Способы получения энергии бактериями (дыхание, брожение). Методы культивирования анаэробов
Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ-универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление — присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется анаэробным — нитратным, сульфатным, фумаратным).
Анаэробиоз (от греч. аег — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.
Источник
Катаболизм (энергетический обмен) анаэробных организмов брожение
КАТАБОЛИЗМ (ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН)
АНАЭРОБНЫХ ОРГАНИЗМОВ. БРОЖЕНИЕ.
Анаэробные организмы обитают в бескислородной среде. Для получения энергии они расщепляют органические вещества без участия кислорода. Анаэробами являются: кишечные паразиты (плоские, круглые черви и некоторые простейшие), из грибов — только дрожжи и многие бактерии. Рассмотрим катаболизм анаэробов на примере бактерий.
1 этап энергетического обмена анаэробов является подготовительным: сложные органические вещества расщепляются до более простых органических веществ. Для этого бактерии выделяют в окружающую среду ферменты и этот этап происходит за пределами бактериальной клетки. На I этапе АТФ не образуется.
Например, целлюлозолитические бактерии на 1 этапе расщепляют целлюлозу до глюкозы. Целлюлозолитические бактерии особенно в больших количествах живут в пищеварительном тракте травоядных животных и только благодаря их деятельности происходит переваривание целлюлозы. Протеолитические бактерии поселяются на мышечных тканях животных Под действием их ферментов белки мышц расщепляются на аминокислоты и мышцы животных «расплавляются».
Если же бактерии живут в среде, богатой расщепленными органическими веществами, то у них отсутствует I этап катаболизма, например, у молочно-кислых бактерий, обитающих в молоке.
2 этап энергетического обмена анаэробов является основным и происходит в виде брожения. Брожение — анаэробный ферментативный процесс расщепления органических веществ, в результате которого образуется энергия. Бактерии могут использовать для брожения любые органические вещества, но чаще всего используют глюкозу.
Сначала происходит анаэробный гликолиз – бескислородное расщепление 1 молекулы глюкозы на 2 молекул ПВК. Этот процесс всегда сопровождается выделением энергии, которая используется на образование макроэргических связей АТФ. При расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.
Дальнейшее расщепление ПВК у разных бактерий протекает по-разному.
1. При молочно-кислом брожении бактерии расщепляют ПВК на молочную кислоту Этот тип брожения используется при производстве молочно-кислых продуктов,квашении капусты, силосовании кормов.
2. При спиртовом брожении бактерии расщепляют ПВК на этиловый спирт (используется в пивоварении и виноделии).
3. При маслянокислом брожении бактерии из ПВК образуют масляную кислоту. Этот процесс широко распространен в природных условиях: на дне болот, в илах.
4. При уксуснокислом брожении образуется уксусная кислота.
На этом расщепление органических веществ у бактерий заканчивается, хотя получившиеся вещества еще богаты энергией. И при их дальнейшем расщеплении могли бы образовываться дополнительные молекулы АТФ. Но бактерии на это не способны, т.к. это очень древние организмы и их метаболизм очень примитивен.
Брожение — наиболее древний способ получения энергии, возник в бескислородных условиях на древней Земле. Энергетически невыгоден, так как из 1 молекулы глюкозы образуется только 2 молекулы АТФ.
Аэробами являются: большинство животных, растений, грибов, некоторые бактерии. Все эти организмы могут жить только при наличии кислорода, который им необходим для окисления органических веществ и получения энергии.
На I этапе катаболизма (подготовительном) у аэробов сложные органические вещества (полимеры) расщепляются до более простых органических веществ (мономеров). Образуется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла. АТФ не образуется. У многоклеточных животных этот этап происходит в желудочно-кишечном тракте. У одноклеточных животных — в лизосоме. У грибов — во внешней среде ( с участием выделяемых грибной клеткой ферментов).
