Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 1
Аеробне дихання
На відміну від анаеробних процесів, в аеробних реакціях катаболізму піруват окиснюється до кінцевих продуктів – СО2 і Н2О, що супроводжується вивільненням значно більшої енергії.
У аеробів піруват перетворюється в двовуглецеву сполуку – ацетил-КоА під дією піруватдегідрогеназного комплексу:
Кофермент А відноситься до групи мононуклеотидів, його будова:
Піруватдегідрогеназний комплекс локалізований в мітохондріях еукаріот або в цитоплазмі прокаріот. Він досить складний, складається з 3-х різних ферментів.
На наступній стадії клітинного дихання ацильні групи включаються в ЦТК (цикл три карбонових кислот, цикл лимонної кислоти, цикл Кребса), в результаті якого утворюється СО2 і атоми водню.
ЦТК в клітині має 2 функції:
Енергетичним «паливом» для ЦТК служать не тільки вуглеводи, а й жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетил-КоА), амінокислоти (після видалення аміногрупи).
В результаті утворюється 2 молекули СО2
3 молекули НАДН2
1 молекула ФАДН2
Весь водень знаходиться на певних переносниках, тепер потрібно його передати через інші переносники на молекулярний кисень. 4 пари електронів від цих водневих атомів поступають в дихальний ланцюг і забезпечують синтез АТФ у реакціях окисного фосфорилювання.
Рис.1 Цикл три карбонових кислот
Аконітаза перетворює лимонну кислоту в ізолимонну, яка не відокремлюється від активного центра ферменту, α-кетоглутаратдегідрогеназа каталізує реакції, аналогічні піруватдегідрогеназі, містить 3 ферменти та пов’язані з ними кофактори: ТПФ, КоА, НАД, ФАД. Деякі інтермедіати ЦТК (α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат) можуть бути використані як попередники амінокислот, що порушило би циклічність. Існують спеціальні анаплеротичні реакції, які забезпечують поповнення пулу попередників ЦТК (гліоксилатний шунт).
Дихальний ланцюг
В той час як більшість анаеробних організмів здатні синтезувати АТФ тільки шляхом субстратного фосфорилювання, аероби здійснюють більш ефективну регенерацію АТФ. Вони мають спеціальний апарат – дихальний ланцюг і фермент АТФ-синтетазу.
Ці системи у прокаріот знаходяться в плазматичній мембрані, а у еукаріот- на внутрішній мембрані мітохондрій. Електрони з відновлених переносників (НАДН2, НАДФН2, ФАДН2) поступають в дихальний ланцюг, де проходять через ряд етапів, опускаються поступово на більш низькі енергетичні рівні і акцептуються сполуками – кінцевими акцепторами електронів (О2 та інші). Перенос електронів призводить до суттєвої зміни вільної енергії в системі. Ця вільна енергія переводиться у біологічну форму, тобто АТФ.
Компонентами дихального ланцюга є переносники білкової або небілкової (хінони) природи з різноманітними простетичними групами, здатними приєднувати і віддавати електрони або протони. Вони занурені у подвійний ліпідний шар.
До найважливіших належать:
- неорганічна кислотолабільна сірка
Fe2+ Fe3+ + e‾
В мітохондріях еукаріот виявлено 5 цитохромів: b, c, c1, a, a3. Цитохроми забарвлені і відрізняються спектрами поглинання і окисно-відновними потенціалами.
Найбільш поширеним та еволюційно найдавнішим цитохромом, знайденим у всіх організмах з дихальним ланцюгом є цитохром с. Кінцеві цитохроми (а+а3) передають електрони на молекулярний кисень, являють собою власне цитохромоксидазу, в реакційному центрі якої, крім двох гемів, містяться 2 атоми міді. Цитохромоксидаза переносить на О2 4 електрона.
О2 + 4Fe2+ → 2O2 – + 4Fe3+
Якщо переноситься тільки 2 електрона, то утворюється перекис водню, який потім руйнується каталазою або пероксидазою.
Дихальний ланцюг включає не менше 15 різноманітних переносників, розташованих у певній послідовності.
Компоненти дихального ланцюга мають свої значення окисно-відновних потенціалів.
Виявлені інгібітори, які специфічно діють на певні ділянки дихального ланцюга (червоним на малюнку).
Топографія компонентів дихального ланцюга:
Основне призначення ЛПЕ – запасання енергії, яка звільнюється в процесі електронного переносу шляхом трансформування її в хімічну енергію фосфатних зв’язків.
Протони при електронному транспорті переносяться через мембрану в одному напрямі, і утворюють градієнт концентрації Н+ по обидві сторони мембрани. Перенос протонів та електронів забезпечується розташуванням переносників, а також тим фактом, що мембрана для протонів непроникна.
