Путь Энтнера-Дудорова у бактерий. Цикл Кребса. Цикл трикарбоновых кислот у бактерий.

Время на чтение: 10 минут

История изучения

Биологическая роль некоторых реакций цикла Кребса (ЦК) была изучена американским биохимиком венгерского происхождения Альбертом Сент-Дьердьи. В частности, он выделил ключевой компонент ЦТК — фумарат. Исследования в этом направлении продолжил Ганс Кребс.

В итоге он установил всю последовательность реакций и соединений, образующиеся на всех этапах процесса. Ученый не смог определить, с преобразования какой кислоты начинается цикл — лимонной или изолимонной. Сейчас известно, что это лимонная кислота.

Поэтому ЦК называют также цитратным или циклом лимонной кислоты.

Позднее американец Альберт Ленинджер, занимающийся биоэнергетикой, определил, что все реакции ЦК протекают в митохондриях клеток. С получением доступа к изотопам углерода появилась возможность более досконального изучения и уточнения данных о промежуточных соединениях на разных этапах цикла.

С пищей в организм поступают три основные группы сложных биохимических соединений — белки, жиры и углеводы. Они являются первичными метаболитами, потому что участвуют в обмене веществ или в метаболизме.

Этот процесс происходит между любыми живыми клетками и окружающей средой непрерывно. Суть цикла Кребса заключается в том, что он является областью схождения двух путей метаболизма.

Это следующие процессы:

• катаболизм, при котором происходит распад более сложных веществ на простые, в частности, глюкозы на моносахариды;
• анаболизм — синтез сложных веществ из простых, например, белков из аминокислот.

После попадания в пищеварительную систему сложные вещества расщепляются под действием ферментов на более простые, которые внутри клеток превращаются сначала в пируват (пировиноградную кислоту), а затем — в ацетильный остаток. Все эти преобразования можно назвать подготовкой к ЦК, а образование остатка — его запуском или начальным этапом.

Дальнейшие стадии цикла трикарбоновых кислот являются частью катаболизма. Процесс идет каскадно. Каждый предыдущий этап запускает последующий, а промежуточные продукты химических реакций служат не только для продолжения цикла, но и при определенных потребностях организма могут пополнять запасы веществ, необходимых для синтеза новых соединений (анаболизма).

Клеточное дыхание

Для нормальной жизнедеятельности живым клеткам постоянно требуется энергия. Ее главный универсальный источник — аденозинтрифосфат (АТФ), способный встраиваться в белки организма напрямую. Это соединение получается в результате ряда реакций окисления, носящих общее название «клеточное дыхание». При этом происходит постепенный распад органических веществ вплоть до простейших неорганических — углекислого газа CO2 и воды H2O.

Структурное строение молекул АТФ содержит фосфорангидридные связи, которые имеют свойство накапливать высвобожденную при прохождении реакций клеточного дыхания энергию, поэтому называются макроэргическими.

Так создаются энергетические запасы клеток, которые могут высвобождается при необходимости разрывом этих связей.

Процесс синтеза АТФ и класса вспомогательных соединений включает три этапа:

1. Гликолиз происходит в цитоплазме.
2. В матриксе митохондрий проходят все химические реакции цикла Кребса.
3. Окислительное фосфорилирование на внутренней мембране митохондрий.

Преобразование аденозиндифосфата (АДФ) в АТФ характерно для всех этапов. Но наибольшее суммарное количество молекул с макроэргическими связями образуется при фосфорилировании. Это не значит, что процессы гликолиза и ЦК менее важны. Многие соединения, образующиеся во время их протекания, участвуют в регуляции клеточного дыхания.

Описание процесса

Протекание ЦК достаточно экономно с точки зрения энергозатрат. Такой эффект достигается благодаря тому, что он связывает два метаболических направления. В процесс вовлекаются вещества, подлежащие утилизации, которые либо служат энергетическим «топливом», либо возвращаются в круг анаболизма. Подготовительная стадия ЦК заключается в распаде глюкозы, аминокислот и жирных кислот на молекулы пирувата или лактата.

Органеллы митохондрий способны преобразовывать пируват в ацетильный остаток (ацетил-коэнзим А или ацетил-КоА), представляющий собой вместе с тиольной группой, которая может его переносить, кофермент А. Некоторое соединения могут сразу распадаться до ацетил-КоА, минуя стадию пирувата. При этом пировиноградная кислота может вовлекаться непосредственно в ЦК, не преобразуясь в ацетил-КоА.

Начальные этапы

Первая стадия необратима и состоит из конденсации ацетил-КоА с четырехуглеродным веществом — оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой или ЩУК), что приводит к образованию шестиуглеродного цитрата (лимонной кислоты). Во время реакции метильная группа ацетил-КоА соединяется с карбонильной группой ЩУК. Благодаря быстрому гидролизу промежуточного соединения цитроил-КоА этот этап проходит без затрат энергии извне.

На второй стадии образуется изоцитрат (изолимонная кислота) из цитрата через цис-аконитат. Это реакция обратимой изомеризации через образование промежуточной трикарбоновой кислоты, в которой катализатором выступает фермент аконитатгидратаза.

Далее происходит дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата до промежуточного соединения оксалосукцинат с выделением углекислого газа.

После декарбоксилирования оксалосукцината образуется енольное соединение, которое перестраивается и превращается в пятиуглеродную кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чем и завершает третью ступень ЦК.

Четвертый этап — α-кетоглутарат декарбоксилирует и реагирует с ацетил-КоА. При этом получается сукцинил-КоА, соединение янтарной кислоты и коэнзима-А, выделяется СО2.

