Шпаргалка по дисциплине"Микробиология"

Этот метаболический путь не только приводит к полному окислению питательных веществ, но играет значительную роль в биосинтетических процессах. В результате поступления протонов на АТФ-регенирирующую систему дыхательной цепи активируется АТФ-синтетеза и образуется АТФ для обеспечения клетки энергией. В дыхательной цепи главная роль отводится ферментам – цитохромам, флавопротеинам и железосерным белкам. В процессе дыхания аэробных микроорганизмов пировино­градная кислота подвергается полному окислению до CO2 и H2O, вступая в сложный цикл превращений (цикл Кребса) с образованием три- и дикарбоновых кислот, последовательно окисляющихся (отщепляется Н2) и декарбоксилирующихся (отщепляется СО2).

Дыхательная цепь или электрон-транспортная система у прокариот расположена на цитоплазматической мембране (у эукариот – во внутренней мембране митохондрий). Главная функция этой системы – перекачивание протонов, поэтому ее часто называют «протонным насосом».

Через мембрану протоны транспортируются таким образом, что между внутренней и внешней сторонами мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда возникает благодаря определенному расположению компонентов дыхательной цепи в мембране и служит движущей силой для процесса регенерации АТФ (или других процессов, требующих затрат энергии).

Водород восстановленного НАД×2Н передается на кофермент (ФАД) флавинового фермента, который восстанавливается в ФАД×2Н. С восстановленной флавиновой дегидрогеназы водород передается на цитохром цитохромной системы, при этом атом водорода расщепляется на ион водорода и электрон. Цитохром из окисленной формы превращается в восстановленную. Восстановленный цитохром передает электроны следующему цитохрому и т. д.

Цитохромы попеременно то восстанавливаются, то окисляются, что связано с изменением валентности железа, содержа­щегося в их простетической группе. Последний цитохром передает электроны цитохромоксидазе, восстанавливая ее кофермент. Завершающей реакцией является окисление восстановленной цитохромоксидазы молекулой кислорода. Кислород за счет передачи ему (с цитохромоксидазы) электронов активируется и приобретает способность соединяться с ионами водорода, в результате чего образуется вода. На этом и заканчивается у аэробов полное окисление исходного органического вещества.

Освобождающаяся при переносе электронов в дыхательной цепи энергия затрачивается на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата под воздействием АТФ-синтетазы, локализующейся на мембране. Такой синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов через мембрану называется окислительным фосфорилированием.

В механизме дыхания особо важны следующие три участка:

*компоненты дыхательной цепи;

*их оксилительно-восстановительные  потенциалы;

*их взаиморасположение в мембране.

Компоненты дыхательной цепи – это ферментные белки с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами, погруженные в двойной липидный слой. Важнейшие из них – флавопротеины, железосерные белки, хиноны и цитохромы.

Флавопротеины – ферменты, содержащие в качестве простетических групп ФАД, выполняют функцию переносчиков водорода.

Железосерные белки – это оксилительно-восстановительные системы, переносящие электроны. Они содержат атомы железа, связанные с серой цистеина и с неорганической сульфидной серой.  Таким образом, Fe-S-центры являются простетическими группами белков. Железосерные белки участвуют также в процессе азотфиксации. Некоторые белки имеют название, связанное с их происхождением или с функциями: ферредоксин, путидаредоксин, рубредоксин, адренодоксин.

Хиноны – липофильные соединения, локализующиеся в липидной фазе мембраны, способны переносить водород и электроны. Обычно содержатся в мембране в избытке и случат сборщиками водорода, получая его от коферментов, передают цитохромам. У грамотрицательных бактерий содержится убихинон (кофермент Q), у грамположительных – нафтохиноны, в хлоропластах растений – пластохиноны.

Цитохромы – системы, переносящие только электроны, водород не транспортируют. В качестве простетической группы цитохром содержит гем. Центральный атом железа геминового кольца участвует в переносе электронов, изменяя свою валентность. Цитохромы окрашены и различаются по видам а, а3, в, с, о и т.д.

Оксилительно-восстановительный потенциал – это количественная мера способности тех или иных соединений или элементов отдавать электроны. Водородный полуэлемент – платинированный или платиновый электрод, погруженный в раствор кислоты и обтекаемый газообразным Н2 при давлении 1,012 бар и рН 0, имеет потенциал, равный нулю.

