Обмен веществ

1.

Тема: Обмен веществ
1. Понятие об анаболизме и катаболизме.
2. Поступление питательных веществ в
микробную клетку. Доступность элементов
питания.
3. Типы питания микроорганизмов.
4. Ферменты.
5. Способы получения энергии у
микроорганизмовмов. Биологическое
окисление.
6. Типы дыхания у микроорганизмов.
7. Химизм брожения и дыхания.

2.

Обмен веществ - метаболизм
• Метаболизм представляет собой единство двух
противоположных процессов: ассимиляции и
диссимиляции. Процесс ассимиляции включает в
себя те химические превращения пищи, которые
приводят к построению составных частей клетки.
Эту часть обмена веществ называют питанием
или конструктивным обменом, или анаболизм.
• Все реакции, протекающие с выделением энергии,
называются
экзотермическими.
В
своей
совокупности они и составляют энергетический
обмен или катаболизм.

3.

Пути получения энергии
• Энергия у микроорганизмов освобождается в результате
двух окислительных процессов – дыхания и брожения.
При дыхании органические вещества полностью
распадаются на конечные продукты CO2 и H2O с
высвобождением большого количества энергии.
При брожении (в анаэробных условиях) происходит
неполный распад органических веществ с образованием
недоокисленных органических соединений (спирты,
органические кислоты), которые ещё богаты энергией.
Поэтому энергии освобождается значительно меньше, чем
при дыхании.

4.

Химический состав
• В состав клеток входят практически все
известные макро- и микроэлементы:
• Макроэлементы: C – 50% от массы сухого
вещества, O – 20%, N – 14%, H – 8%, P –
3%, S, K, Na – по 1%, Ca, Mg, Cl – по 0,5%,
Fe – 0,2%,
• Микроэлементы: B, Mo, Mn, Zn, Cu, Br,
Co, I и др. – всего 0,3%.

5.

Доступность элементов питания
• Доступность многих соединений определяется их химической
структурой, способностью проникать в микробную клетку.
• Углеводы и другие органические соединения, не распадающиеся на
ионы, обычно легко проникают в клетку. Но если молекула
органического соединения содержит ещё аминогруппу -NH2,
оксигруппу - OH или карбоксигруппу - COOH, то есть полярные
группы, то проницаемость для них клетки резко ухудшается и тем
больше, чем больше этих групп.
• 1) -Этиловый спирт; 2) - Этиленгликоль; 3) - Глицерин
1) СН3 – СН2 – ОН
2)СН2 – ОН
3) СН2 – ОН
СН2 – ОН
СН – ОН
СН2 – ОН

6.

Способы питания
• Поступление питательных веществ в клетку
осуществляется через всю поверхность клетки путём
всасывания, поэтому происходит с большой скоростью.
Этот способ питания называется голофитный и
характерен для микроорганизмов и растений.
• Для животных характерен голозойный способ питания,
когда пища захватывается или заглатывается и
подвергается перевариванию в пищеварительном тракте.

7.

Поступление питательных веществ
• Питательные вещества поступают через ЦПМ двумя путями: диффузия и
активный транспорт.
• пассивная диффузия - питательные вещества поступают в клетку через
мембрану под действием разности концентраций без затраты энергии;
• активный перенос - при помощи специальных транспортных белков пермеаз:
• облегчённая диффузия- процесс переноса происходит без затраты энергии
клеткой. Он осуществляется в том случае, если концентрация питательных
веществ снаружи клетки выше, чем внутри клетки, то есть по градиенту
концентр.
• активный перенос - против градиента концентрации. Так поступают в
клетку большинство веществ. Этот тип переноса требует энергии, которую
поставляет АТФ.

8.

