Описані вище процеси конструктивного обміну - синтез речовин клітини з надійшли в неї ззовні поживних речовин, активне перенесення цих речовин через цітоплазматіч-ську мембрану і багато інших процесів життя - протікають з витратою енергії.
Джерела енергії у мікроорганізмів різноманітні.
У фотоавтотрофов джерелом енергії служить видиме світло. Світлова енергія, вловлюється фотоактивного пігментами клітини в процесі фотосинтезу, трансформується в хімічну енергію, що забезпечує енергетичні потреби клітини.
Джерелом енергії для біосинтезу клітинних речовин з СО2 у хемоавтотрофов є хімічна енергія, що вивільняється в результаті окислення киснем повітря неорганічних сполук (NH3. H2 S і ін.).
Хемоорганотрофи (хемогетеротрофи) отримують енергію в процесах окислення органічних сполук.
Будь-яке природне органічна речовина і багато синтетичних можуть бути використані гетеротрофами, але не всіма. Одні окислюють багато органічних речовин, інші - лише невеликий набір їх, є і такі, які виявляють велику специфічність по відношенню до енергетичного матеріалу.
Оскільки збудники псування харчових продуктів і використовуються при переробці харчової сировини обносять до хемооргано-трофі, їх енергодающіх процеси і розглядаються нижче.
Окислення органічних речовин може відбуватися різними шляхами:
1. Прямим, т. Е. Приєднанням до речовини кисню.
2. Непрямим, т. Е. Дегідрогенерірованіем (відібранням водню). Відібраний від окисляемого речовини водень переноситься на іншу речовину, яке при цьому відновлюється.
3. Шляхом перенесення електронів (е
) Від однієї речовини до іншої. Речовина, що втрачає електрони, окислюється, а приєднує їх - відновлюється.
Речовина, що віддає водень (електрони), називається донором, а речовина, що приєднує їх, - акцептором.
Біологічне окислення (в клітинах) органічних речовин відбувається частіше шляхом дегідрогенерірованія. Так як атом водню складається з протона (Н +) і електрона (е
), Перенесення водню з одного речовини на інше включає і перенесення електрона.
Перенесення водню (електрона) від піддається окисленню речовини до акцептору здійснюється різними окислювально-відновними ферментами.
Реакцію окислення - відновлення можна зобразити таким чином:
Кінцевим акцептором водню може бути кисень повітря або інша речовина, здатне відновлюватися.
Залежно від кінцевого акцептора водню хемоорганотрофние мікроорганізми ділять на дві групи:
аероби, окислюють органічні речовини з використанням молекулярного кисню, який і є кінцевим акцептором водню;
анаероби, які в енергетичних процесах не використовують кисень. Кінцевими акцепторами водню служать органічні або неорганічні сполуки.
Багато аеробні мікроорганізми, до яких відносять гриби, деякі дріжджі і багато бактерії, подібно вищим організмам (рослинам, тваринам), окислюють органічні речовини повністю до мінеральних речовин - вуглекислого газу і води. Процес цей називається диханням.
В якості енергетичного матеріалу в процесі дихання мікроорганізми часто використовують вуглеводи. При цьому складні (ди-, три- і полісахариди) ферментативним шляхом гідролізу-ються до моносахаров, які і піддаються окисленню.
Цей процес в загальному вигляді може бути представлений наступним рівнянням:
Як видно з рівняння, при повному окисленні глюкози звільняється вся потенційна (вільна) енергія молекули глюкози.
Наведене рівняння характеризує процес в сумарному вигляді, показані лише вихідний і кінцеві продукти окислення.
Однак процес цей багатоетапний і протікає за участю багатьох ферментів з утворенням різних проміжних продуктів. Обов'язковою проміжним продуктом в процесі біологічного окислення глюкози є піровиноградна кислота.
Відомо кілька шляхів розщеплення глюкози до цього найважливішого проміжного продукту. Одним з таких шляхів є розпад глюкози, званий гліколітичні. Він досить універсальний і властивий багатьом аеробних і анаеробних мікроорганізмів (рис. 20).
1. Першим етапом є активування глюкози шляхом # 966; про з # 966; # 959; # 961; і -лірованія за участю АТФ і ферменту фосфотрансферази (гексокі-називаються). До молекулі глюкози від молекули аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) приєднується кінцевий фосфатний залишок, що володіє макроергічним (спів) зв'язком. Утворюється глюкозо-6-фосфат, а АТФ перетворюється в аденозіндіфосфорная кислоту (АДФ).
2. Глюкозо-6-фосфат шляхом ізомеризації за участю ферменту глюкозофосфатізомерази переходить у фруктозо-6-фосфат.
3. Фруктозо-6-фосфат потім фосфорилюється за рахунок АТФ за участю відповідної фосфотрансферази (фосфофруктокинази). Утворюється фруктозо-1,6-дифосфат, а АТФ перетворюється в АДФ. Вторинне фос-форілірованіе молекули гексози призводить до її подальшого активированию.
4. Фруктозо-1,6-дифосфат розщеплюється за участю ферменту Альдо-лази на дві молекули фосфотріоз. Одна з них - фосфодіоксиацетон, інша - фосфат гліцеринового альдегіду. Обидва ці речовини легко можуть перетворюватися один в одного.