2 этап катаболизма ( бескислородный этап, анаэробный гликолиз) происходит в гиалоплазме клетки в бескислородных условиях. Аэробы для этого процесса в основном используют глюкозу, которая расщепляется до 2 молекул ПВК (пировиноградная кислота, пируват). Одновременно образуется 2 молекулы АТФ Процесс образования АТФ без участия мембран называется немембранным фосфорилированием. Дальнейшего расщепления ПВК в гиалоплазме не происходит.
3 этап (кислородный) происходит в митохондриях с участием кислорода, это процесс кислородного расщепления или тканевое (клеточное) дыхание (биологическое окисление). В тканевом дыхании можно выделить 3 стадии:
1. ПВК в матриксе митохондрии преобразуется в очень активное вещество — ацетил-коэнзим А.
2. Ацетил-коэнзим А вступает в длинную цепь биохимических реакций (цикл трикарбоновых кислот или ЦТК) и постепенно расщепляется до углекислого газа и воды, при этом образуется множество промежуточных веществ, которые могут использоваться в процессах анаболизма. Главный результат: ферменты отщепляют от ацетил-коэнзима А атомы водорода, а вещества — переносчики переносят их к внутренней мембране митохондрии (мембрана крист).
3. Окислительное фосфорилирование — образование АТФ с участием кислорода. В мембране митохондрий встроено огромное количество ферментных комплексов, которые осуществляют синтез АТФ (мембранное фосфорилирование) Ферментный комплекс, осуществляющий синтез АТФ называется дыхательной цепью (электронотранспортной цепью) Главная часть дыхательной цепи — АТФ-синтетаза (фермент грибовидной формы).
Внутри АТФ-синтетазы имеется канал. Ферменты дыхательной цепи расщепляют водород на протон и электрон. Протоны перемещаются в межмембранное пространство, а электроны передаются от фермента к ферменту и в конце концов попадают на атом кислорода, в результате образуется анион кислорода. Постепенно наружная сторона мембраны заряжается «+» (из-за накопления Н+), а внутренняя сторона — «-» (из-за накопления О-). Между сторонами мембраны возникает разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны устремляются внутрь митохондрии через канал АТФ-синтетазного комплекса. В это время электрическая энергия преобразуется в энергию химических связей АТФ. Протоны соединяются с анионами кислорода — образуются молекулы воды.
Энергетическая ценность тканевого дыхания, происходящего в митохондрии : 36 АТФ.
Общий итог катаболизма аэробов.
При расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: 2 молекулы АТФ в процессе гликолиза (немембранное фосфорилирование) и 36 молекул АТФ в процессе тканевого дыхания (мембранное фосфорилирование).
в условиях ограниченного доступа кислорода.
Энергетическая ценность тканевого дыхания намного выше, чем у гликолиза. Но тем не менее, гликолиз имеет для клеток аэробов большое значение при кратковременном недостатке кислорода. Недостаток кислорода может возникнуть при резком усилении физической нагрузки в скелетных и сердечной мышцах. В этом случае образование АТФ в митохондриях становится невозможным (из-за недостатка кислорода) и АТФ образуется только в процессе гликолиза. ПВК не проникает в митохондрию, а продолжает расщепляться дальше в гиалоплазме до молочной кислоты. Т.е. начинается молочно-кислое брожение. Избыток молочной кислоты поступает в кровь, действует на нервные окончания в стенках сосудов и в дыхательный центр поступает сигнал о недостатке кислорода. Дыхание учащается. Количество кислорода в крови и клетках возрастает, начинается тканевое дыхание в митохондриях. Клетка получает дополнительное количество АТФ. Благодаря образованию АТФ в процессе гликолиза клетки аэробов могут короткое время обходиться без кислорода.
Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ за счёт энергии света. Фотосинтез осуществляется в хлоропластах, состоит из 2 фаз: световой и темновой. Световая фаза происходит только на свету. Темновая фаза — и на свету и в темноте. Место осуществления: световая — в мембранвх тилакоидов, темновая — в матриксе хлоропласта.
1. Строение мембран хлоропласта.