Типы питания
• Автотрофы (авто – сам) – это микроорганизмы, способные
усваивать углерод в минеральной форме (СО2) и синтезировать
из него сложные органические соединения;
• Гетеротрофы
(питающиеся
за
счёт
других)
–
микроорганизмы,
усваивающие
углерод
из
готовых
органических соединений;
• Промежуточные гетеротрофы – используют, наряду с
органическими соединениями, также углерод из CO2.
• У микроорганизмов два типа автотрофного питания :
фотосинтез и хемосинтез, которые отличаются только
способом получения энергии.

9.

Фотосинтез
• У сине-зелёных водорослей фотосинтез осуществляется
по аналогии с зелёными растениями. В качестве донора
водорода они используют воду.
CO2 + H2O + солнечный свет → 1/6 C6H12O6 + O2
• У серных бактерий донором водорода для восстановления
углекислоты до органических веществ служит сероводород,
а химический ход усвоения CO2 аналогичен процессу
фотосинтеза (в цикле Кальвина). Сера затем окисляется до
серной кислоты.
CO2 + H2S + солнечный свет → 1/6 C6H12O6 + S2 + H2O

10.

Хемосинтез у нитрифицирующих
бактерий.
• К автотрофам относятся и микроорганизмы,
которые
для
восстановления
углекислоты
используют энергию, освобождающуюся при
окислении неорганических веществ, то есть
энергию химических реакций. Этот процесс
называется хемосинтезом.
•1. 2NH3 + 2O2 → 2HNO2 + 4H + АТФ
•2. CO2 + 4H + АТФ → 1/6 C6H12O6 + H2O

11.

Хемосинтез
• Кроме нитрифицирующих бактерий процесс
хемосинтеза осуществляют серные бактерии
(окисляют
сероводород),
железобактерии
(окисляют соединения двухвалентного железа),
водородные бактерии (окисляют водород до воды).
• Автотрофные микроорганизмы имеют большое
значение в почвах: переводят недоступные им
соединения серы, железа, азота в более доступные,
усваиваемые соединения для растений, повышая
этим плодородие почв.

12.

Гетеротрофы
• Гетеротрофные микроорганизмы усваивают углерод из
готовых органических соединений. Необходимую энергию
для процессов синтеза они получают также при окислении
органических соединений.
• В качестве пищи микроорганизмы могут использовать
буквально все органические вещества. Однако, большей
частью отдельные группы микробов специализируются на
усвоении определённых, специфичных для них соединений.
Всеядных микробов нет.
• Существуют м.о., которые усваивают углеводороды нефти,
парафины, природные газы, бензин, нафталин и др. Даже
такие материалы, как резина, капрон, ядохимикаты, попав в
почву разлагаются микроорганизмами.

13.

• Установлено, что питательная ценность органических
соединений зависит от строения их молекул.
• Лучше всего усваиваются те соединения, в которых атомы
углерода не насыщены связями. Поэтому различные
сахара, многоатомные спирты и оксикислоты являются
наилучшими источниками углерода для большинства
гетеротрофных микроорганизмов.
• Значительно хуже усваиваются органические соединения,
в которых атомы углерода полностью восстановлены и в
молекулах нет ненасыщенных связей. К ним относятся
углеводороды, состоящие из радикалов CH3 и CH2. Это и
газообразные углеводороды, и жидкие, и парафины, и
высшие жирные кислоты. Известно очень мало
микроорганизмов, способных усваивать эти соединения
(это группа псевдомонад и некоторые другие).
• Специфичность физиологических групп бактерий
определяется комплексом ферментов, которые они
способны синтезировать.

14.