В мітохондріях на 3-х ділянках окиснювального ланцюга відбувається виділення протонів у зовнішнє середовище (про це свідчить підкислення середовища у дослідах на ізольованих мітохондріях). Відповідно 3 реакції ведуть до утворення ∆µН+. Перша локалізована на початку дихального ланцюга і пов’язана з функціонуванням НАД(Ф)·Н2-дегідрогенази. Другий генератор ∆µН+ визначається здатністю убіхінона переносити водень. Останній локалізований в кінці дихального ланцюга і пов’язаний з активністю цитохромоксидази.
Виведені назовні протони повертаються в середину бактеріальної клітини (або в мітохондріальний матрикс еукаріот) за градієнтом концентрації через спеціальні канали-пори в молекулі АТФ-синтетази, а вільна енергія, що при цьому виділяється, використовується для синтезу АТФ.
Транспортування кожної пари електронів по ЛПЕ від НАДН2 до О2 супроводжується синтезом 3-х молекул АТФ у трьох точках спряження окиснення і фосфорилювання. Всього ж при повному окисненні глюкози, враховуючи енергетичний вихід гліколізу, окисненні пірувату та ЦТК утворюється 38 молекул АТФ.
Більшість аеробних організмів окиснює органічні речовини в процесі дихання до СО2 і Н2О. Оскільки в молекулі СО2 досягається найвищий ступінь окиснення вуглецю, то в такому випадку говорять про повне окиснення. При неповному окисненні в якості продуктів обміну виділяються частково окиснені органічні сполуки.
Кінцевими продуктами «неповних окиснень» можуть бути кислоти: оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна та ряд інших сполук. Оскільки ці продукти подібні до продуктів, що утворюються в результаті бродіння, то неповні окиснення називають іноді «окисним бродінням» або «аеробною ферментацією». Слова «бродіння» і «ферментація» в даному випадку відображають швидше технологічний аспект.
Оцет отримують із вина або водно-спиртової суміші. Основна проблема – аерація. Розрізняють 3 основних способи вирощування оцтовокислих бактерій:
Оцтовокислі бактерії – це грамнегативні рухомі палички, облігатні аероби, належать до родів Acetobacter, Gluconobacter: A. aceti, A. xylinum, G.oxydans, G. melanogenum. Вони здатні окиснювати етанол, гліцерол, глюкозу у відповідні кислоти (оцтову, гліцеринову, глюконову). Вторинні спирти окиснюються ними до кетонів, наприклад, сорбіт (сорбітол) до сорбози.
Таке окиснення є одним з етапів на шляху отримання аскорбінової кислоти з глюкози. D-сорбітол можна отримати шляхом електролітичного відновлення D-глюкози.
Інші органічні кислоти (глюконова, фумарова, лимонна, щавлева) можна синтезувати із проміжних продуктів ЦТК грибами родів Mucor, Aspergillus, Rhizopus, а також дріжджами роду Candida.
Добре вивчений і налагоджений промисловий випуск лимонної кислоти культурою гриба Aspergillus niger (lim Fe ↑вихід).
Щавлева кислота утворюється в результаті гідролізу щавлевооцтової кислоти під дією оксалоацетатгідролази:
Її утворенню сприяє лужний рН середовища.
Глюконова кислота є продуктом ферментативного окиснення глюкози грибною глюкозооксидазою. Глюконолактон, який при цьому утворюється, за допомогою глюконолактонази (або не ферментативним шляхом) перетворюється в глюконову кислоту.
Відновлена глюкооксидаза переносить водень на кисень повітря з утворенням перекису водню, який під дією каталази може розщеплюватись на воду і кисень.
Попередником ітаконової кислоти є цис-аконітова кислота. Під час декарбоксилювання подвійний зв’язок переміщується з положення 2,3 у положення 3,4:
Серед великої різноманітності мікроорганізмів, які отримують енергію в процесі аеробного дихання, особливу фізіологічну групу складають метилотрофи, здатні окиснювати одновуглецеві субстрати (метан, метанол, форміат, метиламіни). Вони не здатні використовувати вуглеводи з довгим ланцюгом.
До метилотрофних мікроорганізмів належать:
еубактерії (Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus)
фотосинтезуючі бактерії
Прокаріотичні метилотрофи поділяють на 2 фізіологічні групи:
Реакції засвоєння метану протікають через такі послідовні стадії:
На першому етапі відбувається окиснення метану СН4 до метилового спирту СН3ОН ферментом метанмонооксидазою, причому цей процес пов’язаний з використанням лише одного атома кисню, тоді як другий відновлюється до води.
Метанол СН3ОН до формальдегіду НСОН бактерії окиснюють за допомогою метанолдегідрогенази. Електрони від цього окиснення направляються в ЛПЕ для синтезу АТФ.