Эта величина Е0. Е` – измеряемый потенциал окислительно-восстановительной системы, значение его тем более отрицательно, чем меньше отношение концентрации окисленной формы к концентрации восстановленной формы.

Уникальной способностью к биолюминесценции обладает несколько групп бактерий. К светящимся бактериям относят грамотрицательные палочковидные морские бактерии, хемоорганотрофные, галофильные, психрофильные, факультативно-анаэробные, свободноживущие или симбиотические, например Photobacterium rhosphoreum и P. leiognathi, живущие в светящихся органах у рыб.

В аэробных условиях микроорганизмы осуществляют процесс аэробного дыхания и свечения.

У них имеется обычная дыхательная цепь и работает цикл Кребса.

Свечение зависит от окисления длинноцепочечного альдегида с 13 – 18 атомами углерода в молекуле.

Светится возбужденный флавин под действием люциферазы – двухсубъединичного фермента типа монооксигеназы. К свечению способны бактерии родов Photobacterium, Beneckia, Vibrio, Photorhabdus.

 

56. Биосинтетические процессы. Ассимиляция различных веществ.

Фототрофная ассимиляция СО2

1. Рибулезофосфатный путь (цикл  Кальвина-Бассама). Этот восстановительный  путь фиксации СО2, при котором  СО2 восстанавливается до уровня  углеводов, используют аэробные  хемолитотрофные бактерии, почти  все фототрофы, цианобактерии. Для пути характерны два фермента, не участвующие в других метаболических путях – фосфориболокиназа и риболозобисфосфаткарбоксилаза (уникальный фермент-белок, в количественном отношении преобладающий над всеми остальными белками на планете).

2. В цикле Кальвина выделяют  три участка – реакция карбоксилирования, реакция восстановления и регенерация  молекул-акцепторов СО2.

3. Восстановительный цикл трикарбоновых  кислот (цикл Армана) используют  пурпурные и зеленые серные  бактерии Chlorobium limicola; СО2 фиксируется благодаря восстановительному карбоксилированию сукцинил-СоА.

4. Гидроксипропионатный путь и  цикл дикарбоновых кислот используют  пурпурные несерные бактерии, живущие  в водоемах.

5. Анаэробный ацетил-КоА-путь (цикл  Вуда-Льюнекела) используют ацетогенные, метанообразующие и сульфатредуцирующие бактерии, способные использовать в качестве донора электронов Н2 или СО и восстанавливать СО2 до ацетил-СоА и пирувата. В дальнейшем пируват выступает исходным веществом при биосинтетических процессах.

Гетеротрофная фиксация СО2

1. Карбоксилирование органических  веществ. Гетеротрофная фиксация  СО2 (путь Вуда-Веркмана) является  карбоксилированием органических  веществ, например превращание пирувата  в С4-кислоту. Карбоксилирование  удлиняет углеродный скелет. Гетеротрофная фиксация довольно широко распространена, она происходит и на простых питательных средах, чем проще состав среды, тем активнее происходит фиксация.

2. Биосинтез липидов. Гетеротрофная  фиксация СО2 используется в процессах  биосинтеза жиров. Жирные кислоты с длинной цепью синтезируются путем конденсации и восстановления ацетатных групп. Метилогруппа ацетикофермента А сначала карбоксилируется в биотин-зависимой реакции с образованием малонил-СоА. В последующих реакциях конденсации карбоксильная группа снова отщепляется в виде СО2. Синтез жирных кислот происходит при участии мультиферментного комплекса.

3. Карбоксидобактерии. Окись углерода  образуется в природе в аэробных  и в анаэробных условиях. Аэробные  бактерии Pseudomonas carboxidovorans способны расти, используя СО, как единственный донор электронов и единственный источник углерода. Углерод ассимилируется путем фиксации СО2 в рибулезофосфатном цикле. Карбоксидобактерии обладают мембрансвязывающей гидрогеназой и часто могут вести себя как водородные бактерии.

