей прокариот

• Дыхательная цепь бактерий:
Расположена в цитоплазматической мембране
Имеет непостоянный состав переносчиков ( возможна
замена одних переносчиков другими; добавление или
удаление, например , цитохрома с)
Большинство бактерий имеют разветвленные
дыхательные цепи на уровне цитохромов из-за большого
потока электронов при избытке субстрата, чтобы не
образовывалась электронная пробка
Количество переносимых протонов на одну пару
электронов варьирует у разных бактерий
Может иметь вместо кислорода другие конечные
акцепторы электронов.

25.

Брожение
Дыхание
Процесс протекает в
Дыхательная цепь
цитоплазме
Донор и акцептор электронов –
органические метаболиты
Анаэробный процесс
Синтез АТФ в реакциях
субстратного
фосфорилирования
Низкий энергетический выход
Неполное использование
энергии химических связей –
конечные продукты: спирты,
кислоты, кетоны
локализована в ЦПМ
Необходим кислород или
другие внешние акцепторы
электрона
Протекает в аэробных или
анаэробных условиях
Синтез АТФ за счет
трансмембранного градиента
протонов
Высокий энергетический выход

26. Типы анаэробного дыхания у эубактерий

Различия дыхательных цепей аэробных и анаэробных бактерий – в
конечном акцепторе электрона
Энергетический
процесс
Конечный акцептор
электронов
Продукты
восстановления
Нитратное дыхание и
NO3–, NO2–
денитрификация
NO2–, NO, N2O, N2
Сульфатное и серное
SO42–, S0
дыхание
H2S
Карбонатное
дыхание
CO2
ацетат
Фумаратное дыхание
фумарат
сукцинат

27. Классификация прокариот по отношению к молекулярному кислороду

Облигатные (строгие) аэробы развиваются при
наличии в атмосфере 20% кислорода (Pseudomonas
aeruginosa, Vibrio cholera, Mycobacterium tuberculosis)
Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем
количестве кислорода, его высокая концентрация
хотя и не убивает бактерии, но задерживает их
рост(Helicobacter pylori), некоторые микробы
нуждаются в повышенном содержании углекислого
газа (капнофилы- Neisseria)

28.

Классификация прокариот по отношению к
молекулярному кислороду
Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие
молекулярного кислорода является губительным
(Bacteroides, Clostridium)
Факультативные анаэробы могут размножаться как в
присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство
патогенных и сапрофитных микробов) (E.coli)
Аэротолерантные бактерии способны расти в присутствии
кислорода, но не использовать его в качестве источника
энергии. Энергию они получают исключительно с помощью
брожения (Streptococcus)

29. Молекулярный кислород. Токсичность

Как фактор внешней среды
О2 воздействует на
организмы двояко: с одной
стороны, он может быть
абсолютно необходимым, с
другой — с молекулярным
кислородом и его
производными связаны
токсические эффекты для
клеток.
Наибольшей токсичностью для клетки
обладают синглетный кислород и
гидроксидные радикалы. Определенный
вклад в общий отрицательный
кислородный эффект вносят и другие
производные О2.

30. Защитные механизмы клетки от кислорода и его токсических форм.

Для нейтрализации токсических форм О2 существующие
прокариоты выработали различные защитные
механизмы:
деятельность специальных ферментов, для которых
разложение токсических форм О2 является основной и в
ряде случаев единственной функцией
(супероксиддисмутаза (СОД), каталаза (КТ) и
пероксидаза)
способность пигментов или
некоторых метаболитов
выступать в качестве
антиоксидантов