Азот в питании микроорганизмов
• Азот имеет важное значение для развития микроорганизмов. Он входит в
состав таких наиболее активных веществ, как белки, ферменты,
нуклеиновые кислоты, АТФ и др., то есть веществ, составляющих живую
цитоплазму клетки. Азот нужен микроорганизмам для образования
аминных (-NH2) и иминных (-NH) групп, которые входят в состав
названных соединений. Без азота синтез этих веществ становится
невозможным.
Источники азота для микроорганизмов: высокомолекулярные белки, пептиды,
аминокислоты, нитраты, аммонийные соли , атмосферный азот.
По способности усваивать азот из различных источников все микроорганизмы
делятся на следующие группы:
Протеолитические микроорганизмы расщепляют белки, пептиды,
аминокислоты. Если они расщепляют эти соединения в живом
организме, то их называют паразитами или патогенными
микроорганизмами. Если микроорганизмы расщепляют отмершие белки
– они являются сапрофитами;
• Дезаминирующие микроорганизмы способны разлагать отдельные
аминокислоты, но не белки;
• Аммонификаторы усваивают минеральные формы азота;
• Азотфиксаторы способны усваивать атмосферный азот (азотобактер,
клубеньковые бактерии и др.).

15.

Типы питания
• По существующей в настоящее время
классификации типы питания микроорганизмов
разделяют на ряд групп в зависимости от
источников энергии – фототрофы и хемотрофы,
и источников углерода – автотрофное и
гетеротрофное питание.
• Кроме того, каждая из этих групп подразделяется
на подгруппы, в зависимости от природы
окисляемого вещества: органотрофы получают
энергию при окислении органических веществ, а
литотрофы (лито – камень) – неорганических
веществ.

16.

Типы питания микроорганизмов
• Фотолитотрофы используют энергию солнечного
света для синтеза органических соединений из
углекислоты (фотосинтезирующие микроорганизмы).
• Фотоорганотрофы получают энергию, помимо
фотосинтеза, за счёт окисления органических
соединений (несерные пурпурные бактерии).
• Хемолитотрофы получают энергию при окислении
неорганических соединений в процессе хемосинтеза
(нитрифицирующие, серные и железобактерии).
• Хемоорганотрофы получают энергию в результате
окисления или брожения органических соединений
(гетеротрофные микроорганизмы).

17.

Ферменты
Ферменты – биологические катализаторы, состоящие из белков. В
микробиологической литературе ферменты делят на две группы:
– Конститутивные – обнаруживаются в плазме клетки независимо от того,
имеются ли в среде, где развиваются микробы, специфические вещества,
на которые действуют ферменты. Таким образом, они присутствуют в
клетках постоянно.
– Индуцированные – обнаруживаются в плазме лишь тогда, когда микробы
развиваются в среде в присутствии определённых веществ, разлагаемых
данными ферментами.
В микробиологии, кроме того, применяют и такие понятия, как
эндоферменты и экзоферменты:
– Эндоферменты – тесно связаны со структурой цитоплазмы и участвуют в
обмене веществ внутри клетки;
– Экзоферменты, не связаны со структурой цитоплазмы и легко
выделяются из клетки наружу. К экзоферментам относятся
гидролитические ферменты. Они расщепляют макромолекулы
питательных веществ во внешней среде на небольшие фрагменты, которые
затем легко проникают внутрь клеток. Это внеклеточное питание, которое
характерно только для клеток микроорганизмов.

18.

Классификация ферментов
• Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции
и принимают участие в клеточном дыхании. К ним относятся:
–
оксидазы – осуществляют перевод неактивного кислорода воздуха
O=O в активную перекисную форму –O–O– , например, цитохром;
–
дегидрогеназы – осуществляют перенос водорода от одного вещества
(донора) к другому (акцептору), например, НАД, НАДФ, ФАД;
• Трансферазы катализируют реакции межмолекулярного переноса
различных химических групп и остатков. Например:
–
фосфотрансферазы – переносят остатки фосфорной кислоты;
–
аминотрансферазы – переносят аминогруппы;
• Гидролазы катализируют реакции расщепления внутримолекулярных
связей гидролизом (водой).
• Изомеразы катализируют реакции изомеризации;
• Лиазы катализируют реакции присоединения или отрыва групп по двойным
связям;
• Лигазы (синтетазы) катализируют реакции соединения двух молекул с
участием АТФ.

19.

