3.1.5. Энергетикалық метаболизм.

Бактерия жасушасындағы энергия АТФ түрінде кездеседі. Хемоорганотрофты бактерияларда энергияны АТФ түрінде алу реакциялары, фосфорилдеу реакциясымен байланысты тотығу-тотықсыздану реакциялары болып табылады. Осы реакцияларда тотыққан көміртегі жасушадан СО2 күйінде бөлінеді. Энергияны алу әдістеріне байланысты метаболизмнің бірнеше түрлері болады: тотығу немесе тыныс алу, ашыту немесе ферменттік және аралас.

Энергия және көміртегі көзі ретінде глюкоза немесе басқа гексоздарды пайдаланғанда тотығудың бастапқы этаптары тотығатын түрінде де, ашыту түрінде де ортақ болып келеді. Бұған глюкозаны пируватқа айналдыру жатады.

Тотығу метаболизмі.

Тотығу метаболизміне қабілетті бактериялар энергияны тыныс алу жолымен алады.

Тыныс алу – тотығу кезінде фосфорилденіп орайласқан тотығу–тотықсыздану реакцияларынан энергия алу, бұл кезде электрондардың донорлары органикалық (органотрофтарда) және бейорганикалық (литотрофтарда) қосылыстар, ал акцепторлары – тек қана бейорганикалық қосылыстар бола алады.

Тотығу метаболизмі бар бактерияларда электрондар немесе сутегі –Н+ акцепторы молекулалық оттегі болып табылады. Бұл жағдайда пируват С2 дейін толық тотығады. Биосинтетикалық процестер және сутек атомдары үшкарбондар циклы негізін салушыны жеткізіп беруші қызметін атқарады, ал оның барлығын молекулалық оттегіге күрделі мультиферментті жүйесі бар – тыныстық тізбек айналдырады. Бактериялардың тыныстық тізбегі ЦПМ-да және жасуша ішілік мембраналық құрлымдарда орналасады.

Тыныс алу тізбегіндегі АТФ-тың құрылуы хемоосмостық процеспен байланысты. ЦПМ-дағы тасымалдаушылардың ерекше бағытталуы сутегінің ішкі мембранадан сыртқы беткейіне беріліп, соның нәтижесінде мембраналық потенциалда байқалатын сутегі атомдарының градиенттері құрылады. Мембраналық потенциалдың энергиясы АТФазамен мембранаға шоғырланған АТФ-тың синтезделуіне жұмсалады.

Прокариоттар көміртегіден басқа да органикалық қосылыстарды, атап айтқанда ақуыздарды, СО2 және Н2О-ға дейін толық тотықтырып энергия көзі ретінде пайдалана алады.

Аминқышқылдары мен ақуыздар да энергетикалық ресурстар ретінде іске асырылуы мүмкін. Оларды пайдалану бірінші кезекте дайындық сипаттағы тиісті ферменттік өзгерістермен байланысты. Алдымен ақуыздар жасуша сыртында протеолиттік ферменттермен пептидтерге дейін ыдыратылады, оларды жасуша жұтып алып, жасушаішілік пептидазалар аминқышқылдарына дейін ыдыратады.

Аммонификациялау процесі «шіру» процесі ретінде де белгілі, бұл кезде жағымсыз спецификалық иісі бар, біріншілік аминдер құрайтын заттар жинақталады.

Шіріктік бактериялар ақуыздың СО2, NH3, H2S-ке дейін минерализациялануын жүзеге асырады. Шіріктік бактерияларға Proteus, Pseudomonas, Bacillus cereus жатады.

Ашыту (ферменттік) метаболизмі.

Ферментация немесе ашыту – субстраттан бөлініп алынған сутегіні органикалық қосылыстарға тасымалдау кезінде энергия алу процесі.

Ашыту процесіне оттегі қатыспайды. Тотыққан органикалық қосылыстар ортаға бөлініп жинақталады. Көмірсулар, аминқышқылдары (ароматталғаннан басқа), пуриндер, пиримидиндер, көпатомды спирттер ферменттенеді. Ароматикалық көмірсулар, стероидтар, каротиноидтар, майлы қышқылдар аши алмайды. Бұл заттар тек қана оттегі бар ортада ғана ыдырап тотыға алады, ал анаэробты жағдайда бұлар тұрақты. Қышқылдар, газдар, спирттер ашыту өнімдері болып табылады.

Спирттік ашыту. Негізінен ашытқы саңырауқұлақтарда кездеседі. Соңғы өнімі – этанол мен СО2. Глюкозаның ашытылуы ФДФ-жолмен анаэробты жағдайда өтеді. Оттегі түсе бастаған жағдайда ашыту процесі әлсіреп, тыныға бастайды. Спирттік ашытуды оттегімен басуды Пастер эффектісі деп атайды.

Спирттік ашыту тамақ өндірісінде (нан жабуда, шарап жасауда) қолданылады.