Замыкание цикла

На пятой стадии сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат (янтарную кислоту). Для этого этапа характерно субстратное фосфолирование, подобное синтезу АТФ при гликолизе. Введение в ЦК фосфорной группы РО3 становится возможным благодаря присутствию фермента ГДФ (гуанозиндифосфата) или АДФ (аденозиндифосфата), которые в процессе синтеза сукцината из дифосфатов становятся трифосфатами.

Начиная с шестой стадии, цикл начинает постепенно замыкаться. Сначала сукцинат под действием каталитического фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрирует до фумарата. Дальнейшее дигидрирование приводит к седьмому этапу — образованию L-малата (яблочной кислоты) из фуратата через переходное соединение с карбанионом.

Последняя реакция цикла трикарбоновых кислот малат окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Первая стадия следующего ЦК начинается с новой молекулы ацетил-КоА.

Значение и функции

Этот восьмиэтапный циклический процесс, итогом которого является окисление ацетильного остатка до углекислого газа, может показаться излишне сложным. Тем не менее, он имеет огромное значение в метаболизме промежуточных реакций и выполняет ряд функций. К ним относятся:

• энергетическая;
• анаболическая;
• катаболическая;
• транспортная.

Цикл Кребса участвуют в катаболизме жиров и углеводов.

Соединения, образующиеся на разных стадиях процесса, участвуют в синтезе многих необходимых для организма веществ — глутамина, порфиринов, глицина, фенилаланина, цистеина и других.

Когда промежуточные продукты покидают ЦК для участия в синтезе, происходит их замещение с помощью так называемых анаплеротических реакций, которые катализируются регуляторными ферментами, например, пируваткарбоксилазой.

Транспортная функция ЦК заключается в содействии гликолизу.

Глюкозу невозможно превратить сразу в АТФ, поэтому механизм гликолиза действует поэтапно и сопровождается постоянным перемещением атомов и катионов водорода от одних соединений к другим.

Для их транспортировки нужны специальные соединения, которые получаются на одной из стадий ЦТК. Участвующие в гликолизе коферменты цикла Кребса:

• НАД*H+(Никотинамидадениндинуклеотид с катионом водорода). Образуется на III стадии ЦК.
• ФАД*H2 (Флавинадениндинуклеотид с молекулой водорода). Появляется на V стадии ЦК.

Реакции ЦК имеют и большое клиническое значение. Хотя для людей не свойственны мутации, связанные с генами ферментов, участвующих в цикле, однако их редкие проявления губительны для здоровья. Они могут приводить к опухолям мышц и почек, нарушениям работы нервной системы.

Существует множество видов визуального и слухового отображения цикла Кребса — схемы с формулами, уравнения химических реакций, разнообразные таблицы и даже мнемонические способы для полного запоминания его главных «участников».

Энергетический метаболизм. Аэробное и анаэробное дыхание

• Энергетический метаболизм (катаболизм) – это совокупность реакций окисления различных восстановленных органических и неорганических соединений, сопровождающихся выделением энергии, аккумулируемой клеткой в форме фосфатных связей.
• Хемотрофные микроорганизмы используют для синтеза молекул АТФ энергию, освобождаемую в результате химических реакций, фототрофные – световую энергию в процессе протекания фотосинтеза.
• Синтез молекул АТФ из АДФ и фосфатов может происходить двумя способами:

• фосфорилированием в дыхательной или фотосинтетической электронтранспортной цепи. (мембранным фосфорилированием) Синтез АТФ в данном случае происходит при участии фермента АТФ-синтазы:

• фосфорилированием на уровне субстрата. При этом фосфатная группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого энергией, чем АТФ.

У хемотрофных бактерий генерация энергии в молекулах АТФ сводится к двум типам биохимических реакций: окисления и восстановления.

1. При биологическом окислении чаще всего происходит одновременный перенос двух электронов; при этом от субстрата отщепляются также два протона (Н+) (дегидрирование).
2. Окислительно-восстановительные реакции энергетического метаболизма у хемотрофных:
3. • аэробное дыхание, или аэробное окисление; • анаэробное дыхание; • брожение.

 аэробное дыхание, при котором донором водорода или электронов являются органические (реже неорганические) вещества, а конечным акцептором – молекулярный кислород. Основное количество энергии при аэробном дыхании образуется в электронтранспортной цепи, т. е. в результате мембранного фосфорилирования.

Анаэробное дыхание – цепь анаэробных окислительно-восстановительных реакций, которые сводятся к окислению органического или неорганического субстрата с использованием в качестве конечного акцептора электронов не молекулярного кислорода, а других неорганических веществ (нитрата – , нитрита – , сульфата – , сульфита), а также органических веществ (фумарата и др.). Молекулы АТФ в процессе анаэробного дыхания образуются в основном в электронтранспортной цепи, т. е. в результате реакций мембранного фосфорилирования, но в меньшем количестве.

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.

• У бактерий возможны три пути катаболизма глюкозы:
• 1) гликолиз, или фруктозодифосфатный путь, или путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса (по имени исследователей, внесших большой вклад в изучение этого процесса);
• 2) окислительный пентозофосфатный путь, или гексозомонофосфатный путь, или путь Варбурга – Диккенса – Хореккера;

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы. Расчет стоимостиГарантииОтзывы

3) 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь (КДФГ-путь), или путь Энтнера – Дудорова.

Глюкоза сначала фосфорилируется при участии фермента гексокиназы и АТФ как донора фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат.