Подальшому перетворенню піддаються дві молекули 3-фосфогліцері-нового альдегіду, так як фосфат діоксіацетон під дією ферменту тріозофосфатізомерази перетворюється в 3-фосфогліцеріновий альдегід.
5. Наступним етапом є окислення 3-фосфогліцерінового альдегіду. Ця реакція каталізується дегідрогеназ, коферментом якої є НАД (див. С. 53). У окисленні бере участь фосфорна кислота.
Молекула 3-фосфогліцерінового альдегіду приєднує фосфат, а водень переноситься на кофермент НАД, який відновлюється в НАД · Н2. Звільняється при окисленні фосфогліцерінового альдегіду енергія зосереджується в, макроергічним зв'язку (∞) утворюється 1,3-дифосфогліцеринової кислоти.
6. В подальшому фосфатна група 1,3-дифосфогліцеринової кислоти, що має макроергічних зв'язків, за участю ферменту фосфогліцераткі-називаються переноситься на молекулу аденозіндіфосфорной кислоти. Утворюється 3-фосфогліцеріновая кислота, а АДФ перетворюється в АТФ. Таким чином вільна енергія окислення альдегідної групи запасається в молекулі
7. З-фосфогліцеріновую кислота під впливом ферменту фосфогліцеромутази перетворюється в 2-фосфогліцеріновую кислоту.
8. Під дією ферменту енолази 2-фосфогліцеріновая кислота, втрачаючи воду, переходить в енольную форму фвсфопіровіноградной кислоти. При цьому відбувається перерозподіл внутрімолекулярної енергії, велика частина якої зосереджується в формі макроергічних фосфатних зв'язку фосфоенолпіровіноградной кислоти.
У процесі дихання аеробних мікроорганізмів піровіно-Градний кислота в подальшому піддається повному окисленню до СO2 і Н2 O, вступаючи в складний цикл перетворень (цикл Кребса) з утворенням три- і дикарбонових кислот, послідовно окислюються (отщепляется Н2) і декарбоксилируется-трудящих (отщепляется СO2 ).
З рис. 21 видно, що окислення однієї молекули піровіно-Градний кислоти супроводжується виділенням трьох молекул вуглекислого газу і п'яти пар водневих атомів.
Водень, відщеплення від окислюваних в циклі Кребса кислот, за допомогою коферментів (НАД і НАДФ) відповідних дегідрогеназ передається по так званій «дихальної ланцюга», що складається з комплексу ферментів, до кінцевого акцептору - молекулярного кисню.
З наведеної нижче схеми (с. 69) видно, що водень відновленого НАД · 2Н передається на кофермент (ФАД) прапорець-винен ферменту, який відновлюється в ФАД · 2Н. З відновленої флавінових дегідрогенази водень передається на цитохром цитохромної системи, при цьому атом водню розщеплюється на іон водню (Н +) і електрон (е
), Цитохром з окисленої форми перетворюється в відновлену. Відновлений цитохром передає електрони наступного ци-тохрому і т. Д.
Цитохроми поперемінно то відновлюються, то окислюються, що пов'язано зі зміною валентності заліза, що міститься в їх простетической групі. Останній цитохром передає електрони цитохромоксидази, відновлюючи її кофер-. мент. Завершальною реакцією є окислення відновленої цитохромоксидази молекулою кисню. Кисень за рахунок передачі йому (з цитохромоксидази) електронів активується і набуває здатності з'єднуватися з іонами водню (Н +), в результаті чого утворюється вода. На цьому і закінчується у аеробів повне окислення вихідного органічного речовини.
9. Фосфоенолпіровіноградная кислота дефосфорилюється. При цьому багата енергією фосфатна група за участю ферменту піруваткінази передається на молекулу АДФ. В результаті утворюється піровиноградна кислота, а АДФ перетворюється в АТФ.
З викладеного і рис. 20 видно, що гликолитическому розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти відбувається без участі кисню (анаеробна стадія) і закінчується виходом двох молекул піровиноградної кислоти, двох молекул НАД · Н2 і двох молекул АТФ. Синтезуються чотири молекули АТФ, але дві витрачаються на фосфорилирование нової молекули глюкози.
Мал. 21. Цикл Кребса
Звільняється при перенесенні електронів в дихальної ланцюга енергія витрачається на син
тез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату, т. е. запасається у формі енергії фосфатного зв'язку АТФ. Цей процес називається окислювальним фосфорилюванням.
Деякі аеробні гетеротрофні мікроорганізми отримують енергію за рахунок неповного окислення органічних речовин; при цьому в середовищі накопичуються проміжні недоокислені продукти, переважно органічні кислоти.
