Биосинтез отдельных веществ микробной клетки

Катаболизм может идти разными путями, но всегда с образованием АТФ для обеспечения биосинтеза клетки. Основную часть органических веществ микроорганизмов составляют макромолекулы, относящиеся к четырем классам: нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и сложные липиды. Это полимеры низкомолекулярных органических соединений, называемых предшественниками.

Макромолекулы делят на классы в зависимости от того, какие низкомолекулярные органические соединения-предшественники полимсризуются при их синтезе: для нуклеиновых кислот — нуклеотиды, для белков — аминокислоты, для полисахаридов — моносахариды. Сложные липиды более разнообразны по своему составу — среди их предшественников есть жирные кислоты, многоатомные спирты, простые сахара, амины и аминокислоты. Согласно имеющимся данным, для образования макромолекул четырех главных классов требуется около 70 низкомолекулярных органических соединений-предшественников.

Кроме предшественников макромолекул, микробной клетке необходимо синтезировать около 20 коферментов и переносчиков электронов, играющих важную каталитическую роль. Считают, что для образования новой микробной клетки нужно примерно 150 небольших молекул различных органических соединений. Эти небольшие молекулы, в свою очередь, синтезируются из еще меньшего числа основных промежуточных веществ, образующихся в ходе катаболизма у хемоорганогетеротрофов или при использовании С0₂ хемол итоавтотрофам и.

Наиболее важные промежуточные продукты — фосфорные эфиры сахаров, пируват, ацетат, оксалоацстат, сукцинат, 2-оксоглутарат, рибоза и некоторые другие. Поставка промежуточных продуктов для биосинтеза аминокислот, углеводов и т. д. происходит главным образом при преобразованиях в цикле трикарбоновых кислот.

Биосинтез аминокислот и белков. Почти все микроорганизмы, за небольшим исключением, обладают способностью к синтезу всех аминокислот. Биосинтез аминокислот — первый этап биосинтеза белка — представляет собой яркий пример тесной связи катаболизма и биосинтеза. Предшественниками для биосинтеза аминокислот служат промежуточные продукты ЦТК и пентозофосфатного цикла. Так, при включении в цикл трикарбоновых кислот пируват, трансформируясь в оксалоацетат и 2-оксоглутарат, дает начало аспартату и глутамату, из которых впоследствии образуются аспарагин, глутамин, затем треонин, изолейцин, метионин, лизин, аргинин и пролин.

В результате конденсации промежуточных продуктов пентозофосфатного цикла (эритрозо-4-фосфата) и гликолиза (фосфоенолпирувата), а также последующей серии реакций образуются ароматические аминокислоты — тирозин, фенилаланин и триптофан.

Микроорганизмы могут построить из промежуточных продуктов катаболизма углеводов только углеродные скелеты аминокислот. На последних этапах их биосинтеза в молекулу промежуточного продукта вводится при реакции аминирования и переаминирования аминогруппа. Превращение неорганического азота в органический осуществляется через предварительное образование ионов аммония, которые затем включаются в состав органических веществ.

Ряд аминокислот (L-аланин, аспартат, глутамат и амид-L-myтамин) образуется при прямом аминировании; их называют первичными аминокислотами. Остальные аминокислоты, называемые вторичными, синтезируются путем переаминирования, т. е. в результате переноса аминогруппы от первичных аминокислот, служащих донорами, на соответствующие кетокислоты, образующиеся в ходе реакций катаболизма.