Пути ассимиляции аммония

1. Образование амидов (глутаминовая  кислота + NH4+ +АТФ = глутамин +АДФ; катализируется  ферментом глутаминсинтетазой), данная  реакция - начало  пути синтеза  разных аминокислот, донором аминогруппы  является глутамин. По этому пути наиболее часто синтезируются аминокислоты при недостатке амина в среде;

2. Образование карбомоилфосфата (NH4+ + СО2 + АТФ = NH2–СО–ОРО3Н2 + АДФ; фосфат  участвует в образовании нуклеотидов  у микроорганизмов);

3. Окислительный путь образования нуклеотидов (исходное вещество – глюкозо-6-фосфат);

4. Неокислительный путь образования  нуклеотидов (исходные вещества  – фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, катализируется трансальдолазой  и транскетолазой);

5. Прямое аминирование непредельных кислот (фумарат + NH4+ = аспарагиновая кислота);

6. Восстановительное и прямое  аминирование (α-кетоглутарат+ NH4++ НАДФ(Н)  =  глутамат + НАДФ; катализирует фермент  глутаматдегидрогеназа в обе  стороны реакции).

7. У микроорганизмов хорошо изучены  пути биосинтеза всех двадцати протеиногенных аминокислот. Исходным материалом служат простые промежуточные продукты обмена – пируват, 2-оксиглутарат, оксалоацетат или фумарат, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат и АТФ При синтезе большинства аминокислот аминогруппа вводится только на последнем этапе трансаминирования. Некоторые аминокислоты образуются в результате превращений других аминокислот, поэтому трансаминирования в таких случаях не требуется.

Аминокислоты можно подразделить на группы, исходя из путей их синтеза.

*Семейство ароматических аминокислот (триптофан, тирозин и фенилаланин) и семейство серина (глицин и  цистеин) – синтезируются из серина, эритрозо-4-фосфата, рибозо-5-фосфата  и АТФ.

*Семейство пирувата (аланин, лейцин  и валин) – из пирувата и АТФ. Семейство аспарата (лизин, аспарагиновая, треонин, метионин, изолейцин) – из оксалоацетата.

*Семейство глутамата (глутаминовая, пролин, орнитин, цитриллин, аргинин) –  из 2-оксоглутарата.

Ассимиляционная сульфатредукция

Почти все бактерии, грибы и зеленые растения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серосодержащих аминокислот, путем ассимиляционной сульфатредукции. Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для ассимиляционного восстановления сульфата.

Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТФ; с помощью АТФ-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТФ обменивается на сульфат. Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом активации является аденозин-5-фосфосульфат.

На пути ассимиляционного восстановления сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТФ фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливается сначала до сульфита, а затем до сульфида.

 

57. Биосинтетические процессы. Образование вторичных метаболитов. Виды антибиотиков. Механизм действия.

Вторичные метаболиты – вещества микробного или растительного происхождения, не существенные для роста и продукции собственно продуцента. Многие из таких веществ играют большую роль как лечебные, стимулирующие препараты, добавки к кормам. В качестве продуцентов вторичных метаболитов микроорганизмы приобрели огромное значение в медицине, экономике и промышленности.

Вторичные метаболиты обычно образуются в конце ростовых процессов, образование зависит от условий роста, состава питательных сред.

К вторичным метаболитам относят: антибиотики; токсины; витамины; алкалоиды; экзополисахариды; ферменты.

Антибиотики – это вещества биологического происхождения, способные даже в низких концентрациях подавлять или прекращать рост микроорганизмов. Подавляют рост фунгистатические и бактеристатические антибиотики, а прекращают рост грибов или бактерий – фунгицидные и бактерицидные.

К синтезу антибиотиков способны в основном грибы семейства Aspergilales, актиномицины и некоторые эубактерии. К настоящему времени охарактеризовано подробно более 2000 антибиотиков. По химическому разнообразию синтезируемых антибиотиков первое место занимают микроорганизмы рода Streptomyces.  

К важнейшим антибиотикам, применяемым в медицине и промышленности относятся пенициллин, цефалоспорины, стрептомицин, тетрациклин, грамицидин и многие другие.

*Наиболее важным веществом антибактериальной  природы до сих пор остается  пенициллин, синтезируемый Penicillum notatum, P. chrysogenum и некоторыми другими грибами. Пенициллин – низкомолекулярное вещество неферментное, имеющее бета-лактамное кольцо.