В мембранах тилакоидов встроены:
ферменты, транспортирующие электроны хлорофилла (поэтому их называют электронно-транспортной цепью)
Фотосинтетические пигменты поглощают определённую часть лучей солнечного спектра, а другую часть отражают. Пигменты всегда имеют цвет отражаемых лучей. Например, хлорофилл поглощает синие, красные, фиолетовые лучи, а отражает зеленые лучи и поэтому он зеленого цвета. В мембранах хлоропластов содержится несколько видов пигментов (разнообразие пигментов см. уч. Лемезы, стр. 66). Основной пигмент — хлорофилл А.
2. Световая фаза фотосинтеза.
Когда молекулы хлорофилла А поглощают солнечную энергию, они переходят в высокоэнергетическое состояние и теряет 2 электрона, которые перемещаются с помощью ферментов ЭТЦ на наружнюю сторону мембраны тилакоида. Недостаток электронов хлорофилл восполняет за счет молекул воды.
Одновременно под действием солнечного света внутри тилакоида происходит расщепление воды или фотолиз. В результате фотолиза образуются:
электроны (перемещаются в молекулу хлорофилла)
протоны (ионы водорода), которые накапливаются у внутренней стороны мембраны
кислород ( выделяется из растительных клеток в окружающую среду)
В результате всех перечисленных процессов между наружней и внутренней сторонами мембраны тилакоида возникает разность потециалов. Когда разность потенциалов достигнет определенного значения, протоны через канал АТФ-синтетазы устремляются в матрикс хлоропласта. При этом электрическая энергия преобразуется в энергию химических связей АТФ . Протоны соединяются с электронами и с веществом-переносчиком. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается.
1. Световая фаза возможна только при освещении, иначе будет не возможно образование свободных электронов и фотолиз воды.
2. В световой фазе с участием света осуществляются фотофизические, фотохимические и ферментативные реакции.
Фотофизические реакции — поглощение хлорофиллом или другими пигментами солнечной энергии.
Фотохимические реакции — передача электронов по ЭТЦ и фотолиз воды.
Ферментативные реакции — синтез АТФ и комплекса водород+вещество-переносчик.
3.Результаты световой фазы: АТФ, комплекс водород+вещество-переносчик, кислород (побочный продукт).
3. Темновая фаза фотосинтеза.
Темновая фаза фотосинтеза может происходить как при освещении, так и без него. Осуществляется в матриксе хлоропласта.
В темновой фазе используются:
углекислый газ (поглощается растением из окружающей среды)
водород в комплексе с веществом-переносчиком (образуется в результате световой фазы)
АТФ (образуется в результате световой фазы).
В результате циклической цепи биохимических реакций (цикл Кальвина) из исходных веществ образуется глюкоза, а затем из глюкозы — крахмал. Крахмал в виде крахмальных зерен накапливается в матриксе хлоропласта. На этом темновая фаза фотосинтеза заканчивается. Впоследствии растительная клетка полученный крахмал использует как источник глюкозы. Глюкоза используется для энергетического обмена.
Репликация (редупликация) — это удвоение ДНК.
Краткая характеристика репликации .
Время: S-период интерфазы
исходные вещества — нуклеотиды (А,Т,Г,Ц),
ферментный комплекс, главный фермент — ДНК-полимераза
АТФ (источник энергии для образования ковалентных связей между нуклеотидами)
Репликация начинается сразу в нескольких точках ДНК, в результате повышается её общая скорость.
Репликация осуществляется на основе принципа комплементарности
Способ репликации – полуконсервативный, т.е. в дочерних молекулах одна цепь-материнская, а другая достраивается заново.
Скорость репликации — около 100 нуклеотидов в секунду.
Репликация производится почти с абсолютной точностью. Ошибка возникает примерно 1 раз на миллиард нуклеотидов, ошибки устраняются с помощью системы репарации (совокупность ферментов, которые находят «дефектный» участок.ДНК, «вырезают» его, уничтожают и достраивают новый, «правильный» участок цепи ДНК)
Антипараллельность: ферменты, синтезирующие новые цепи ДНК, двигаются на разных цепях в разных направлениях.