Гликолиз. С6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн + 2НАД = 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2НАД · Н2

Пентозофосфатный путь (семейства Enterobacteriaceae,гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых бактерий). В этом цикле глюкозо-6-фосфат, образующийся путем

активирования глюкозы молекулой АТФ, превращается через ряд промежуточных реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5- фосфата, СО2 и НАДФН2 .

Рибулозо-5-фосфат включается в сложный цикл, приводящий к образованию из трех его молекул двух молекул глюкозо-6-фосфата и одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в цикл, а 3-ФГА может быть превращен в пировиноградную кислоту.

Пвк окисляется с участием коэнзима А до ацетил-КоА. В данном процессе работают ферменты пируватдегидрогеназы: CH3–CO–COOH + KoA–SH + HAД+ = CH3–CO~KoA + НАД · Н2 + CO2 Ацетил-КоА является исходным субстратом цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), или цикла Кребса.

В конечном итоге окисление ацетил-КоА в ЦТК приводит к образованию двух молекул СО2, одной молекулы АТФ и восьми атомов водорода, из которых шесть атомов связаны в молекулах пиридиннуклеотидов и два атома – в молекулах флавопротеинов.

У некоторых бактерий цикл трикарбоновых кислот «разорван». Отстутствует этап превращения а-кетоглутаровой кислоты в янтарную. В таком виде ЦТК не может функционировать в системе энер-

годающих реакций клетки. Основная функция «разорванного» ЦТК – биосинтетическая.

Образовавшиеся на разных этапах окисления органических веществ НАДН2 и ФАДН2, поступают в дыхательную цепь, которая у бактерий находится в цитоплазматической мембране. Они вновь окисляются до НАД и ФАД, а отщепившийся от них водород передается не менее чем через пять переносчиков на заключительный участок цепи, где соед-ся с молекулярным кислородом, образуя воду.

Транспорт водорода сопровождается протеканием ряда окислительно-восстановительных реакций. Достаточно энергии для образования АТФ, процесс окислительного фосфорилирования. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы – электронов. Энергетическю выход при окислении одной мол-лы глюк.

при аэробн. дыхании у дрожжей: • в процессе гликолиза — по 2 АТФ, 2 НАДН2 и 2 пирувата; • при окислительном декарбоксилировании 2 пирувата образуются 2 ацетил-КоА и 2 НАДН2; • окисление двух молекул ацетил-КоА в цикле Кребса приводит к образованию 6 НАДН2, 2 ФАДН2 и 2 АТФ.

При окислении одной молекулы НАДН2 = 3 АТФ, ФАДН2 = 2 АТФ. При окислении 10 молекул НАДН2 = 30 молекул АТФ, а двух молекул ФАДН2 = 4 молекулы АТФ.

Суммарный энергетический выход аэробного дыхания у эукариотических микроорганизмов, когда катаболизм глюкозы осуществляется гликолитическим путем, составляет 38 молекул АТФ: С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 6СО2 + 38АТФ + 44Н2О

болизм глюк.происх. гликолитич. путем, образуется 26 АТФ:

1. • 2 АТФ синтезир. в гликолизе;
2. • 2 АТФ синтезир. в двух оборотах цикла Кребса;
3. • 10 молекул НАДН2 приводят к синтезу 20 молекул АТФ;
4. • две молекулы ФАДН2 = 2 АТФ.
5. У других прокариот, таких как Corynebacterium diphtheriae, в дыха-
6. тельной цепи имеется только один пункт «выброса» протонов. У Mycobacterium
7. phlei – три, как в дыхательной цепи митохондрий дрожжей.

Бактерии, способные к анаэробному дыханию, имеют укороченные дыхательные цепи. В дыхательных цепях анаэробов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. У строгих анаэробов не функционирует цикл Кребса или же он разорван.Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования. Выход АТФ при анаэр.

дых. меньше,чем при аэр-ом,но больше, чем при брожении. Конечным акцепторами электронов при нитратном дыхании являются нитраты или нитриты. Результатом нитратного дыхания является восстановление до газообразных продуктов.

Суммарную реакцию нитратного дыхания, где окисляемым субстратом является глюкоза, а конечным акцептором электронов – нитраты: C6H12O6 + 4NO3=6CO2+6H2O + 2N2 + х (кДж) У денитрифицирующих бактерий функционирует полная и укороченная электр.цепь. В качестве конечного акцептора электронов выступает сульфат (SO4), в результате чего происходит его восстановление до Н2S.

Получение энергии в результате сульфатного дыхания состоит из трех этапов • отрыва электронов от энергетического субстрата; • переноса их по дыхательной цепи• присоединения их к веществам, функционирующим в качестве конечных акцепторов электронов. Цикла Кребса «разорван» и функционирует только в условиях конструктивного метаболизма.

Карбонатное дыхание – процесс окисления молекулярного водорода, при котором конечным акцептором электронов является СО2. Метаногенные бактерии в основном получают энергию за счет окисления молекулярного водорода в процессах, сопряженных с восстановлением СО2: 4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О Многие метаногенные бактерии могут испол-вать для получен.

энергии формиат, метанол, ацетат, а также метилированные амины: 4НСООН = СН4 + 3СО2 + 2Н2О, 4СН3ОН = 3СН4 + СО2 + 2Н2О, 4СО + 2Н2О = СН4 + 3СО2, СН3СООН = СН4 + СО2, 4СН3NH3 + 2H2O = 3CH4 + CO2 + 4NH4.