Аминокислоты, в свою очередь, идут на биосинтез белков клетки, специфичных для каждого вида микроорганизмов. Синтез белка заключается в образовании пептидной связи между свободными аминокислотами. Для этого необходима предварительная химическая активация аминокислот, требующая расхода энергии АТФ. Активация заключается в присоединении аминокислоты к ферменту-переносчику. Существует 20 таких ферментов, каждый из которых специализируется на активации определенной аминокислоты. Последующая полимеризация происходит вследствие переноса аминокислоты с фермента-переносчика на растущую белковую цепь. В клетке микроорганизма может синтезироваться несколько тысяч различных белков, каждый из которых содержит в среднем около 200 аминокислотных остатков, связанных между собой в определенной последовательности.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Один из самых жизненно важных процессов клетки — биосинтез мононуклеотидов, поскольку рибои дезоксирибонуклеотиды служат прямыми предшественниками РНК, ДНК и нуклеотидных ферментов. Центральное звено биосинтеза мононуклеотидов — синтез пуриновых и пиримидиновых оснований. Все микроорганизмы, за исключением некоторых видов бактерий, способны образовывать указанные основания из очень простых предшественников: аминокислот — глицина и аспартата, а также инозиновой, адениловой, гуаниловой и уридиловой кислот. В синтезе мононуклеотидов, кроме того, участвуют фосфорная кислота и /)-рибозо-5-фосфат — продукт пентозофосфатного пути превращения углеводов. Синтезированные микроорганизмами мононуклеотиды полимеризуются при участии специальных ферментов в ДНК и РНК.

Биосинтез углеводов. Глюкоза и другие углеводы синтезируются из более простых соединений. Фотоавтотрофные организмы образуют гексозы в результате восстановления С0₂. Гсксозы, в свою очередь, трансформируются в крахмал, целлюлозу и другие полисахариды. В клетках хемоорганогетеротрофных организмов центральный процесс метаболизма — трансформация пирувата, аминокислот и других простых соединений в глюкозу и гликоген.

Подобно тому как основным путем катаболизма углеводов в клетках анаэробных и аэробных микроорганизмов служит превращение глюкозы в пируват, обратным процессом, т. с. превращением пирувата в глюкозу, является центральный путь биосинтеза моносахаридов и полисахаридов. В данный центральный биосинтетический путь вливаются два главных поддерживающих пути, которые начинаются с двух различных наборов простых, неуглеводных соединений. Один поддерживающий путь заключается в ряде реакций, обеспечивающих превращение промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в пируват. Указанный процесс характерен для всех организмов и носит название глюконсогснеза. Второй путь состоит из реакций, обусловливающих восстановление С0₂ до глюкозы. Он отсутствует у хемоорганогетеротрофов и наблюдается главным образом у хемолитоавтотрофов и фотолитоавтотрофов.

Глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе превращения по центральному пути двух молекул пирувата при затратах энергии АТФ, обусловливает синтез целого ряда соединений — свободной глюкозы, крахмала, гликогена, дисахаридов, моносахаридов, компонентов клеточной стенки (гликопептидов, тсйхосвых кислот, липополисахаридов), запасных веществ клетки (гликогена, гранулезы) и др.

Следует остановиться на особенностях синтеза углеводов и других органических веществ в клетке хемолитоавтотрофных микроорганизмов. Процессы окисления неорганических веществ здесь идут с выделением энергии и позволяют аккумулировать се в клетке в форме АТФ, часть которой тратится на восстановление С0₂. Усвоение С0₂ у большинства исследованных хемолитоавтотрофов, как и у большинства (но не у всех) фотоавтогрофов, осуществляется через восстановительный пенгозофосфагный цикл, или цикл Кальвина^[1].

Цикл Кальвина имеет, таким образом, универсальное значение как для эукариотных, так и для прокариотных микроорганизмов, использующих С0₂ как основной источник углерода.

Ключевым ферментом цикла Кальвина является рибулозобисфосфаткарбоксилаза, которая катализирует реакцию присоединения С0₂ к молекуле рибулозо-1,5-бисфосфата (Р0₃Н₂—СН₂0*С0х хСНОН—СНОН «СН₂0—Р0₃Н₂) с образованием двух молекул фосфоглицерата. Последние восстанавливаются в глицеральдегид-3-фосфат, который в результате ряда реакций трансформируется во фруктозобисфосфат, затем — в глюкозо-6-фосфат и, наконец, — в глюкозу.

