Лекция 9.
Биохимия и физиология роста, метаболизм.
Введение.
Первый закон биологии (если бы он был сформулирован) мог бы звучать следующим образом: Целью микроорганизма является создание другого микроорганизма.
В некоторых случаях биотехнологи, которые ищут пути использования микроорганизмов, вероятно, хотят, чтобы воспроизводство микроорганизмов происходило максимально часто и быстро, другими словами, они хотят иметь максимально возможное количество микроорганизмов в конце процесса. С другой стороны, когда продукт не является микроорганизмом, биотехнолог должен обрабатывать его таким образом, чтобы главная цель микроба не была реализована. Поскольку микроорганизм все же попытается преодолеть эти ограничения, налагаемые на его репродуктивный потенциал, он произведет продукт, необходимый биотехнологу. Рост микроорганизма и накопление его различных продуктов, следовательно, тесно связаны посредством их метаболизма.
При написании этой лекции я не пытался объяснить структуру основных клеток микробов: бактерий, дрожжей, грибов и микроводорослей. Эти клетки рассматриваются в большинстве учебников по биологии, к которым следует обратиться при наличии неопределенности или сомнений относительно структуры клеток. Однако учебники по биологии редко доступно и связано объясняют химические процессы, происходящие в живой клетке, т.е. ее биохимию. Поскольку биохимия клетки является ключевой для понимания, как нужно использовать данный организм, нам важно ознакомиться с основными системами, которые приспособлены микробами для размножения.
Биохимия клеток описывается как объяснение химических изменений, происходящих в клетке в процессе ее роста и размножения с получением в результате двух клеток из одной. Физиология клетки, однако, выходит за рамки ее биохимии, также как этот термин расширяет понимание движения углерода в организмах и изменения, происходящие с другими элементами, путем описания того, как все эти процессы связываются в одно целое общим процессом роста. Поэтому биохимические изменения необходимо рассматривать происходящими в трехмерном пространстве, которым является клетка, с добавлением четвертого измерения, т.е. времени. Не все реакции, которые могут происходить, действительно происходят; некоторые могут протекать в период максимально быстрого роста организма, другие могут происходить, когда скорость роста организма снижается и вступает в статический период. Таким образом, физиология представляет собой полное понимание химических изменений внутри клетки, связанных с ее развитием, ростом и жизненным циклом.
Метаболизм
Некоторые определения.
Метаболизм представляет собой матрицу двух тесно связанных, но расходящихся процессов (см. рис.1).
Процессы анаболизма связаны с построением материала клетки, не только ее основных составляющих (белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы и т.д.), но также промежуточных предшественников этих материалов - аминокислот, пурина, пиримидинов, жирных кислот, различных сахаров и фосфатов сахаров. Анаболизм касается процессов, которые являются в целом эндотермическими (требующими затрат энергии). Они также неизменно нуждаются в источнике восстановительного потенциала, который должен возникать в результате разрушения субстрата (или запаса питательных веществ).
Компенсирующая экзотермичность обеспечивается посредством различных катаболических (выделяющих энергию) процессов. Разложение углеводородов, таких как сахароза и глюкоза, с последующим образованием СО2 и воды является главным экзотермическим процессом, посредством которого осуществляется «генерирование энергии». В течение этого процесса также появляется восстановительный потенциал для последующих анаболических процессов. Эти же рассуждения, однако, применимы для всех веществ, используемых микроорганизмами: их расщепление должно не только обеспечивать поступление углерода для новых клеток, но также необходимую энергию и восстановительный потенциал для превращения метаболитов в макромолекулы клетки.
а)
б)
Рис. 1. Процессы катаболизма (деградации) и анаболизма (биосинтеза) связаны с производством энергии и восстановительного потенциала:
(а) Аэробный метаболизм,
(б) Анаэробный метаболизм.
Мы должны также отдавать себе отчет в том, что существуют организмы, которые осуществляют метаболизм аэробно, используя кислород воздуха, и организмы, способные осуществлять метаболизм анаэробно, т.е. без кислорода. Общая реакция восстановления соединений углерода с кислородом, приводящая к образованию воды и СО2, представляет собой высоко экзотермический процесс; аэробный организм, следовательно, может уравновешенно использовать относительно меньшее количество субстрата в процессе катаболизма для того, чтобы поддерживать определенный уровень анаболизма, т.е. роста (Рис.1а). Превращение субстратов у анаэробных организмов является, по существу, диспропорционированием с относительно низким выходом энергии, поэтому для поддержания определенного уровня анаболизма требуется в процессе катаболизма использовать большую долю субстратов (Рис. 1б).
Это различие может быть проиллюстрировано на примере такого микроорганизма как дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, которые являются факультативным анаэробом, т.е. они могут существовать либо аэробно, либо анаэробно. Расщепляя глюкозу с такой же скоростью как и анаэробы, аэробные дрожжи продуцируют углекислый газ, воду и относительно высокое количество новых дрожжей. Анаэробные дрожжи характеризуются меньшим выходом энергии и меньшим восстановительным потенциалом. Следовательно, для анаэробных условий характерно производство меньшего количества клеток. В отсутствии кислорода клетки также не могут окислить весь восстановительный потенциал, получаемый в процессе катаболизма. Поэтому, дополнительные углеродные соединения (для дрожжей это - пировиноградная кислота) восстанавливаются для создания системы рециркуляции восстановителей (рис. 2), и в случае дрожжей конечным продуктом является этанол.
Рис. 2. Термодинамический баланс метаболизирующих клеток.
В целом, этот процесс может быть описан простой реакцией:
Х + НАДН → ХН2 + НАД+,
где Х - метаболит, НАДH - восстановитель, а НАД+ - его окисленная форма. НАД обозначает никотинамидадениндинуклеотид, НАДН - его восстановленная форма. Существует также фосфорилированная форма НАД+ - НАД-фосфат, обозначаемый как НАДФ+. Этот фосфат может также быть восстановлен до НАДФН. Последний может функционировать как восстановитель, и чаще это происходит в анаболических реакциях клетки, тогда как НАДН (восстановленный) обычно вступает в реакции деградации. Все четыре формы НАД (НАД+, НАДФ+, НАДН и НАДФН) встречаются как в аэробных, так и в анаэробных клетках. Повторное окисление НАДН (восстановленного) с помощью кислорода может происходить в стареющих аэробных клетках, но не может происходить в анаэробных клетках. Следовательно, должен существовать альтернативный путь повторного окисления (см. раздел лекции 10 «Анаэробный метаболизм»).
Очевидно, что растущая клетка использует углерод, однако требуется много других элементов для получения конечного состава клетки. К числу этих элементов относятся: азот, кислород, который может поступать из воздуха, если организм растет аэробно (в противном случае кислород должен поступать в результате перестройки молекул, из которых организм растет, или даже из самой воды), и другие второстепенные элементы, такие как Fe2+, Zn2+, Mn2+ и т.д. Динамика этой системы показана на рис. 2.