Восстановление фумарата в бактериальных клетках часто сопровождается образованием сукцината (Bacteroides, Fibrobacter, Wolinella). Кроме сукциногенных бактерий, к фумаратному дыханию способны многие другие хемоорганотрофы (энтеробактерии (роды Escherichia, Proteus, Salmonella).

По своей биологической сути брожение – это способ получения энергии, при котором АТФ образуется в результате анаэр. окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования.

Сиртовое. Катаболизм глюкозы проходит по гликолитич. пути до стадии синтеза пировиноградной кислоты. Далее осуществляется ее декарбоксилирование пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата, в результате чего образуются ацетальдегид и СО2. Ацетальдегид выступает конечным акцептором водорода. При помощи алкогольдегидрогеназы он восстанавливается до этанола.

C6H12O6 + 2Фн + 2АДФ = 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2АТФ + 2H2O

Виды дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, Schizosaccharomyces pombe и др.) и бактерий (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Кроме того, этанол образуют такие мезофильные бактерии, как Leuconostoc mesenteroides, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia, а также термофильные бактерии Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum.

Маслянокислое проходит в строго анаэробных условиях и осуществляют его облигатно-анаэробные бактерии рода Clostridium. Сбраживание углеводов по гликолитическому пути. Основной продукт брожения – масляная кислота синтезируется в результате конденсации двух молекул ацетил-КоА.

Кроме того, одна из молекул ацетил-КоА, присоединяя неорганический фосфат, может подвергаться фосфорилированию, превращаясь в ацетилфосфат и далее в ацетат, что сопровождается синтезом АТФ при субстратном фосфорилировании. Это третья молекула АТФ, которая синтезируется при маслянокислом брожении (две другие молекулы АТФ образуются при расщеплении глюкозы по гликолитическому пути).

Расчеты показали, что в целом на одну молекулу сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 молекулы АТФ.

При гомоферментативном молочнокислом брожении синтезируется практически одна молочная кислота (90 % всех продуктов брожения). Катаболизм глюкозы в этом случае происходит по гликолитическому пути. Образ-яся при ПВК не подвергается декарбоксилированию, а под действием лактатдегидрогеназы восстанавливается до молочной к=ты. Конечным акцептором водорода выступает ПВК.

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн = 2СН3 – СНОН – СООН + 2АТФ. Возбудителями гомоферментативного молочнокислого брожения являются, например, бактерии Streptococcus cremoris, S. lactis, Lactobacillus

bulgaricus, L. lactis и др.

Гетероферментативное молочнокислое брожение приводит к образованию разнообразных продуктов: молочной и уксусной кислот, этилового спирта, углекислого газа и глицерина. При этом типе брожения расщепление углеводов происходит по пентозофосфатному пути. Конечными акцепторами водорода являются ПВК и ацетальдегид. Возбудителями гетероферментативного молочнокислого броже-

ния являются бактерии видов Leuconostoc mesenteroides, Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus brevis.

Основным продуктом, образующимся при пропионовокислом брожении, является пропионовая кислота. Кроме нее, синтезируются уксусная кислота и СО2. 1,5Глюкоза = 2Пропионат + СО2 + Ацетат

• Акрилатный путь (Clostridium propionicum, Bacteroides ruminicola, Megasphaera elsdenii).
• Выход АТФ составляет одну молекулу на три молекулы потребленного в этом случае лактата.
• Сукцинат-пропионатный функционирует у большинства микроорганизмов, образующих пропионат.
• На этапе превращения фумарата в сукцинат происходит субстратное фосфорилирование, в результате чего образуется молекула АТФ.

смешанного типа 1. Брожение, характерное для бактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia, при котором образуются главным образом кислоты (молочная, уксусная, янтарная, муравьиная). Выход АТФ в этом случае составляет 2–2,5 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. (АТФ синтезируется в реакции, катализируемой ацетаткиназой)

ПОИСК

    Брожение не исчерпывает всех возможностей получения энергии этой группой прокариот.

Хотя гликолитическое расщепление глюкозы с образованием в качестве обязательного промежуточного соединения при брожении пировиноградной кислоты является основным путем разложения глюкозы, кроме этого пути в группе пропионовых бактерий обнаружен окислительный пентозофосфатный путь, реакции цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), активное флавиновое дыхание и окислительное фосфорилирование, сопряженное с электронтранспортной системой. Вклад каждого из этих путей в общий энергетический метаболизм зависит как от вида бактерий, так и от конкретных внешних условий. Эволюция пропионовых бактерий определенно шла по пути приспособления к аэробным условиям. У некоторых видов обнаружен эффект Пастера в присутствии кислорода воздуха переключение с брожения на дыхание. Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки. В их клетках обнаружены цитохромы. [c.199]     Проанализировав эти данные, Г. А. Кребс [28] совместно с В. А. Джонсоном постулировали в 1937 году существование цикла почти в том самом виде, в каком мы представляем его в настоящее время. Наконец, доказано, что цикл трикарбоновых кислот — это не просто серия реакций, которые мы можем произвольно выбирать из сети метаболических реакций и рассматривать как простое окисление уксусной кислоты в двуокись углерода и воду. То, что участвующие в этом процессе ферменты образуют в живом организме слаженную систему, стало очевидным, когда было показано, что в клетке они организованы вместе в одной сложной структуре — митохондрии. У аэробных бактерий, не имеющих митохондрий, эти ферменты, по-видимому, локализованы в основном в цитоплазматической мембране. [c.21]