Биосинтез липидов. Липиды микроорганизмов представляют собой химически гетерогенную группу; среди них есть жиры, фосфолипиды, стероиды, изопреноиды и поли-р-оксимасляная кислота. Выделяют две группы липидов. К первой относят липиды, содержащие жирные кислоты, связанные эфирной связью, ко второй — липиды, состоящие из повторяющихся пятиуглсродных радикалов, подобных изопрену. Жирные кислоты обычно синтезируются отдельно и в дальнейшем с образованием эфирной связи включаются в сложные эфиры. Предшественником жирных кислот с длинной цепью, а также запасного вещества — поли-|3-гидроксимасляной кислоты — служит промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот ацетил-коэнзим, А (ацетил-КоА). Важную роль в биосинтезе жирных кислот играет так называемый ацетилпереносящий белок (АП Б).

Синтез жирных кислот с длинной цепью начинается с переноса ацетильной группы с ацетил-КоА на АП Б. Образовавшийся комплекс становится основанием, на которое переносятся двууглеродные соединения (С₂-фрагмснты). Последовательное наращивание двууглеродных остатков через ряд промежуточных продуктов ведет к образованию С,₄—С,₈-жирных кислот. Фосфолипиды возникают при взаимодействии жирных кислот и промежуточного продукта гликолиза — диоксиацетонфосфага.

Полиизопреновые соединения, состоящие из повторяющихся С₅-фрагментов, синтезируются исключительно из ацетильных групп. В указанных реакциях также большую роль играет промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот — ацетил-КоА.

Совокупность всех метаболических превращений, идущих в клетке микроорганизмов, можно представить в виде краткой схемы (рис. 33). На схеме показаны пункты синтеза и использования АТФ, а также отдельные реакции, в которых образуются и используются восстановленные формы переносчиков водорода (НАД"Н₂,.

надф*н₂ и ФАД-Н₂).

Регуляция метаболизма. Как указывалось выше, процессы метаболизма обеспечивают запасание микробной клеткой энергии в биологически доступной форме, синтез низкомолекулярных струк;

Рис. 33. Краткая схема некоторых путей метаболизма в микробной клетке: жирными линиями показаны наиболее важные направления катаболизма, штриховыми — направления биосинтеза (по: Д. Меилер) турных компонентов и сложных макромолекул, а также деление клетки. В природных условиях микроорганизмы вынуждены конкурировать с другими живыми существами, что обусловило развитие в их клетках механизмов приспособления к изменяющимся внешним условиям и способствовало оптимальному согласованию между собой различных процессов метаболизма. Оптимизация касается прежде всего ферментных белков, их синтеза и функционирования.

Считают, что регуляция клеточного метаболизма у микроорганизмов осуществляется на двух уровнях — синтеза ферментов и изменения их активности. Первый тип регуляции характерен для большинства метаболических путей и заключается в одновременном регулировании синтеза многих ферментов, функционирующих в одном и том же метаболическом пути. Задача подобной регуляции — обеспечить необходимое соотношение между скоростью синтеза тех или иных ферментов и скоростью синтеза белка. Сама скорость обусловлена частотой транскрипции структурного гена. В клетках микроорганизмов многие ферменты синтезируются непрерывно, вне зависимости от факторов внешней среды. Это так называемые конститутивные ферменты. В основном они участвуют в обменных процессах, связанных с синтезом различных веществ и ростом клеток.

Что касается ферментов, участвующих в реакциях катаболизма, то образование многих из них регулируется посредством так называемой индукции. Например, в той или иной питательной среде имеется только одно вещество, тогда в клетках микроорганизма синтезируются ферменты для расщепления именно данного вещества. В указанном случае говорят об индукции ферментов, индуцирующем субстрате и индуцируемых ферментах.

Образование ферментов, участвующих в биосинтезе, часто регулируется посредством репрессии. В этом случае ферменты определенного биосинтетического пути не синтезируются, если его конечный продукт присутствует в среде. При наличии или накоплении такого конечного продукта скорость синтеза всех ферментов, управляющих реакциями данного пути, существенно снижается. Например, путем репрессии регулируется синтез ферментов, которые участвуют в образовании пиримидинов, пуринов и аминокислот. Сигнал к остановке биосинтеза белков в таких условиях исходит из конечных продуктов процесса (репрессия конечным продуктом).

