Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами




Скачать 146.97 Kb.
НазваниеЛекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами
Дата конвертации27.04.2013
Размер146.97 Kb.
ТипЛекция




Лекция 6. Ассимиляция углеводов микроорганизмами

План


  1. Пути катаболизма глюкозы в микробной клетке.

  2. Включение в метаболизм микроорганизмов сахаров, отличных от глюкозы.

  3. Регуляция активности ферментов ЦТК в клетках микроорганизмов.

  4. Роль глиоксилатного пути в метаболизме микроорганизмов.


В. 1. Пути катаболизма глюкозы в микробной клетке.

Катаболические процессы распада углеводов в микробной клетке преследуют три основные цели:

  1. накопление энергии в форме макроэргических связей;

  2. образование предшественников, необходимых для синтеза компонентов клетки и метаболитов;

  3. создание окислительно-восстановительных механизмов, необходимых для превращения этих предшественников в промежуточные или конечные продукты.

Углеводы, ассимилируемые микроорганизмами в основном представлены гексозами, в меньшей степени пентозами. Все они вступают в процессы ферментативного распада, характерные для метаболизма глюкозы. При рассмотрении метаболизма глюкозы в микробных клетках представляют интерес три процесса:

  1. гликолиз;

  2. пентозофосфатный (гексозомонофосфатный; апотомический) путь распада;

  3. путь Энтнера-Дудорова.

  1. Гликолиз – процесс распада глюкозы, включающий 9 анаэробных ферментативных реакций, продуктом которых является ПВК. Данный путь ассимиляции сахаров встречается практически у всех промышленно важных микроорганизмов. Биологическое значение гликолиза для микроорганизмов обусловлено следующими эффектами:

    • образование 2 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы, что является достаточным для синтеза 10,5 мг АСБ (для некоторых микроорганизмов гликолиз является единственным источником энергии);

    • накопление восстановленных эквивалентов в форме двух молекул НАДН, используемых микроорганизмами при реализации многих биосинтетических процессов;

    • образование 2 молекул ПВК, являющейся исходным соединением для синтеза многих технологически важных микробных метаболитов.

Итоговое уравнение:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2НАД + 2Н2РО4 2СН3СОСООН + 2АТФ + 2НАДН + 2Н+

Г
СН2ОР

СН2ОН
ЛИКОЛИЗ



Глю-6-Р


Глю

1.

Гексокиназа, Mg2+

АТФ АДФ


СН2ОР


2..

Глю-6-Р

Фру-6-Р

О

ОН

ОН

ОН


СН2ОН

СН2ОР

Гексозо

фосфат-изомераза


3
О

СН2ОР

СН2ОН
.

ОН

ОН


СН2ОР

СН2ОР

О
АТФ АДФ



ОН

ОН

ОН


ОН

Лимитирующая

Фосфофрукто-

киназа, Mg2+


ОН


Фру-6-Р

Фру-1,6-ди Р

О
Н

4
СН2ОР

СН2ОР
. СН2О – Р С=О

ОН

ОН


Альдолаза
С=О + НСОН

ОН




СН2ОН СН2О- Р
Фру-1,6-ди Р дигидроскиацетон -Р 3-ФГА
Н

5. СН2О-Р С = О

С = О НСОН ≈5%


Триозофосфат-

изомераза
СН2ОН СН2О – Р ≈95%

ДГА-Р 3-ФГА

Н О ~ Р

6. С = О С = О ингибитор йод


Глицераль-

дегидрофосфат-

дегидрогеназа
НСОН + НАД + Н3РО4 НСОН + НАДН2 или бромацетат

СН2О – Р СН2О – Р

О ~ Р

  1. С = О АДФ АТФ СООН 8. СООН

Н
Фосфоглицеро-

мутаза
СОН НСОН НСО-Р


Фосфоглицеро-

киназа
СН2О – Р СН2О-Р СН2ОН

1,3-ДФГА 3-ФГК 2-ФГК
9. СООН Н2О СООН 10. АДФ АТФ СООН


Пируваткиназа

Енолана,

Mg2+, Mn2+
НСО –Р СО ~ Р С = О

СН2ОН СН2 СН3

2-ФГК Фосфоенол-ПВК ПВК

  1. СООН НАДН2 НАД СООН

С = О НОСН

СН3 Лактатдегидро- СН3

ПВК геназа

2. Гексозомонофосфатный путь.