    Физиологическую роль каждой из реакций, показанных на фиг. 6, легче всего исследовать у бактерий, так как в этом случае можно получить и выделить мутанты, лишенные какого-либо фермента, и изучить последствия этого явления. Этот подход рассмотрел Г. Корнберг [39]. В ходе реакций цикла трикарбоновых кислот происходит образование НАД-Н и АТФ и таким образом клетка обеспечивается необходимой энергией. Аэробные бактерии также нуждаются в синтезе компонентов цикла — таких, как щавелевоуксусная и кетоглутаровая кислоты, из которых они во время роста синтезируют необходимые им различные компоненты клетки. Ясно, что, поскольку щавелевоуксусная кислота или ее предшественники в цикле постоянно расходуются, должны существовать другие реакции, обеспечивающие непрерывное образование этих соединений. Корнберг назвал эти реакции анаплеротическими последовательностями. Если бы не происходило постоянного пополнения щавелевоуксусной кислоты, то цикл трикарбоновых кислот перестал бы функционировать, так как не происходило бы образования цитрата. Реакции, приведенные на фиг. бив табл. 1, являются, таким образом, анаплеротическими. Возникает вопрос, какие же из них действительно протекают в растущей клетке. [c.28]

    Прогресс в какой-нибудь одной области часто зависит от развития соседних областей знания. В науке очень редко можно решить центральную проблему, строго следуя намеченному плану, каким бы обоснованным и детальным он ни был.

Подчеркивая некоторые особенности в исследовании биологического окисления жирных кислот, мы пытались показать, как формировались наши представления о механизме этого процесса здесь были использованы всевозможные экспериментальные подходы от цитологического исследования клето млекопитающих до изучения биохимии анаэробных бактерий или от изучения совсем другой, но тем не менее родственной метаболической системы (цикла трикарбоновых кислот) до выяснения химических свойств кофакторов ферментативных реакций. [c.20]

    Цикл трикарбоновых кислот, являясь одним из наиболее важных циклов метаболизма аэробных организмов (бактерий, простейших, грибов, высших растений и человека), представляет собой к тому же типичный каталитический цикл. Во всех других циклах также принимают участие один или несколько первичных субстратов и по меньшей мере один регенерирующийся субсграт. Таким образом, с каталитическим циклом всегда ассоциирован метаболический путь, обеспечивающий синтез регенерирующегося субстрата. Хотя, как правило, и не требуется, чтобы такой синтез шел быстро, поскольку обычно бывает необходимо восполнить лишь небольшие потери регенерирующегося субстрата в побочных реакциях, однако используемый при этом метаболический путь обеспечивает механизм биосинтеза любых необходимых количеств любого промежуточного продукта, образующегося в ходе цикла. Так, клетки получают из цикла трикарбоновых кислот значительные количества оксалоацетата, а-кетоглутарата и сукци-нил-СоА, используя их для синтеза других клеточных компонентов. Например, аспартат и глутамат образуются непосредственно из оксалоацетата и а-кетоглутарата путем переаминирования [уравнение (8-16)]. Часто говорят, что цикл трикарбоновых кислот работает на биосинтез, однако, строго говоря, когда из цикла выводятся промежуточные продукты, работает неполный цикл. Правильнее сказать, что метаболический путь синтеза регенерирующегося субстрата и еще некоторые из ферментов цикла используются для формирования тех или иных путей биосинтеза. [c.323]

    Определение скорости окисления оказало большую помощь при изучении метаболических процессов у бактерий.

Однако очевидно, что при изучении роли цикла трикарбоновых кислот в обмене веществ у бактерий полученные результаты необходимо интерпретировать с большой осторожностью.

Хотя теперь признано, что в метаболизме аэробных бактерий этот цикл играет центральную роль, в конце сороковых годов считалось, что у бактерий он отсутствует. Данные, опровергающие его наличие, в то время [c.31]

    Как видно из табл. 1, где перечислены реакции, участвующие в этих процессах, щавелевоуксусная кислота также может принимать участие в этих превращениях.

Концентрация щавелевоуксусной кислоты в организме должна всегда поддерживаться на достаточно высоком уровне, необходимом для эффективного функционирования цикла трикарбоновых кислот это условие выполняется в ходе других реакций. Как видно пируват может превращаться в фосфоенолниру-ват в результате согласованного действия двух ферментов 4 к 1 ш фиг.

6), каждый из которых использует одну молекулу АТФ. Это превращение может также произойти непосредственно — в результате реакции 5 (фиг. 6), в ходе которой из одной молекулы АТФ получается молекула АМФ, а не АДФ. Фермент, катализирующий эту реакцию, до сих пор обнаружен только у бактерий.

Поскольку при гидролизе АТФ до АМФ и неорганического фосфата высвобождается больше свободной энергии, чем в тех случаях, когда из АТФ образуется АДФ, пируват будет превращаться в фосфоенолпируват в результате реакции 5, а не 3. [c.27]

    В самом начале 50-х годов были получены новые данные об отсутствии некоторых реакций цикла трикарбоновых кислот у аэробных бактерий и были постулированы другие реакции окисления ацетата, одну из которых предложил в 1920 году Т. Тунберг  [c.32]

    Клетки, в которых 1имеются необходимые ферменты и требуемое соотношение между восстановленной и окисленной формами ферредоксина, могут использовать реакцию (11-14) для включения СОг в пируват. Сукцинил-СоА может аналогичным образом взаимодействовать с СОз, давая я-кетоглутарат (гл. 8, разд. К, 3).

Это обусловливает обратимость единственной необратимой стадии в цикле трикарбоновых кислот. Используя эти реакции, фотосинтетнческие бактерии и некоторые анаэробные организмы осуществляют восстановительный цикл трикарбоновых кислот. Вместе с реакцией (11-14) этот цикл обеспечивает полное превращение СО2 в пируват.