Специальные ферменты разрывают водородные связи между цепями ДНК и участок ДНК раскручивается. Образуются репликативные вилки. Репликативные вилки — это участки ДНК, которые уже раскручены и на них происходит синтез новых цепей ДНК.
К разъединенным цепям ДНК присоединяются специальные белки, которые мешают образованию новых водородных связей между расплетенными цепями ДНК.
К свободным цепям ДНК присоединяются молекулы фермента ДНК-полимеразы, которые подбирают необходимые нуклеотиды в соответствии с принципом комплементарности.
На одной цепи ДНК синтез дочерней цепи идёт непрерывно, а на другой – фрагментами, которые затем соединяются cпециальными ферментами. Оба процесса идут в разных направлениях..
В результате репликации из одной материнской молекулы ДНК образуется 2 совершенно идентичные дочерние молекулы ДНК, которые остаются соединёнными. Они содержат абсолютно одинаковую генетическую информацию. Перед делением клетки ДНК спирализуется. Из каждой дочерней ДНК после спирализации образуются хроматиды Х-образной хромосомы . Во время деления Х-образная хромосома делится на 2 «половинки»-палочковидные хромосомы. И так как они состоят из идентичных молекул ДНК, то дочерние клетки получают одинаковую генетическую информацию. Другими словами, репликация ДНК обеспечивает передачу одинаковой генетической информации дочерним клеткам . Репликация обеспечивает постоянство числа хромосом в клетках.
Транскрипция — биосинтез молекул и-РНК на основе генов ДНК .
Время: G1 — и G2- периоды интерфазы
Место: ядро, митохондрии, хлоропласты у эукариот, у прокариот – гиалоплазма.
Исходные вещества – нуклеотиды (А,У,Г,Ц)
Транскрипция осуществляется на основе принципа комплементарности.
Транскрипция осуществляется не на всей молекуле ДНК, а лишь на определенном ее участке, который называется транскриптоном. Транскриптон располагается только на одной из нитей ДНК. Вторая, комплементарная, нить участие в транскрипции данного гена не принимает. Но в то же время соседний ген может транскрибироваться с другой нити ДНК.
Транскриптон состоит из информативной и неинформативной зон.
Информативная зона транскриптона образована структурными генами, которые несут информацию о строении полипептида (первичная структура белка). Структурные гены разделены короткими неинформативными участками.
Неинформативная зона представлена — генами-регуляторами:
Ген-промотор – начало транскриптона, место присоединения РНК-полимеразы.
Ген-оператор — участок ДНК, к которому могут присоединиться спец.белки, препятствующие началу транскрипции.
Ген-терминатор — располагается в конце транскриптона и определяет окончание транскрипции.
РНК-полимераза прикрепляется к транскриптону (в области промотора)
РНК-полимераза подбирает нуклеотиды в соответствии с принципом комплементарности и образует между ними ковалентные фосфодиэфирные связи. Вместо тимидилового нуклеотида в молекулу и-РНК встраивается уридиловый нуклеотид.
Растущая молекула и-РНК сначала связана с молекулой ДНК водородными связями, которые впоследствии разрушаются. После этого молекула и-РНК отделяется от ДНК и «свисает» с ДНК до конца транскрипции.
Терминация транскрипции происходит, когда РНК-полимераза достигает гена-терминатора. РНК-полимераза отделяется от транскриптона и транскрипция заканчивается.
СОЗРЕВАНИЕ И-РНК ( СПЛАЙСИНГ ).
В результате транскрипции образуется незрелая и-РНК, которая заключает в себе как информативные, так и неинформативные участки. Из такой РНК специальные ферменты вырезают неинформативные участки, а оставшиеся информативные участки «сшиваются».
В процессе созревания незрелая и-РНК разделяется на несколько молекул в соответствии с числом структурных генов транскриптона. Зрелая и-РНК через ядерные поры перемещается в гиалоплазму.
В процессе транскрипции генетическая информация ДНК копируется («переписывается») на молекулу и-РНК. И-РНК — небольшая по размерам молекула, поэтому она может перемещаться в цитоплазму к месту синтеза белка (к рибосомам). И-РНК — это молекулы-переносчики генетической информации.
РИБОСОМЫ считывают генетическую информацию с и-РНК в соответствии с генетическим кодом.
Генетический код — это система записи генетической информации с помощью определенной последовательности нуклеотидов и-РНК.
Свойства генетического кода.
Генетический код универсален, т.е. одинаков для всех живых организмов
Триплетность. Триплет (кодон) — это последовательность 3 нуклеотидов и-РНК. Каждый триплет кодирует определенную аминокислоту.
Специфичность. Каждый триплет может кодировать только одну аминокислоту.
Вырожденность (множественность). Большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами.
Генетический код не перекрывается. Это значит, что конец одного триплета не может служить началом следующего.
.В генетическом коде есть специальные триплеты, не кодирующие никаких аминокислот – «знаки препинания». Они находятся в конце и-РНК и определяют окончание трансляции.
Трансляция — это синтез белка (полипептидов) на основе и-РНК согласно генетическому коду.
Время :G1 и G2- периоды интерфазы
Место : гиалоплазма клетки, в митохондриях и хлоропластах.
и-РНК (содержит генетическую информацию)
рибосомы (декодируют, считывают генетическую информацию, синтезируют полипептид)
т-РНК (поставляет аминокислоты, необходимые для синтеза белка)
аминокислоты (необходимы для синтеза полипептида)
ферменты — пептидазы (катализируют образование пептидных связей)
АТФ (источник энергии для образования ковалентных пептидных связей)
Трансляция осуществляется только с участием рибосом. На одной молекуле и-РНК могут одновременно могут размещаться до 100 рибосом. Рибосома занимает на и-РНК участок шириной в 2 триплета (триплет – это 3 нуклеотида). В рибосоме существует активный центр, в который поступают т-РНК. В активном центре существует 2 участка — донорный и акцепторный.
Обязательные участники трансляции — молекулы т-РНК, к которым прикреплены аминокислоты. Виды т-РНК отличаются друг от друга последовательностью нуклеотидов в молекуле, но самое большое значение имеют три нуклеотида, которые находятся на вершине т-РНК. Их называют антикодоном . Кодоны и-РНК и антикодоны т-РНК, поступающих в активный центр рибосомы , должны быть комплементарными. Например, кодону АТГ на и-РНК комплементарен антикодон УАЦ на т-РНК
К и-РНК присоединяется малая субъединица рибосомы.
В донорный участок активного центра поступает первая т-РНК с аминокислотой. Между кодоном и-РНК и антикодоном т-РНК образуются водородные связи.
К образовавшемуся комплексу в присутствии ионов магния присоединяется большая субъединица рибосомы.
В акцепторный участок активного центра рибосомы поступает следующая т-РНК с аминокислотой, между кодоном и антикодоном образуются водородные связи.
В результате такого размещения т-РНК рядом оказываются аминокислоты, между которыми фермент (пептидаза) образует пептидную связь. Из двух аминокислот образуется дипептид.
т-РНК донорного участка отсоединяется от своей аминокислоты и образовавшийся дипептид остается на т-РНК акцепторного участка.
Рибосома перемещается на один триплет вправо. Т-РНК, находившаяся в донорном участке, оказывается за его пределами и отсоединяется от и-РНК. Т-РНК акцепторного участка с дипептидом находится теперь в донорном участке.
Далее все повторяется с п. 4.
Синтез полипептида идет до тех пор, пока рибосома не достигнет «знака препинания» — кодона, который не кодирует аминокислоты. В этот момент полипептид отделяется, а рибосома диссоциирует на субъединицы.
Трансляция — завершающий этап реализации генетической информации. В процессе трансляции генетическая информация, записанная в виде определённой последовательности нуклеотидов и-РНК, преобразуется в последовательность аминокислот. В результате трансляции образуются белки, которые определяют свойства и признаки организма.
Источник