Наряду с гликолизом является широко распространенным способом ассимиляции углеводов микрооганизмами. Играет важную роль в процессах синтеза компонентов клетки, в частности, циклических азотсодержащих соединений. Основные функции пентозофосфатного пути:

    • образование восстановленных молекул НАДФ;

    • накопление энергии, при полном окислении 12 молекул НАДФН на 1 молекулу окисленной глюкозы образуются 36 молекул АТФ;

    • осуществление взаимопревращений гексоз и пентоз;

    • в результате взаимодействия продуктов гликолиза и пентозофосфатного пути создаются возможности для обратимых взаимопревращений трех-; четырех-; пяти-; шести- и семиуглеродных сахаров путем переноса двух- и трехуглеродных фрагментов.

Первая реакция пентозного пути осуществляет дегидрирование С1-атома глюкозо-6-фосфата, катализируемое глюкозо-6-фосфат дегидрогеназой, с образованием 6-фосфоглюконолактона и молекулы НАДФН


АТФ АДФ НАДФ+ НАДФН

ГЛЮ ГЛЮ-6- Р


Лактон гидролизуется лактоназой до 6-фосфоглюконолактоновой кислоты, которая подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата и молекулы НАДФН:


НАДФ+ НАДФН
СО2

6-ФГЛ 6-ФГК РИБУЛ-5-Р
Рибулозо-5-фосфат подвергается реакциям изомеризации и эпимеризации с образованием рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата.



Пентозофосфат

изомераза

Пентозофосфат

эпимераза



+

Транске-

толаза



Рибулоза-5-Р

Ксилулозо-5 -Р

Седогептулоза 7-Р

3 ФГА


Продукты изомеризации и эпимеризации вступают в транскетолазную реакцию – перенос гликоальдегидной группы от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат. Группа переносится посредством взаимодействия с тиаминпирофосфатом, связанным с ферментом. Образовавшиеся седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат вступают в трансальдолазную реакцию, заключающуюся в переносе диоксиацетоновой группы к глицеральдегид-3-фосфату:


Трансальдолаза

Сед-7-Р + 3 ФГА




Фруктозо-6-Р

Эритрозо-4-Р


Эритрозо-4-фосфат взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом по механизму транскетолазной реакции с образованием фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата. Последний изомеризуется в диоксиацетонфосфат и образует с ним под действием фруктозобифосфат-альдолазы фруктозо-1,6-дифосфат. Гекозодифосфатаза катализирует отщепление от фруктозо-1,6-дифосфата одной молекулы фосфата:

Фруктозо-6-Р

3 ФГА





Фруктозо-6-Р

Завершающей стадией пентозофосфатного цикла является трансформация фруктозо-6-фосфата под действием глюкозофосфат-изомеразы в глюкозо-6-фосфат. Итоговое уравнение цикла:

6 С6Н11ОР + 12 НАДФ+ 6 СО2 + 5 С6Н11ОР + 12 НАДФН + Н3РО4 + 12Н+
3. Путь Энтнера-Дудоров




6-фосфоглюконовая к-та 2-кето-3-дезокси- 3-ФГА

6-фосфоглюконовая

к-та (КГДФ)

В. 2. Включение в метаболизм микроорганизмов сахаров,

отличных от глюкозы
Фруктоза включается в катаболические процессы по схеме:

АТФ АДФ




Фру Фру –6- Р Глю-6-Р

глюкозофосфат-

изомераза

Лактоза расщепляется β-галактозидазой до моносахаридов. Дальнейшие превращения могут протекать по двум схемам:
АТФ АДФ

1. Gal Gal-1- Р Glu- 1- Р + УДФ –Gal



АТФ АДФ УТФ
Glu Glu -1- P УДФ- Glu + 2Н3РО4
УДФ-Gal УФД-Glu




АТФ АДФ УТФ

2. Gal Gal-1- Р УДФ –Gal + 2Н3РО4
УДФ-Gal УДФ-Glu + 2Н3РО4 Glu-6- P + УТФ
Многоатомные спирты. Маннит имеет два пути включения в катаболизм глюкозы:

1. фосфорилирование под действием маннитолкиназы с образованием маннитол-1- Р и его трансформация под действием НАД-зависимой маннитол-1-фосфат дегидрогеназы во фруктозо-6-фосфат;

2. Образование фруктозы под действием специфической маннитол дегидрогеназы и фосфорилирование во фруктозо-6-фосфат