 [c.475]

    Цитрат — широко распространенное в природе соединение он найден во многих растениях, в молоке и р костях. Поэтому неудивительно, что многие виды бактерий способны использовать его для роста. Поскольку анаэробные бактерии обычно не обладают полным, набором ферментов цикла трикарбоновых кислот, превращение цитрата в этих бактериях осу- [c.118]

    Первое применение изотопных меток при изучении цикла трикарбоновых кислот — вообще одно из первых в истории биохимии — было осуществлено Вудом и Веркманом в Университете щтата Айова (США) . Их целью было исследование сбраживания глицерина пропионовокислыми бактериями— процесса, не имевшего видимой связи с циклом трикарбоновых кислот  [c.322]

    Глиоксилатный путь часто рассматривают как часть цикла трикарбоновых кислот. Схема, приведенная на рис. П-6, дает четкое представление о его стехиометрии.

У бактерий глиоксилатный путь, по-видимому, пространственно не отделен от цикла трикарбоновых кислот .

У некоторых же растений часть ферментов, необходимых для глиоксилатного пути, локализована в глиоксисомах, а остальные — в митохондриях (рис. И-6). [c.481]

    Окисление органических субстратов. Классические сульфатредуцирующие бактерии, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до HjO и СО 2, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько видов, способных окислять ацетат, высшие жирные кислоты и бензоат. [c.312]

    Использование ингибиторов значительно облегчает изучение отдельных реакций, если есть возможность идентифицировать продукты реакции, накапливающиеся в результате их действия.

Однако уменьшение скорости суммарной реакции при действии ингибитора еще не означает, что наблюдаемый эффект связан с подавлением реакции, чувствительной к данному ингибитору, так как ингибитор может действовать различными путями.

Например, при изучении цикла трикарбоновых кислот у бактерий было найдено, что монофторацетат натрия подавлял дыхание, и при этом, как и можно было предвидеть, накапливалось некоторое количество цитрата.

Однако наряду с этим наблюдалось накопление пирувата, образующегося из некоторых компонентов цикла [5 . В более поздних работах было показано, что в этом случае может иметь место биосинтез фтормалата из добавленного в систему фторацетата. Фторацетил-кофермент А [c.14]

    Были выделены мутанты Е. oli, не содержащие этого фермента, и оказалось, что они не могли расти ни на одном из компонентов цикла трикарбоновых кислот, хотя росли на глюкозе или пировиноградной кислоте [42].

Далее, когда дикий тип, из которого были получены эти мутанты, выращивали на янтарной кислоте, содержание фосфоиируваткарбоксикиназы в нем возрастало в десять раз по сравнению с содержанием этого фермента при выращивании бактерий на глюкозе.

Таким образом, становится очевидным, что функцией данного фермента является пре- [c.29]

    В то время как суспензии неразмножающихся бактерий использовались для изучения процессов распада, активно делящиеся клетки оказались ценным материалом для исследования включения углерода в различные компоненты клетки и, следовательно, для выяснения механизма биосинтеза. Первые данные о том, что цикл трикарбоновых кислот участвует в процессах биосинтеза у Е. oli, так же как и в процессах окисления, были получены в значительной мере благодаря [c.35]

    Как фотоавтотрофные, так и фотогетеротрофные виды пурпурных бактерий способны ассимилировать СОг через цикл Кальвина, тогда как у зеленых бактерий основная часть углекислоты, видимо, усваивается в результате функционирования другой системы, имеющей, вероятно, циклический характер.

Кроме того, фототрофные бактерии могут ассимилировать СОг в результате реакций карбоксилирования, не входящих в циклические процессы. Они более разнообразны, чем у других фотосинтезирующих организмов.

Использование фототрофными бактериями органических соединений во многих случаях связано с действием полного или неполного цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного шунта, однако известны и другие пути их превращения. [c.79]

    К циклу трикарбоновых кислот оказался близким обнаруженный у некоторых бактерий глиоксилатный цикл.

В этом цикле изолимонная кислота подвергается действию фермента изоцитразы, а не дегидразы изолимонной кислоты, как это имело место при ее превращении в цикле трикарбоновых кислот.

В результате действия изоцитразы изолимонная кис ота расщепляется с образованием янтарной и глиоксилевой кислот  [c.261]

    Кислоты, образующиеся в цикле трикарбоновых кислот и в реакциях других метаболических путей, такие, как молочная, лимонная, изолимонная, яблочная, янтарная, г ыс-аконитовая, фумаровая, пировиноградная, щавелевоуксусная и глиоксиловая, количественно определяют в виде метиловых и триметилсилиловых эфиров. В статье Элкока [29] рассматриваются особые трудности, встречающиеся при анализе некоторых из таких кислот, например ненасыщенных жирных кислот и ке-токислот. Хотя имеется подробное описание нескольких методик, в них используются только аутентичные пробы кислот. Экстракцию же кислот из биологического материала осуществить трудно. Описываемая ниже процедура, основанная на методике Элкока [29], успешно применяется для количественного определения кислот, образуемых бактериями и присутствующих в реакционных смесях. [c.212]

    ГММО могут выживать и в случае, когда они конструируются для потребления веществ, которые не встречаются в природных условиях, в частности синтетических органических соединений, попадающих в природную среду как загрязнители.

Предполагается, что их существование должно быть ограничено загрязненными участками при исчерпании загрязнения микроорганизм лишится питательного компонента и популяция ГММО элиминируется. Однако можно конструировать ГММО, которые способны потреблять разные природные субстраты.