Получение энергии микроорганиз-и.
• Катаболизм – энергетический обмен в клетке.
микроорганизмы получают энергию в результате
разложения сложных органических веществ, богатых
энергией – углеводов, спиртов, жиров и др. Этот распад
носит название – окисление.
• У микроорганизмов энергия освобождается в результате
двух окислительных процессов – дыхания и брожения.
Она закрепляется в форме химической энергии фосфатных
связей в макроэргических соединениях типа АТФ. Этот
процесс протекает в мезосомах и на эндоплазаматической
мембране, и называется – окислительное
фосфорилирование:
АДФ + Ф → АТФ
• В качестве субстратов дыхания и брожения могут служить
различные органические соединения, которые в организме
подвергаются биологическому окислению.

20.

Биологическое окисление
• До недавнего времени окислением считали присоединение
кислорода к веществу, а его отщепление от вещества
называли восстановлением. Позднее окислением стали
называть процесс отнятия протона или потерю электрона, а
восстановлением – присоединение протона и электрона.
Например:
AH2 + B → BH2 + A
Fe++ - e- → Fe+++
• Вещество AH2 является донором протона
(восстановитель), B – акцептор.
•Однако, в клетках протекает не простое окисление, а
биологическое – это многозвеньевая система реакций,
протекающая с участием ферментов и идущая с выделением
энергии.

21.

Типы дыхания
• Что такое дыхание у микроорганизмов? Это
окислительно-восстановительный процесс, в
результате которого микроорганизмы,
разлагая органические соединения, получают
энергию. Иначе, это – биологическое окисление.
• Тип дыхания у микроорганизмов зависит от
набора ферментов, которые участвуют в этом
процессе. Поэтому существует несколько типов
дыхания: аэробное, анаэробное, неполное
окисление и брожение.

22.

. 1. Аэробное дыхание
Аэробное дыхание (нормальное, или полное окисление), в
процессе которого происходит полное окисление углеводов –
гексоз до CO2 и H2O – и освобождение большого количества
энергии:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 28,8×105Дж
•Кроме простых углеводов окислению могут подвергаться и
все другие органические соединения: органические кислоты,
жиры, белки, клетчатка, пектиновые вещества и т. д.

23.

2. Неполное окисление
• Неполное окисление – аэробное окисление
углеводов с образованием неполно окисленных
соединений.
Например,
глюкоза
неполно
окисляется плесневыми грибами с образованием
лимонной и щавелевой кислот; мукоровые грибы
неполно окисляют сахара в янтарную и
фумаровую кислоты; уксуснокислые бактерии
окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту.

24.

3. Анаэробное дыхание
• Анаэробное дыхание – окисление сахаров в
анаэробных условиях связанным кислородом
неорганических соединений – нитратов и
сульфатов. Поэтому такое дыхание называется
нитратным и сульфатным. Окисление сахаров
идёт до конца – до CO2 и H2O, как и при аэробном
дыхании:
С6H12O6 + 4NO3- → 6CO2 + 6H2O + N2 + Q
C6H12O6 + 3SO42- → 6CO2 + 6H2O + H2S + Q

25.

4. Брожение
• Брожение – это неполное окисление углеводов и
органических
кислот
внутримолекулярным
кислородом органических соединений до спиртов
или кислот. При этом образуются соединения,
богатые энергией. Поэтому при брожении энергии
освобождается немного. Например, спиртовое
брожение:
C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2×105 Дж

26.

Химизм брожений
• Л.Пастер назвал брожение жизнью в безкислородных
условиях. Оно возникло в ранний период
становления жизни, когда не было О2, и представляет
собой энергетический процесс, при котором энергия
выделяется за счет окисления органических веществ
внутримолекулярным кислородом самих соединений.
• В качестве субстратов дыхания и брожения м.о. чаще
всего используют углеводы – моно- и дисахара.
Некоторые используют крахмал, который
предварительно гидролизуют экзоферментами до
моносахаров.
• Наиболее типичным случаем сбраживания сахаров
является использование глюкозы.