При неповному окисленні енергетичного матеріалу вивільняється відповідно меншу кількість енергії. Частина потенційної енергії окисляемого речовини залишається в продуктах неповного окислення. Наприклад, деякі цвілеві гриби в певних умовах окислюють цукор з утворенням води і різних органічних кислот - глюконовой, лимонної, яблучної, щавлевої, янтарної та ін. Оцтовокислі бактерії окислюють етиловий спирт до оцтової кислоти і води:
Подальше перетворення утворюються піровиноградної кислоти і відновленого проміжного переносника водню НАД · Н2 у анаеробів інше, ніж у аеробів. Піровіноград-ва кислота в бродильних процесах є вихідним матеріалом для різноманітних продуктів бродіння (спиртів, органічних кислот).
У одних анаеробів вона безпосередньо служить кінцевим акцептором водню від НАД · Н2 і відновлюється в продукт бродіння - молочну кислоту; НАД · Н2 при цьому окислюється в НАД.
У інших анаеробів з піровиноградної кислоти утворюються різні проміжні продукти, які служать потім акцепторами водню від НАД · Н2. Останній регенерується, а акцептувати водень відновлені органічні сполуки, які є кінцевими продуктами бродіння, виділяються в навколишнє середовище. Залежно від того, який основний продукт накопичується в середовищі, процес бродіння має відповідну назву.
Прикладами такого типу отримання енергії можуть бути такі види бродіння.
Спиртове бродіння здійснюється багатьма дріжджами в анаеробних умовах. Молекула глюкози (енергетичний матеріал) в цьому процесі перетворюється в дві молекули етилового спирту і дві молекули вуглекислого газу з виділенням енергії:
У молекулі спирту укладено енергії 1,37-10 6 Дж. Як видно з рівняння, звільняється тільки частину енергії, багато її залишається в оцтової кислоти.
Деякі з цих окислювальних процесів використовують в промисловості, наприклад, при виробництві оцту, лимонної і глюконової кислот. Умови, хімізм і збудники цих процесів описані в гл. 4.
Анаеробні мікроорганізми, до яких відносять багато бактерії і деякі дріжджі, отримують необхідну для життєдіяльності енергію в процесі бродіння. Цей енерго-дає процес протікає також шляхом сполученого окислення-відновлення, але без участі кисню повітря.
Кінцевим акцептором водню, забраного від окисляемого органічної речовини, служать органічні речовини - проміжні продукти розпаду використовуваного субстрату.
Анаеробні мікроорганізми поділяють на облігатні, або безумовні, анаероби, для яких кисень не тільки не потрібний, але і шкідливий, і факультативні, або умовні, анаероби, які можуть жити як при доступі повітря, так і без нього.
Ступінь анаеробних у факультативних анаеробів різна. Одні з них краще розвиваються в анаеробних умовах або при мізерно малому вмісті кисню в середовищі (мікроаерофіли), інші - при доступі повітря. Відомі факультативні анаероби (наприклад, деякі дріжджі), здатні в залежності від умов розвитку перемикатися з анаеробного на аеробний тип отримання енергії.
Енергетичним матеріалом при бродінні частіше служать вуглеводи, з них найбільш використовуваний - глюкоза.
Перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти протікає так само, як і у аеробів по гликолитическому шляху (див. С. 66, рис. 20).
Молочнокисле бродіння - це процес отримання енергії молочнокислими бактеріями, що полягає в перетворенні молекули цукру в дві молекули молочної кислоти з виділенням енергії:
Як видно з рівнянь, серед кінцевих продуктів бродіння завжди є продукти неповного окислення - органічні речовини, що містять у собі значну кількість потенційної енергії.
Відомо багато інших шумувань, окремі типи яких розрізняються складом кінцевих продуктів, що залежить від комплексу ферментів збудника бродіння.
Багато бродильні процеси застосовують в промисловості; вони можуть бути причиною псування харчових продуктів. Детальніше ці процеси розглядаються в гл. 4.
Маслянокислое бродіння викликається облигатно анаеробними маслянокислого бактеріями. Глюкоза в цьому енерго-дає процесі перетворюється в масляну кислоту, водень і вуглекислий газ:
В анаеробних умовах деякі мікроорганізми можуть при окисленні органічних речовин використовувати неорганічні акцептори водню (електрони), які при цьому відновлюються. Ці мікроорганізми використовують, отже, як окислювач не вільна, а зв'язаний кисень неорганічних речовин, багатих цим елементом.
Таку здатність мають, наприклад, денітрифікуючі бактерії, що відновлюють нітрати до вільного азоту. Цей спосіб отримання енергії називають нітратних диханням.
Десульфатірующім бактерії використовують в якості кінцевого акцептора електронів (водню) сульфати, відновлюючи їх до сірководню, - сульфатне дихання.
Таким чином, різниця між аеробних і анаеробних процесом отримання енергії у гетеротрофів полягає в природі кінцевого акцептора водню (окислювача).
Розглянуті процеси (дихання, бродіння) слід розцінювати не тільки як процеси, що забезпечують організм енергією. Багато проміжні продукти розпаду вуглеводів служать вихідним матеріалом для синтезу найважливіших компонентів клітини (білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та ін.).
Важливим постачальником проміжних продуктів для біосинтетичних процесів є цикл Кребса. Багато кето-кислоти, що утворюються в цьому циклі перетворень ди- і три- карбонових кислот, шляхом амінування і переаминирования перетворюються в різні амінокислоти, з яких далі синтезуються білки.