В этом случае вероятность выживания генетически измененных микроорганизмов в окружающей среде повышается.

Например, улучшение способности к росту бактерий на экзогенном пестициде 2,4-Д в ризосфере одновременно может улучшить их способность к росту на сукцинате (2,4-Д вводится в цикл трикарбоновых кислот через сукцинат), эндогенном экссудате азотфиксирующих клубеньков, и таким образом повысить конкурентоспособность ГММО в ризосфере при потреблении сукцината корневых вьщелений. [c.243]

    Для бактерий рода A etoba ter лучшим соединением углерода является уксусная кислота. Они хорошо растут также в средах, содержащих этиловый спирт или молочную кислоту, превращая их в уксусную. Ацетобактеры окисляют уксусную кислоту в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК). У некоторых из них фуикци.оииру-ет также глиоксилатный цикл (рис. 25.1). [c.479]

    Как факультативные хемоавтотрофы водородные бактерии могут использовать разнообразные органические субстраты и, прежде всего, соединения, метаболизируемые через цикл трикарбоновых кислот органические кислоты — глюконовую, уксусную, фумаровую, янтарную, оксимасляпую, пировино-градную, глютаминовую и др. Некоторые штаммы гидролизуют труднодоступные циклические соединения, например фенол, оксибензойпую кислоту, ДДТ. Как правило, водородные бактерии не образуют внеклеточных гидролаз и не обладают про-теолитической и липолитической активностью, не разрушают целлюлозу и хитин. [c.9]

    Появление среди ранних продуктов фиксации СО2, помимо типичных для ВПФЦ соединений (фосфоглицериновой кислоты и фосфатов сахаров), некоторых аминокислот и органических кислот свидетельствует об участии других реакций карбокси-лировапия.

У водородных бактерий показано действие ФЕП-карбоксилазы и малик-энзима, активность которых достаточна для обеспечения 10% общей фиксации углекислоты.

Водородные бактерии обладают полным циклом трикарбоновых кислот, который в автотрофных условиях выполняет конструктивные функции за счет снижения активности а-кетоглуторатдегидро-геназы и некоторых других ферментов цикла. [c.11]

    Аналогичный цикл фиксации СО функционирует у хемоли-тоавтотрофных бактерий (у отдельных бактерий фиксация СО идет по обращенному циклу трикарбоновых кислот, так называемому циклу Арнона). [c.62]

Ц

Ц

ЦАРСТВО (REGNUM) – самая высокая таксономическая категория в системе организмов. Вначале все живые организмы делили на два Ц.: растения и животные. К середине XX в. эта точка зрения устарела. Большинство современных ученых признают необходимым выделение таксона более высокого ранга, чем Ц.

, а именно надцарства (super–regnum). Таких надцарств два: прокариоты и эукариоты. Надцарство прокариот включает два Ц. – археи и бактерии (в том числе цианобактерии); надцарство эукариот – три Ц.: животные, грибы, растения.

«ЦВЕТЕНИЕ» ВОДЫ – массовое размножение цианобактерий и зеленых водорослей в водоемах при попадании в них стоков с высоким содержанием питательных веществ как органических (стоки сельскохозяйственных предприятий, хозяйственно–бытовые стоки), так и минеральных (смыв удобрений с полей).

ЦЕНОЗ, БИОЦЕНОЗ – любое сообщество организмов определенной среды обитания. Различают зооценозы (сообщества животных), фитоценозы (сообщеста растений), микро–боценозы (сообщества микроорганизмов).

ЦЕНТР АКТИВНЫЙ – 1) в этимологии часть молекулы фермента, ответственная за присоединение и превращение субстрата. Образуется функциональными группами аминокислотных остатков, расположенных строго определенным образом в пространстве. Структура Ц. а. соответствует хим.

строению субстрата, благодаря чему достигается специфичность действия ферментов. Нередко в построении Ц. а. участвуют коферменты или атомы металлов. В одной молекуле фермента может быть несколько Ц. а.; 2) в иммунологии участок молекулы антитела, связывающийся с антигенами.

ЦЕНТРИФУГА – аппарат для механического разделения смеси на составные части под действием центробежной силы. См. также ультрацентрифуга.

ЦЕФАЛОСПОРИНЫ – природные (продуценты – грибы рода Cephalosporium) и полусинтетические антибиотики, близкие по строению к пенициллину. Эффективны в отношении бактерий, устойчивых к пенициллинам. Используются для лечения пневмонии, сепсиса, менингита и др.

ЦИАНИДЫ – соли синильной (цианистоводородной) кислоты. Сильные клеточные яды. Вызывают угнетение всех аэробных организмов, блокируя перенос электронов между цитохромами. В исследовательской практике используются для изучения компонентов дыхательной цепи.

ЦИАНКОБАЛАМИН, ВИТАМИН В12 – водорастворимый витамин. Синтезируется многими прокариотными микроорганизмами. В пром. масштабах Ц. получают на основе культивирования пропионовокислых бактерий (Propio–nibacterium freudenreichii, Prop. shermanii) или смешанной культуры метаногенов.

ЦИАНОБАКТЕРИИ – группа прокариотных фототрофных организмов, называемых также синезелеными водорослями. Включают одноклеточные и многоклеточные три–хомные формы. Клетки – типичные для прокариот. Сдругой стороны, Ц.

, подобно высшим растениям и водорослям, осуществляют фотосинтез с выделением молекулярного кислорода. Многие Ц. фиксируют атмосферный азот. Ц. выделены в группу оксигенных фототрофных бактерий, состоящую (на основе учета морфологических признаков) из пяти порядков.