27.

В разработке вопроса о химической природе процессов
анаэробного расщепления глюкозы и ферментных
системах, катализирующих эти процессы, участвовали
многие учёные, как отечественные, так и зарубежные
(С.П. Костычев, Иванов, Лебедев, Эмбден, Мейергоф,
Парнас и др.). Ими было установлено, что у
микроорганизмов
существует
несколько
путей
превращения глюкозы в анаэробных условиях,
которые все ведут к образованию из неё
пировиноградной кислоты – CH3COCOOH (ПВК).
• Наиболее распространенный путь носит название –
гликолиз или путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса.
• Таким образом, гликолиз – это анаэробный распад
глюкозы до пировиноградной кислоты.

28.

Гликолиз
• Гликолиз – это многоступенчатый ферментативный процесс
разложения глюкозы в анаэробных условиях до
пировиноградной кислоты. Его условно можно разделить на
3 этапа:
• 1. Активирование глюкозы;
• 2. Распад активированной глюкозы на 2 триозы
(фосфоглицериновый альдегид (ФГА) и фосфодиоксиацетон
(ФДОА));
• 3. Образование пировиноградной кислоты (ПВК).
• Суммарное уравнение гликолиза:
C6H12O6 → → 2CH3COCOOH + 2НАДH2 + 2АТФ
• Роль гликолиза заключается в освобождении энергии. При
брожении энергия освобождается только на этом этапе. Это
окислительная фаза.

29.

Гликолиз

30.

Этапы гликолиза
• На первом этапе идет активация молекул глюкозы в
активную форму – фосфорный эфир глюкозы – фруктозо1,6-дифосфат. Тратится 2 молекулы АТФ.
• На втором этапе фр.-1,6-дифосфат расщепляется
ферментом альдолазой на 2 молекулы триоз – ФГА + ФДОА.
Эти соединения являются изомерами и могут
взаимопревращаться. В дальнейших реакциях гликолиза на
третьем этапе будут участвовать только 2 молекулы
фосфоглицеринового альдегида – ФДОА → ФГА=2ФГА
• На третьем этапе 2 мол.ФГА окисляются в 2 мол. ПВК. На
этом этапе от 2-х молекул альдегида отщепляются 4 атома Н
ферментом НАД. Образуется 2 молекулы НАДН2.
• На этом этапе образуется 4 мол. АТФ в результате
субстратного фосфорилирования. Т.к. 2 молекулы АТФ
затратились на активацию глюкозы, то выход АТФ
составляет 2 молекулы. Суммарное уравнение – показано
выше.

31.

• Дальнейшее превращение ПВК зависит от
условий среды:
• Если в среде отсутствует кислород, то
происходят различные типы брожений и
ПВК восстанавливается до органических
кислот или спиртов.
• Если в среде есть кислород, то ПВК
окисляется до СО2 и Н2О.

32.

Химизм брожений
• Все типы брожений протекают в две стадии: 1-я –
гликолиз (окислительная стадия); 2-я –
восстановительная. На втором этапе водород,
который
образуется
на
этапе
гликолиза,
восстанавливает или саму пировиноградную
кислоту, или соединения, образованные из
пировиноградной кислоты.
• При
молочнокислом
брожении
конечным
акцептором
водорода
является
сама
пировиноградная кислота: принимая водород от
НАДH2, она восстанавливается в молочную
кислоту.
CH3COCOOH + HAДH2 → CH3-CHOH-COOH

33.

• При спиртовом брожении на II этапе будет
восстанавливаться
продукт
распада
пировиноградной кислоты – уксусный
альдегид, который образуется вследствие
отщепления карбоксильной группы от ПВК
ферментом декарбоксилазой:
• СН3СО СООН → СН3СОН+СО2
• СН3СОН+НАДН2 → СН3СН2ОН

34.