Если в питательной среде присутствуют два вещества, микроорганизм в большинстве случаев использует то, которое обеспечивает более быстрый рост. Образование же ферментов, расщепляющих второе вещество, репрессируется. Указанное явление называют катаболитной репрессией. Катаболитная репрессия лежит в основе так называемой диауксии. Если в среде есть два субстрата (глюкоза и сорбит или глюкоза и ацетат), то, как показано на примере кишечной палочки, они используются бактериями не одновременно, а последовательно. Вначале потребляется глюкоза, и одновременно она ингибирует синтез ферментов, участвующих в расщеплении второго субстрата.

Регуляция клеточного метаболизма на уровне активности ферментов характерна, как правило, для ключевых ферментов, участвующих в биосинтетических процессах. Каталитическая активность таких ферментов может увеличиваться под влиянием положительного эффектора — активатора или уменьшается под действием отрицательного эффектора — ингибитора. Ферменты, занимающие ключевые позиции в биосинтетических путях, в большинстве случаев сами являются регуляторными. У регуляторных ферментов кроме каталитических центров есть и особые стереоспецифичные участки — так называемые аллостерические центры. Это места связывания активаторов и ингибиторов. Подобные регуляторные ферменты называют также аллостерическими.

Примером аллостерического фермента может служить фосфофруктокиназа, катализирующая в процессе гликолиза фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. В реакции участвует АТФ. Если концентрация АТФ высока, ее молекулы аллостсрически ингибируют фосфофруктокиназу. При усилении биосинтетических процессов увеличивается расход АТФ, ее концентрация падает и фосфорилирование фруктозо-6-фосфата возобновляется.

В тех случаях, когда конечный продукт того или иного метаболического пути начинает накапливаться в клетке в количествах, превышающих ее потребности, он может действовать как аллостерический ингибитор, что приводит к ингибированию активного фермента, контролирующего первый этап указанного пути. В результате уменьшается или даже приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта. Подобное явление называют ингибированием конечным продуктом, оно является примером механизма, который регулирует один из важных аспектов метаболической активности по принципу отрицательной обратной связи.

Следовательно, два типа регуляции клеточного метаболизма — индукция и репрессия ферментов, с одной стороны, и изменение активности ферментов — с другой, приводят к одному и тому же результату, а именно определяют интенсивность превращения различных субстратов по тому или иному метаболическому пути.

В микробной клетке существуют линейные и разветвленные пути метаболизма. При линейном метаболизме ферменты действуют организованно, будучи объединенными друг с другом в мультиферменгные комплексы. Последние часто связаны с цитоплазматической мембраной. Благодаря линейному расположению ферментов создается возможность для саморегуляции ингибированием по принципу отрицательной обратной связи, поэтому скорость определенного метаболического пути регулируется концентрацией его конемного продукта. Здесь каждый фермент связан с соседними — продукт, образующийся при участии одного фермента, становится субстратом для другого фермента в цепи, и так продолжается до тех пор. пока весь процесс не закончится образованием конечного продукта.

Результатами реакций разветвленного метаболического пути могут быть различные продукты. Направление синтеза на определенный конечный продукт обусловливается условиями, которые складываются в клетке в данное время. Регуляция образования конечного продукта осуществляется ингибированием по принципу обратной связи. В разветвленном метаболическом пути действуют и мультиферментные системы, однако ферменты их локализованы в растворе и тесно друг с другом не связаны.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте определение понятиям «метаболизм», «катаболизм», «биосинтез*.
• 2. На чем основана современная классификация микроорганизмов? 3. В процессе каких реакций и в виле каких соединений накапливается энергия в клетке?

• [1] Иными путями — не через цикл Кальвина — фиксируют С02 фотоавтотрофные зеленые серные и некоторые зеленые нитчатые бактерии, а также некоторые хемоавтотрофные анаэробы — мстаногены. ряд сульфат-редукторов, окисляющих Н2, и др.