НАДН Д-фру АТФ

НАД+ АДФ

Д-маннит Фру-6- Р Глю-6 – Р

АТФ НАДН

Д-ман-1- Р

АДФ НАД+
Уроновые кислоты. Галактуроновая кислота включается в катаболические процессы по следующей схеме:


АТФ АДФ



УДФ-Галактуронат

Р

УДФ-Глюкоза

1-фосфогалактоза

УДФ-Галактуронат

УДФ-Глюкурат

УДФ-Глюкоза

НАДН НАД








- СО2 - СО2


УДФ-Арабиноза

УДФ-Ксилоза


В. 3. Регуляция активности ферментов ЦТК в клетках микроорганизмов.
Образовавшаяся в результате распада глюкозы ПВК служит исходным продуктом синтеза многих метаболитов по механизмам реакций брожения или через цикл Кребса. Во втором случае биохимические превращения про-текают через стадию образования ацетил-КоА по механизму окислительного декарбоксилирования ПВК. Регуляция активности ферментов окисли-тельного декарбоксилирования определяет направление обмена ПВК. Ферментный комплекс «пируватдегидрогеназа-липоатацетилтрансфераза-липоамиддегидрогеназа» активируется некоторыми промежуточными продуктами гликолиза, ингибиторами являются НАДН и ацетил-КоА.

Пируват является субстратом не только пируватдекарбоксилазного комплекса, но и реакции образования щавелевоуксусной кислоты, восполняющей затратф в ЦТК.

Активность цитрат-синтазы является главным регуляторным механизмом скорости синтеза трикарбоновых кислот в микробных клетках. Скорость реакции определяется концентрацией субстратов - оксалоацетата и ацетил-КоА. Ингибирующий эффект на цитрат-синтазу оказывают НАДН и сукцинил-КоА.

Важным контролирующим этапом цикла является изоцитратдегидро-геназная реакция. Аллостерическим активатором изоцитратдегидрогензы является АДФ.

α-кетоглутаратдегидрогеназы активируется АМФ и ингибируется сукцинил-КоА и НАДН. В то же время янтарная кислота является аллостерическим активатором сукцинат-дегидрогеназы.

Важным ферментом с точки зрения регуляции ЦТК является малатдегидрогеназа,она ингибируется АТФ.

Существенный вклад в регуляции реакций ЦТК вносит энергетический заряд. В частности у дрожжей направление реакций, катализируемых аллостерическими ферментами, контролируется соотношением АТФ/АМФ. Уменьшение этого соотношения вызывает активацию цикла в целом за счет увеличения активности цитратсинтазы и изоцитратдегидрогеназы. Увеличение количества синтезируемых восстановленных эквивалентов (3 молекулы НАДН и 1 молекулы ФАДН) и их поступление в дыхательную цепь приводит к повышению концентрации АТФ и ингибированию ферментов цикла. Таким образом для обеспечения стабильного синтеза продуктов цикла Кребса необходимо постоянное реокисление восстановленных эквивалентов, т.е. насыщение среды кислородом.
Окислительное декарбоксилирование ПВК

1. СН3 СО2 СН3

С=О + Е1-ТДФ Н-С-ТДФ-Е1

СООН пириват- ОН

дегидрогеназа
2. СН3 S ТДФ-Е1

Н-С-ТДФ-Е1 + ЛК-Е2 H3C-C=O

ОН S липоатацетил- S-ЛК-Е2

амидлипоевой трансфераза HS

кислоты (окисл.)
3. H3C-C=O HS

S-ЛК-Е2 + НS-КоА ЛК-Е2 + СН3СО~S-КоА

HS HS

(восстан.) ацетил-КоА

4. HS S

- ЛК-Е2 + Е3-ФАД ЛК-Е2 + Е3-ФАДН2

HS липоамид- S

Дегидрогеназа

НАД НАДН2

5. Е3-ФАДН2 Е3-ФАД
Цикл трикарбоновых кислот

1. СООН СН3-СО~S-КоА НS-КоА СООН

С=О СН2

СН2 цитра-синтаза НО-С-СООН

СООН СН2

Оксалоацетат СООН

Лимонная кислота
2. СООН Н2О СООН Н2О СООН

СН2 СН2 СН2

НО-С-СООН С-СООН Н- С-СООН

СН2 аконитат- СН аконитат- Н-С-ОН

СООН гидратаза Н2О СООН Н2О гидротаза СООН

Лимонная к-та Цис-аконитовая к-та изолимонная к-та
3. СООН НАД НАДН2 СО2 СООН

СН2 СН2

Н- С-СООН СН2

Н- С-ОН изоцитратдегидро- С=О

СООН геназа; АДФ, Мg2+,Мn2+ СООН

изолимонная к-та α-кетоглутаровая к-та
4. 5.