Химизм дыхания
Суммарное уравнение дыхания:
C6H12O6+ 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 28,8×105Дж
•Дыхание происходит в 3 фазы:
•1. Гликолиз;
•2. Цикл Кребса (ди- и трикарбоновых кислот) – идёт
дальнейшее окисление пировиноградной кислоты до
углекислоты и водорода, образуются 3CO2 и 5 пар H2 (5
НАДН2);
• 3. Дыхательная цепь (электрон-транспортная цепь) –
водород и электроны от НАДН2 перемещаются с помощью
ферментов к своему конечному акцептору – кислороду, с
образованием воды.
•Две последних фазы ведут к полному окислению субстрата
до CO2 и H2O и образованию биологически полезной
энергии.

35.

Цикл Кребса

36.

• Суммарное уравнение цикла Кребса:
СН3-СО-СООН → 3CO2 + 5НАДН2
За 1 оборот цикла превращается 1 молекула ПВК.
При окислении второй молекулы ПВК образуется
еще молекула СО2 и 5 пар НАДН2.
Роль цикла – в окислении ПВК.

37.

Дыхательная (ЭТЦ) цепь
• Дыхательная цепь. Это цепь ферментов – переносчиков
водорода и электронов к конечному акцептору –
молекулярному кислороду с образованием воды. Эти
ферменты находятся на мембранах мезосом и на
эндоплазматической мембране, и представлены
следующими ферментами:
• НАД-дегидрогеназа, отщепляет водород от субстратов –
кислот цикла Кребса .
• ФАД –дегидрогеназа, промежуточный переносчик
водорода и электрона .
• Хиноны – наиболее часто убихинон KoQ, который
является промежуточным компонентом между ФАД и
цитохромами. Эти три группы ферментов переносят
водород и электрон парами

38.

Цитохромы (оксидазы) – это
железосодержащие ферменты. В дыхательной
цепи они стоят в следующей
последовательности: b, c1, c, a1, a3. Они
передают друг другу и на O2 электроны (по
одному). Окисленная форма цитохрома b (Fe3+)
отщепляет электрон от атома водорода на КоQ и
превращает его в активный ион:
• H - е- → H+. При этом железо переходит в
восстановленную форму: Fe3+ + e- → Fe2+.
Далее, электрон передаётся по цепи цитохромов
на O2 и ионизирует его в O2-. Активные H+ и
O2- образуют H2O.
• Последовательность ферментов в дыхательной
цепи:
НАДH2 → ФАДH2 → КоQH2 → b→ c1→ c → a1 →
a3→ O2 → H2O

39.

Дыхательная цепь

40.

Выход энергии
• При дыхании освобождается 28,8×105 Дж.
Почти вся энергия освобождается при транспорте
электрона по дыхательной цепи. При окислении 1
молекулы НАДH2 выделяется энергии,
достаточной для синтеза 3 молекул АТФ. А таких
пар при окислении одной молекулы глюкозы
образуется 12 (10 в цикле Кребса и 2 на этапе
гликолиза). Итого:
12 × 3 = 36 АТФ
• Кроме того, на этапе гликолиза образуется 2 АТФ.
В сумме химической энергии образуется 38 АТФ
от всей выделившейся энергии. Это количество
составляет 12,9×105 Дж, или ~50%. Оставшаяся
энергия рассеивается в виде тепла.

41.

Анаэробное дыхание
Суммарные уравнения нитратного и сульфатного
дыханий:
•C6H12O6 + 4NO3- → 6CO2 + 6H2O + 2N2 + Q
•C6H12O6 + 3SO42- → 6CO2 + 6H2O + H2S + Q
Конечными продуктами окисления глюкозы
являются, как и при аэробном дыхании, углекислый
газ и вода. Различие в химизме наблюдается лишь на
последнем этапе в дыхательной цепи, где происходит
активация кислорода нитратов или сульфатов. Выход
энергии при анаэробном дыхании всего на 10%
меньше, чем при аэробном.