Синтез клітинних сполук (асиміляція) здійснюється із формальдегіду – високо реакційної та токсичної сполуки. Саме тому ферменти його утворення та асиміляції локалізовані поза цитоплазмою. Бактеріальна метанолдегідрогеназа прикріплена ззовні до периплазматичної мембрани. У дріжджів ферменти катаболізму метанолу локалізовані у спеціальних органелах- пероксисомах.
Метилотрофні бактерії реалізують 3 циклічні шляхи асиміляції одновуглецевих субстратів: сериновий, рибулозомонофосфатний та рибулозодифосфатний:
Серед бактерій поширене явище світіння – біолюмінесценція. Світіння є окиснювальним процесом, який зумовлюється ферментом люциферазою. Більшість люмінесцентних бактерій належить до родів Vibrio, Photobacterium, Alteromonas, Beneckia. Вони переважно є галофільними грамнегативними факультативними анаеробами. За типом живлення – хемоорганогетеротрофи. Бувають різної форми – коки, палички, прямі і зігнуті. Більшу частину бактерій виділено з морської води. Вони також зустрічаються у тілі і м’язах дрібних ракоподібних планктонних організмів. У деяких риб є спеціальні органи для фотобактерій-симбіонтів.
Світіння відбувається лише у присутності кисню, пов’язане з окисними реакціями, які супроводжуються не синтезом АТФ, а виділенням (емісією) синьо-зеленого світла (470-500 нм).
Бактеріальна люцифераза складається з двох різних субодиниць – α і β, α-субодиниця виконує каталітичну функцію, β-субодиниця – регуляторну.
Джерелом енергії для світіння є реакція перетворення альдегіду з довгим вуглецевим ланцюгом до відповідної жирної кислоти за участю відновленого флавінмононуклеотиду.
(ФМН) • Н2 + О2 + R – COH → ФМН + Н2O + R – COOH + hυ
Для багатьох прокаріотів кінцевим акцептором електронів при анаеробному диханні є нітрати. Ці бактерії називаються денітрифікуючими, а нітратне дихання – дисиміляційною нітратредукцією або денітрифікацією.
Денітрифікуючі бактерії – хемоорганогетеротрофи. В анаеробних умовах вони здійснюють окиснення органічних субстратів звичайним каталітичним шляхом (гліколіз, ЦТК – в аеробів, бродіння – в анаеробів), при цьому Н+ та електрони поступають на дихальний ланцюг.
Як кінцевий акцептор водню ці бактерії використовують нітрати, які відновлюються через нітрити до молекулярного азоту:
NO3- → NO2- → N2 (або N2O)
Нітратредуктаза А нітритредуктаза
Процес нітратного дихання каталізують 2 мембранзв’язні ферменти – нітратредуктаза А і нітритредуктаза. Обидва індукуються лише в анаеробних умовах (для більшості денітрифікаторів потрібна наявність NO3- в середовищі, для деяких не потрібна). Серед денітрифікуючих бактерій є такі, що використовують як кінцевий акцептор водню не лише нітрати, але й нітрити та закис азоту.
До денітрифікаторів відносять:
Pseudomonas aeruginosa
P. fluorescens
Paracoccus denitrificans
Bacillus licheniformis
Thiobacillus denitrificans
Розвиток денітрифікуючих бактерій у ґрунті приводить до пониження вмісту доступних для рослин форм азоту. Оранка ґрунту сприяє створенню аеробних умов і пригніченню денітрифікації (репресія синтезу нітрит- і нітратредуктази). Проте це єдиний процес, в якому зв’язаний N перетворюється в молекулярний N2.
Крім дисиміляційної нітрат редукції бактерії використовують нітрат для синтезу азотовмісних компонентів клітини. Цьому передує відновлення нітрату до амоніаку.
NO3- → NO2- → HNO → NH2OH → NH3
нітратредуктаза В нітритредуктаза → складний фермент, містить атоми Fe,
↓ проміжні проукти не вивільняються
міститься в цитоплазмі, індукується нітратом як єдиним джерелом N в середовищі
Процес отримав назву асиміляційна нітратредукція і здійснюється бактеріями як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Відновлення нітрату при асиміляційній нітратредукції каталізує фермент нітратредуктаза В, яка знаходиться в цитоплазмі та індукується тільки тоді, коли єдиним джерелом азоту є нітрат. Завершується відновний процес за участю нітритредуктази.
Деякі ентеробактерії (enteron – кишечник) (роди Enterobacter, Escherichia) здатні відновлювати нітрат тільки до нітриту, і тільки ця ланка спряжена з переносом електронів і одержанням енергії. Нітрит далі може відновлюватись до NH3+ в реакціях асиміляційної нітратредукції з виділенням в середовище NH4+. Процес одержав назву амоніфікація нітрату.