Сүтқышқылды ашыту. Сүтқышқылды ашытудың екі түрін ажыратады: гомоферменттік және гетероферменттік.

Гомоферменттік түрінде глюкозаны ыдырату ФДФ-жолмен жасалынады. Гомоферменттік сүтқышқылды ыдырату S. pyogenes, E.faecalis, S. salivarius кейбір Lactobacillus-тің (l. dulgaricus, L.lactis) қатысуымен өтеді.

Гетероферменттік сүтқышқылды ашыту ФДФ-жолдарының альдолаза және триозофосфатизомераза ферменттері жоқ бактерияларда болады. Глюкозаның ыдырауы ПФ-жолымен өтіп фосфоглицеринді альдегид түзіледі, содан кейін ол ФДФ-жолдары бойынша пируватқа айналып, соңынан лактатқа тотықсызданады. Ашытудың бұл түрінің қосымша өнімдері этанол мен сірке қышқылы болады. Гетероферментті сүтқышқылды ашыту Lactobacillus және Bifidobacterium тұқымдастығының өкілдерінде кездеседі.

Сүт қышқылды бактериаларды сүт өндірістерінде түрлі ашыған өнімдерді алуға және де антибиотиктер дайындауға кеңінен пайдаланады.

Құмырсқақышқылды (аралас) ашыту. Enterobacteriaceae және Vibriоnaceae туыстастарының өкілдерінде кездеседі. Глюкоза ФДФ-жолдарымен, ал глюконат КДФГ-жолдарымен ыдырайды.

Анаэробты жағдайда бөлінетін ашыту өнімдеріне байланысты процестің екі түрін ажыратады:

1. Бір жағдайда пируват ыдырау нәтижесінде ацетилкофермент және құмырсқа қышқылы бөлініп, ал ол өз кезегінде көміртегінің қосқышқылы мен молекулалық сутегіне ыдырауы мүмкін. Тізбекті реакцияның арқасында түзілетін ашытудың басқа өнімдері этанол, янтар және сүтқышқылы болып табылады. Көп мөлшерде қышқыл түзілгенін күшті қышқылды ортада түсін өзгертетін индикатор метил-рот көмегімен анықтауға болады.

2. Ашытудың басқа түрінде бірқатар қышқылдар түзіледі, бірақ ең басты өнімдер ацетоин және 2,3-бутандиол болып табылады. Ацетоин пируваттың екі молекуласынан құрылып, соңынан екі есе декарбоксилденеді. Тотыққан кезде ацетоиннан 2,3-бутандиол түзіледі. Осы заттар ά-нафтолмен сілтілі ортада әрекеттескен кезде бурыл түс береді, бұл құбылысты бактерияларды идентификациялауда қолданылатын Фогес-Проскауер реакциясын қою арқылы анықтайды.

Майқышқылды ашыту. Май қышқылы, бутанол, ацетон, изопропанол, және бірқатар органикалық қышқылдар, атап айтқанда сірке, капрон, валериан, пальмитин қышқылдары қант ыдыратқыш қатаң анаэробтардың көміртегіні ашыту өнімдері болып табылады. Осы қышқылдар спектрі анаэробтарды идентификациялауда сұйықгазды хромотография көмегімен экспресс-әдіс ретінде қолданылады.

Ақуыздардың ферменттелуі. Егер ашыту зат алмасуы бар бактериялар үшін энергия көзі ақуыздар болса, бұндай бактерияларды пептолитикалық деп атайды. Клостридиялардың кей түрлері пептолитикалық болып табылады, ол: C. histolyticum, C. botulinum. Пептолитикалық бактериялар ақуыздарды гидролиздеп, аминқышқылдарды ашытады.Көптеген аминқышқылдар басқалармен қосылып ашиды, бұл кезде кейбіреулері донор орнында болса, ал басқалары – сутегі акцепторлары болады. Донор-аминқышқылы кетоқышқылға дезаминделіп тотықтық декарбоксилдену нәтижесінде май қышқылына айналады.

Анаэробтық тыныс алу. Кейбір бактериялар сутегінің ақырғы акцепторы ретінде нитратты пайдалану қабілетіне ие. Нитратты тотықсыздандыру екі жолмен өтеді:

1. Аммонификация кезінде нитрат аммиакқа айналады;

2. Денитрификация кезінде нитраттың тотықсыздануы молекулалық азот немесе азоттың ашытқысына дейін жүреді.Бұл процесс нитратредуктаза ферментімен байланысты.

Cульфаттық тыныс алу. Анаэробты тыныс алуда сульфатты сутегінің соңғы акцепторы ретінде қолдануға тек қана екі топқа жататын бактериялар қабілетті: Desulfovibrio, Desulfotomaculum. Бұл бактериялар қатаң анаэробтар болып табылады, олар донор ретінде молекулалық сутегіні қолданады, сол себептен оларды хемолитотрофтарға жатқызады. Бұл бактериялар табиғатта күкіртті сутегіні түзуде жетекші орын алады.