I. Метаболизм, катаболизм, анаболизм: понятие и взаимосвязь.
Совокупность химических реакций, в результате которых из сравнительно простых веществ окружающей среды образуется новое клеточное вещество и энергия, а также все другие химические проявления жизни, называется метаболизмом.
В основе обмена веществ лежат два противоположных, взаимоисключающих и одновременно взаимодополняющих друг друга процесса: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм – энергетический обмен, включающий процессы расщепления пищевых веществ, которые происходят в основном за счет реакций окисления, в результате чего выделяется энергия. Установлено, что микробная клетка запасается энергий в форме соединений, обладающих макроэргичекой связью – это АТФ, АДФ, и т.д. При гидролизе этой связи от нуклеотидов отщепляется остаток фосфорной кислоты и освобождается энергия, которая может быть использована в процессе биосинтеза. Катаболизм это процессы расщепления. Для микроорганизмов известны две формы катаболизма:
дыхание – это сложный процесс окисления с участием кислорода. Связано с образованием большого количества энергии, воды и СО2. Различают аэробное дыхание, анаэробное дыхание и близкое к дыханию неполное окисление.
брожение – жизнь без кислорода. Осуществляется неполный распад органических веществ с образованием незначительного количества энергии и продуктов, богатых энергией. Отщепляемый от субстрата водород идет не к кислороду, а к органическим соединениям, которые образуются в ходе самого брожения.
Анаболизм – конструктивный обмен. Он включает процессы синтеза макромолекул клетки из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде. Он связан с потреблением энергии, которая вырабатывается в процессе катаболизма.
Катаболизм и анаболизм протекают в клетке одновременно. Многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими. Разделить их также невозможно, как невозможно разделить питание и дыхание.
II. Роль ферментов в процессах метаболизма.
Большую роль в процессах метаболизма играют ферменты. По локализации (расположению) ферменты делятся на экзоферменты и эндоферменты.
Экзоферменты не связаны со структурой цитоплазмы, легко выделяются в среду при жизни клетки, являются индуцибельными, т.е. синтезируются клеткой в ответ на присутствие индуктора (субстрата или его аналога), связаны с внеклеточным питанием (гидролазы).
Эндоферменты прочно связаны со структурами цитоплазмы, действуют только внутри клетки, осуществляют дальнейшее разложение поступающих в клетку веществ– конститутивные,т.е.синтезируются независимо от состава среды (оксидоредуктазы, трансферазы).
III. Катаболические реакции, общие для дыхания и брожения.
Брожение и дыхание имеют общие стадии химических превращений, протекающих в анаэробных условиях и заканчивающихся образованием пировиноградной кислоты- ПВК (СН3СОСООН). В микробных клетках образование ПВК может протекать разными путями:
ЭМП (Эмбдена – Мейергофа – Парнаса), или гликолитический;
КДФГ, или Энтнера – Дудорова;
Пентозофосфатный (ПФ).
Различные микроорганизмы в разной степени используют тот или иной из рассмотренных путей.
ЭМП
глюкоза глюкозо 6 – фосфат фруктозо-6фосфат
СН2ОН АДФ СН2ОН
АТФ
СН2ОН
СН2ОР
гексокиназа изомераза
АДФ фруктозо1,6дифосфат
АТФ
СН2ОН
3
ФГА (3 фосфоглицеринный альдегид)
СН2ОР
Под действием альдолазы фруктозо1,6дифосфат расщепляется на 2 молекулы 3фосфоглицеринового альдегида.
Дальнейшее превращение ФГА осуществляется за счет переноса водорода и фосфорных остатков через ряд органических кислот с участием специфических дегидрогеназ. Синтезируется две молекулы АТФ. Синтез АТФ, сопряженный с окислением промежуточных метаболитов называется субстратное фосфорилирование (характерно для анаэробов). В целом по этому пути затрачивается 2 молекулы АТФ, а синтезируется 4.
Энергетический выход = 2 АТФ + 2 ПВК.
Ферменты этого пути обнаружены у дрожжей, в мышцах животных, у бактерий, т.к. они универсальны.
КДФГ
С Н2ОН АДФ СН2ОР НАДФ*Н2
АТФ НАДФ
гексокиназа