Споживання багатих нітратами продуктів або води приводить до відновлення їх мікрофлорою кишечника. При цьому нітрит, що потрапив у кров, спричиняє утворення метгемоглобіну. В результаті еритроцити втрачають здатність транспортувати О2.
Сульфатне дихання (дисиміляційна сульфатредукція) здійснюється у бактерій виключно в анаеробних умовах
SO42- + 8[H+] → H2S + 2H2O + 2OH-
або
4H2 + SO42- → S2- + 4H2O
Цей процес спряжений з утворенням АТФ в реакціях окисного фосфорилювання на ЛПЕ.
Багато мікроорганізмів здатні утилізувати сульфати в асиміляційних процесах, зокрема синтезах сірковмісних метаболітів. Відновлення сульфатів до сульфідів здійснюється в реакціях асиміляційної сульфатредукції. Обидва процеси – дисиміляційна і асиміляційна сульфатредукція – проходять через стадію утворення сульфіту.
Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Desulfosarcina, які заселяють різні екологічні ніші (грунти, водойми, рубець жуйних). Сульфатредукуючі бактерії є облігатними анаеробами. Донорами водню для них служать прості низькомолекулярні сполуки, які утворилися при анаеробному розкладі біомаси, в основному целюлози: лактат, ацетат, пропіонат, бутират, форміат, етанол, вищі жирні кислоти, молекулярний водень.
Асиміляційна сульфатредукція призводить до утворення H2S. Різниця: 1) більш поширена; 2) відновлена сірка йде на біосинтетичні процеси; 3) перший етап подібний, при асиміляційній сульфатредукції йде ще одна реакція активації активованого (АТФ) сульфату.
Як акцептор водню деякі бактерії можуть використовувати елементарну сірку, відновлюючи її до H2S у процесах окиснення органічних субстратів (сірчане дихання).
В наш час добре вивчений Desulfuromonas acetoxidans. Цю бактерію, яка пересувається за допомогою латерально розташованого джгутика, можна виділити з морської води і отримати нагромаджувальну культуру на середовищі, що містить мінеральні солі, ацетат і сірчаний цвіт (порошкоподібну сірку) при дотриманні анаеробних умов.
Сульфатредукувальні бактерії поширені в прибережних мулах, промислових стоках, багатих сульфатами. Саме за рахунок їх життєдіяльності тут нагромаджується сірководень. Його вміст різко зростає при підвищенні концентрації органічних речовин у стічних водах.
Сульфатредукувальні бактерії є причиною нагромадження значної кількості сірководню у Чорному морі.
За участю сульфатредукувальних бактерій утворені поклади сірки біогенного походження (Роздольське на Львівщині; Техас, Луізиана, Мексика). Анаеробна корозія заліза та будівельних матеріалів, що містять сульфати, також результат їх життєдіяльності. Отримати нагромаджувальні культури суьфатредукувальних бактерій можна, якщо додати в середовище лактат, сульфат, залізний цвях (скріпку) для створення низького окисно-відновного потенціалу (в результаті катодної поляризації, анаеробних умов), (Е0’= -200 мB).
Рис.2 Отримання нагромаджу вальної культури сульфатредукувальних бактерій. Інокулянт – сірководневий мул
В клітинах деяких анаеробних бактерій кінцевим акцептором водню є СО2. До них належать метаногенні бактерії (Archaeobacteria).
Морфологічно вони є паличкоподібні (Methanobacterium), коки (Methanococcus), сарцини (Methanosarcina), спірили (Methanospirillum), неправильної форми (Methanococсeoides). Вони мешкають (зустрічаються) на площах, зайнятих тундрою і болотами (метан – болотний газ), рисові поля, осади на дні ставків і озер; лимани, марши, естуарії; відстійники очисних споруд, шлунки (рубці) жуйних тварин (більше ніж 109 куо/мл).
Метанутворюючі бактерії становлять останню ланку анаеробного харчового ланцюга. В ньому приймають участь:
4Н2 + СО2 → СН4 + 2Н2О
За типом живлення метаногени є переважно гетеротрофами, хоча описані види, які використовують СО2 як єдине джерело вуглецю.
В різних місцях утворюється метан, відбувається також утворення оцтової кислоти. Підкислення середовища у відстійниках пов’язане з діяльністю бактерій, які перетворюють СО2 і Н2 в оцтову кислоту згідно рівнянню:
4Н2 + 2СО2 → СН3 – СООН + 2Н2О
Ацетогенні бактерії – це анаеробні хемолітоавтотрофи; грампозитивні палички
Clostridium aceticum
C. thermoaceticum
Acetobacter woodi.
Висновки
Список літератури
http://uk.wikipedia.org/wiki/Цикл_трикарбонових_кислот