Два первых порядка – Chlorococcales и Pleurocapsales – представлены одноклеточными формами, три последующих (Oscillatoriales, Nostocales, Stigonematales) – многоклеточными. Название Ц. широко используется в микробиол. литературе, тогда как в ботанической сохраняется термин «синезеленые водоросли».

ЦИАНОФИЦИН – запасное вещество полипептидной природы, встречающееся только у цианобактерий; накапливается главным образом в гетероцистах.

ЦИКЛ АРНОНА – путь ассимиляции углекислоты некоторыми бактериями. Циклический механизм, в основе которого лежат реакции восстановительного карбоксилирования органических кислот.

В результате одного оборота цикла происходит фиксация СО2 в четырех реакциях, две из которых идут при участии восстановленного ферредоксина. При этом из 4 молекул углекислоты и восстановителя с затратой АТФ синтезируется 1 молекула щавелевой кислоты.

Укороченный вариант цикла с синтезом ацетата представляет собой по существу обращенный цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Впервые был обнаружен у зеленых фотосинтезирующих бактерий Chiorobium limicola.

ЦИКЛ ГЛИОКСИЛАТНЫЙ – циклический ферментативный процесс (видоизмененная форма цикла Кребса), в котором происходит последовательное превращение активированного ацетата (ацетил–КоА) через стадию образования глиоксиловой кислоты.

Обнаружен у многих микроорганизмов, у животных отсутствует. В результате функционирования Ц. г.

при каждом обороте в него включаются две молекулы ацетил–КоА и образуются одна молекула янтарной кислоты и два атома водорода (в составе восстановленного НАД), окисляющиеся в дыхательной цепи с образованием АТФ. Основная функция Ц. г.

 – образование дикарбоновых кислот, необходимых для процессов биосинтеза. Ц. г. делает возможным рост микроорганизмов в среде, содержащей ацетат (или жирные кислоты, расщепляющиеся с образованием ацетил–КоА) в качестве единственного источника углерода и энергии.

ЦИКЛ КАЛЬВИНА – наиболее распространенный путь восстановления углекислоты при фотосинтезе (исключение составляют зеленые бактерии) и хемосинтезе. Первичные продукты фотосинтеза и хемосинтеза (энергия в виде АТФ и восстановитель) используются в Ц. К.

для превращения углерода в углеводы. СО2 присоединяется крибулозобисфосфату с участием фермента рибулозо–бисфосфаткарбоксилазы.

Из полученного шестиуглеродного соединения образуется трехуглеродная фосфоглицериновая кислота, восстанавливаемая затем с использованием АТФ и НАДФ Н до трехуглеродных сахаров, из которых и образуется конечный продукт – глюкоза.

Вместе с тем часть триозофосфатов претерпевает процесс конденсации и перестроек, превращаясь в рибуло–зомонофосфат, который фосфорилируется за счет АТФ до рибулозобисфосфата – первичного акцептора СО2, что и обеспечивает непрерывную работу цикла. По своей сути Ц.К. представляет собой обращенный пентозофосфатный окислительный путь расщепления сахаров.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК), цикл кребса, цикл лимонной кислоты – важнейший биохим. механизм, обеспечивающий энергетический и конструктивный метаболизм всех живых клеток. Открыт X. Кребсом и У. Джонсоном в 1937 г.

У эукариот полный набор ферментов ЦТК обнаруживается главным образом в митохондриях, у прокариот они локализованы на внутрицитоплазматических мембранах. ЦТК – конечный путь, завершающий распад в клетках углеводов, органических кислот, др.

соединений, поскольку представляет собой циклический процесс окисления активированного ацетата до углекислоты, ГТФ или АТФ (2 моль на 1 моль ацетата за счет субстратного фосфорилирования) и восстановителей никотинамидной и флавиновой природы.

Утилизация восстановителей в дыхательной цепи обеспечивает дополнительный синтез клеткой АТФ.

Участие ЦТК в анаболизме определяется возможностью клеток использовать промежуточные соединения цикла для новообразования аминокислот, порфиринов и др.

Видоизмененная форма ЦТК – глиоксилатный цикл (шунт) – обеспечивает жизнь микробных клеток при росте на низкомолекулярных субстратах в качестве единственного источника энергии и углерода. Полный ЦТК, включая глиоксилатный цикл (шунт), обнаруживается только у аэробных микроорганизмов.

Анаэробы не содержат ферменты изоцитратлиазу и ?–кетоглутаратдегидро–геназу, в результате этого у них отсутствуют и глиоксилатный цикл, и замкнутый ЦТК. В то же время анаболические функции этого механизма сохраняются, так как остающиеся реакции обеспечивают клетку необходимыми соединениями для биосинтеза.

У некоторых зеленых фототрофных бактерий, сульфатвосстанавливающих бактерий показано наличие обращенного ЦТК, обеспечивающего ассимиляцию углекислоты с образованием первичных продуктов в виде ацетата или оксалацетата (цикл Арнона).

ЦИКЛОСПОРИН – см. иммунодепрессивные вещества. циста – покоящаяся форма у некоторых микрорганизмов, образуемая как особая стадия жизненного цикла или в ответ на неблагоприятные условия среды.

цитохрОмы – дыхательные ферменты, компоненты дыхательной цепи, сложные белки (гемопротеиды), осуществляющие в живых клетках ступенчатый перенос электронов (водорода) посредством обратимого изменения валентности атома железа в геме от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду.