Источники азота. Азот (наряду с углеродом, водородом и кислоро-дом) является одним из четырех основных элементов, участвующих в по-строении клетки. В расчете на сухие вещества его содержится приблизи-тельно 10 %. Природный азот бывает в окисленной, восстановленной и молекулярной формах. Подавляющее большинство прокариот усваивают азот в восстановленной форме. Это соли аммония, мочевины, органиче-ские соединения (аминокислоты или пептиды). Окисленные формы азота, главным образом нитраты, также могут потребляться многими прокарио-тами. Так как азот в конструктивном клеточном метаболизме используется
форме аммиака, нитраты перед включением в органические соединения должны быть восстановлены.
Восстановление нитратов до аммиака осуществляется посредством последовательного действия двух ферментов - нитрат- и нитритредуктазы. Нитратредуктаза катализирует НАД . Н2-зависимое восстановление нитрата
до нитрита:
NO3
+ НАД . Н2 -^NO2
+ НАД+ + Н2О,
результате которого осуществляется перенос на N0 з двух электронов. Нитритредуктаза катализирует шестиэлектронное восстановление NО-2 до
NН3:
NO2
+ 3НАД • Н2 + Н+2 -»NН3 + 3НАД+ + 2Н2О.
До момента появления NН3 никаких свободных промежуточных про-дуктов не обнаружено. Молекулы мочевины и органических соединений также должны быть подвергнуты соответствующим ферментативным воз-действиям, сопровождающимся высвобождением аммиака.
Давно была обнаружена способность отдельных представителей про-кариотного мира использовать молекулярный азот атмосферы. В послед-нее время установлено, что этим свойством обладают многие прокариоты, принадлежащие к разным группам: бактерии и археи, аэробы и анаэробы, фототрофы и хемотрофы, свободноживущие и симбиотические формы. Фиксация молекулярного азота также приводит к восстановлению его до аммиака.
66
Потребности в источниках серы и фосфора. Сера входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), витаминов и кофакторов (биотин, ли-поевая кислота, кофермент А и др.), а фосфор - необходимый компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. В природе сера нахо-дится в форме неорганических солей, главным образом сульфатов, в виде молекулярной (элементной) серы или входит в состав органических соеди-нений. Большинство прокариот для биосинтетических целей потребляют серу в форме сульфата, который при этом восстанавливается до уровня сульфида. Однако некоторые группы прокариот не способны к восстанов-лению сульфата и нуждаются в восстановленных соединениях серы. Ос-новной формой фосфора в природе являются фосфаты, которые и удовле-творяют потребности прокариот в этом элементе.
Необходимость в ионах металлов. Всем прокариотным организмам необходимы металлы, которые могут использоваться в форме катионов неорганических солей. Некоторые из них (магний, кальций, калий, железо) нужны в достаточно высоких концентрациях, потребность в других (цинк, марганец, натрий, молибден, медь, ванадий, никель, кобальт) невелика. Роль перечисленных выше металлов определяется тем, что они входят в состав основных клеточных метаболитов и, таким образом, участвуют в осуществлении жизненно важных функций организма.
Потребность в факторах роста. Некоторые прокариоты обнаружи-вают потребность в одном каком-либо органическом соединении из груп-пы витаминов, аминокислот или азотистых оснований, которое они по ка-ким-то причинам не могут синтезировать из используемого источника уг-лерода. Такие органические соединения, необходимые в очень небольших количествах, получили название факторов роста.
Факторы роста - это необходимые для микроорганизмов соединения, которые они сами синтезировать не могут, поэтому их необходимо добав-лять в питательные среды.
Организмы, которым в дополнение к основному источнику углерода необходим один или больше факторов роста, которые они не могут сами синтезировать, называют ауксотрофами (цв. вклейка, рис. IV, V, VI).
Прототрофы способны сами синтезировать необходимые для ростасоединения, например из глюкозы и солей аммония.
СИНТЕЗ ПРОКАРИОТАМИ ОСНОВНЫХ КЛЕТОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Как уже отмечалось выше, основная масса органических веществ клетки состоит из полисахаридов, липидов, белков и нуклеиновых кислот, 67
являющихся (за исключением липидов) полимерами. Образованию поли-меров предшествует синтез составляющих их мономеров. В случае поли-сахаридов - это различные моносахара, нуклеиновых кислот - рибо- и де-зоксирибонуклеотиды, белков - аминокислоты.
Биосинтез углеводов. Если прокариоты выращивать на средах, где источник углерода - одно-, двух- или трехуглеродные соединения, то не-обходимые сахара (в первую очередь С6) они должны синтезировать из имеющихся в среде источников углерода. У подавляющего большинства автотрофов на среде с СО2 в качестве единственного источника углерода сахара синтезируются в реакциях восстановительного пентозофосфатного цикла. У гетеротрофов на среде с С2- и С3-соединениями для синтеза необ-ходимых сахаров используются в значительной степени реакции, функ-ционирующие в катаболическом потоке, например в гликолитическом пу-ти. Однако поскольку некоторые ферментативные реакции этого пути не-обратимы, в клетках гетеротрофных прокариот, способных использовать двух- и трехуглеродные соединения, сформировались специальные фер-ментативные реакции, позволяющие обходить необратимые реакции ката-болического пути.
Процесс, обеспечивающий синтез С6-углеводов из неуглеводных предшественников, например аминокислот, глицерина, молочной кислоты, получил название глюконеогенеза. Таким путем, сочетающим использова-ние имеющегося в клетке катаболического аппарата и специальных реак-ций, служащих только для биосинтетических целей, решается прокариота-ми проблема биосинтеза необходимых моносахаров.
Биосинтез липидов. У прокариот липиды входят в состав клеточных мембран и клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами пигментных систем и цепей электронного транспорта. Ниже мы рассмотрим синтез жирных кислот и фосфолипидов, являющихся у большинства прокариот, относящихся к эубактериям, универсальным ком-понентом клеточных мембран.
С14 - С18-жирные кислоты синтезируются путем последовательного присоединения двухуглеродных фрагментов к активированной С2-группе, выполняющей функцию затравки, и последующего восстановления окис-ленных углеродных атомов.
клетках бактерий компонентами липидов являются в основном на-сыщенные жирные кислоты или содержащие одну двойную связь (моно-
68
ненасыщенные). Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие две и более двойные связи, найдены до сих пор только у цианобактерий. Обра-зование двойных связей в молекуле кислоты может происходить двумя пу-тями. Один из них, обнаруженный у аэробных бактерий, требует участия молекулярного кислорода. У облигатно анаэробных и некоторых аэробных бактерий двойные связи вводятся в молекулу кислоты на ранней стадии ее синтеза в результате реакции дегидратации.
Пути, ведущие к синтезу фосфолипидов, состоят из нескольких эта-пов. Исходным субстратом служит фосфодиоксиацетон (промежуточное соединение гликолитического пути), восстановление которого приводит к образованию 3-фосфоглицерина. К последнему затем присоединяются два остатка жирных кислот. Продуктом реакции является фосфатидная кисло-та. Активирование ее с помощью ЦТФ и последующее присоединение к фосфатной группе серина, инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу фосфатидилсерина, фосфатидилинозита и фосфати-дилглицерина соответственно.
Биосинтез аминокислот. Большинство прокариот способны синте-зировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. В каче-стве исходных углеводородов для биосинтеза аминокислот служит не-большое число промежуточных соединений различных метаболических путей (табл. 7). Введение в молекулу некоторых из них (щавелевоуксус-ной, а-кетоглутаровой, пировиноградной кислот) аминного азота приводит
образованию аспарагиновой, глутаминовой кислот и аланина. Однако в большинстве случаев исходные соединения должны подвергнуться значи-тельным перестройкам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.
Особенностью биосинтеза аминокислот является использование об-щих биосинтетических путей. Так, 19 из 20 аминокислот, входящих в со-став белков, можно по способу их происхождения разделить на 5 групп. Только одна аминокислота (гистидин) образуется по отдельному биосин-тетическому пути. Азот вводится в молекулу аминокислоты посредством реакций аминирования, амидирования и переаминирования. Реакции ами-нирования приводят к образованию из пировиноградной кислоты аланина, а из а-кетоглутаровой - глутаминовой кислоты, например:
Глутаматдегидрогеназа
НООС - (СН2)2 - СО - СООН + NН3 + НАДФ . Н2
---------------------------------------------------------------------------------------
►
НООС - (СН2)2 - СНNН2 - СООН + НАДФ+ + Н2О.
Глутаминовая кислота
69
Две реакции амидирования ведут к образованию глутамина и аспара-гина из глутаминовой и аспарагиновой кислот в реакциях типа:
Глутаминсинтетаза
НООС - (СН2)2 - СНNН2 - СООН + АТФ +NH3 -------------------------------------- ►
Глутаминовая кислота
NH2CО - (СН2)2 - СНNН2 - СООН + АДФ + ФH + Н2О,
Глутамин
где ФH - неорганический фосфат. Глутаминовая кислота и глутамин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практиче-ски всех аминокислот и других азотсодержащих органических соединений.
|
|
|
Таблица 7
|
Некоторые особенности биосинтеза аминокислот [8]
|
|
|
|
|
|
|
|
Метаболический путь,
|
Аминокислоты с общи-
|
|
Предшественник
|
|
приводящий к образованию
|
ми биосинтетическими
|
|
|
|
предшественника
|
путями
|
|
|
|
|
|
|
Щавелевоуксусная
|
|
Цикл трикарбоновых
|
Аспарагиновая кислота
|
|
кислота
|
|
кислот
|
Аспарагин
|
|
|
|
Реакции карбоксилирования
|
Лизин
|
|
|
|
|
Метионин
|
|
|
|
|
Треонин
|
|
|
|
|
Изолейцин
|
|
|
|
|
|
|
а-Кетоглутаровая
|
|
Цикл трикарбоновых
|
Глутаминовая кислота
|
|
кислота
|
|
кислот
|
Глутамин
|
|
|
|
|
Аргинин
|
|
|
|
|
Пролин
|
|
|
|
|
|
|
3-Фосфоглицери-
|
|
Гликолиз
|
Серин
|
|
новая кислота
|
|
Цикл Кальвина
|
Глицин
|
|
|
|
|
Цистеин
|
|
|
|
|
|
|
Пировиноградная
|
|
Гликолиз
|
Аланин
|
|
кислота
|
|
Путь Энтнера - Дудорова
|
В алин
|
|
|
|
|
Лейцин
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гликолиз
|
Триптофан
|
|
Фосфоенолпиро-
|
|
Окислительный
|
Тирозин
|
|
виноградная кислота
|
+
|
пентозофосфатный путь
|
Фенилаланин
|
|
Эритрозо-4-фосфат
|
|
|
|
|
5-Фосфорибозил-1 -
|
|
Окислительный
|
Гистидин
|
|
пирофосфат + АТФ
|
|
пентозофосфатный путь
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скачать 4.07 Mb.