НS-КоА СО2 ГДФ НS-КоА

СООН НАД НАДН2 СООН ФН ГТФ СООН

СН2 СН СН2


сукцинил-КоА-

синтетаза
СН2 СН СН2

С=О СО~S-КоА СООН

СООН сукцинил-КоА Янтарная к-та


6
Сукцинат-дегидрогеназа
. 7. 8.


СООН ФАД ФАДН2 СООН Н2О СООН НАД НАДН2 СООН

СН2 СН СНОН С=О


Фумарат-гидротаза

малатдегид-рогеназа
СН2 СН СН2 СН2

СООН СООН СООН СООН
фумаровая к-та L-яблочная к-та оксалоацетам


В. 4. Роль глиоксалатного пути в метаболизме микроорганизмов.
Биосинтез многих продуктов метаболизма связан с вункционированием цикла Кребса. В результате из ЦТК на нужды биосинтеза уходит значительное количество промежуточных продуктов (например, на синтез глутаминовой кислоты – α-кетоглутаровая кислота); возникает проблема регенерации щавелево-уксусной кислоты и обеспечения работы цикла.

Многие микроорганизмы располагают набором ферментов, катализирующих так называемые анаплеротические реакции (возмещающие). Данные реакции направлены на пополнение продуктов ЦТК. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует образование ЩУК из ПВК:

АТФ АДФ

СН3СОСООН + СО2 + Н2О НООС-СО-СН2-СООН + Н3РО4

Биотин

Наиболее распространенным анаплеротическим механизмом у микроорганизмов является глиоксилатный цикл (шунт), функционирующий одновременной с ЦТК. Работа глиоксилатного цикла обусловлена активностью двух ферментов; изоцитратлиазы, расщепляющей изолимонную кислоту на янтарную и глиоксиловую; малатсинтазы, катализирующей присоединение глиоксиловой кислоты к ацетил-КоА.
СН2-СООН

СН-СООН СН2-СООН + СНО

НО-СН-СООН СН2-СООН СООН

Изоцитрат сукцинат глиоксалат

НS-КоА в ЦТК

СНО НСОН-СООН

СООН + СН3-СО~S-КоА СН2-СООН

малат

Суммарный результат реакций глиоксалатного цикла заключается в превращении двух молекул ацетил-КоА в одну молекулу ЩУК. Образующаяся при расщеплении изолимонной кислоты яблочная кислота включается в цикл Кребса, в результате чего образуется одна молекула восстановленного ФАДН (3 молекулы АТФ).

Таким образом, функционирование глиоксалатного цикла обеспечивает образование необходимых для анаболических процессов четырехуглеродных соединений, энергии, восстановленных эквивалентов.

Особое значение имеет глиоксалатный цикл при культивировании микроорганизмов на ацетате и субстратах, катаболизм которых приводит к его образованию (жирные кислоты, н-алканы). В этом случае ацетат, образуя биологически активную форму (ацетил-КоА), непосредственно включается в биологические процессы.



Похожие:

Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconЛекция Ассимиляция углеродсодержащих соединений микроорганизмами
Углеводороды широко используются в качестве углеродных субстратов при культивировании микроорганизмов, в первую очередь, дрожжей....
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconДополнительные метаболические пути, ассоциированные с гликолизом. Роль углеводов в организме
Углеводный обмен (часть I): краткая химическая характеристика углеводов; роль углеводов в организме; гликолиз, полное аэробное окисление...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconАссимиляция и диссимиляция
Задачи: познакомить учащихся с понятием «обмен веществ в организме», показать, что ассимиляция и диссимиляция это два взаимосвязанных...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconМетаболизм углеводов
Суточная норма углеводов в пище составляет 400-500 г. Основными углеводами пищи являются
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconМетаболизм углеводов
В сегодняшней заключительной лекции нашего цикла, посвященного метаболизму углеводов, мы рассмотрим цикл трикарбоновых кислот, иначе...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconПроблема защиты минеральных строительных конструкций от повреждения микроорганизмами
Дано краткое описание грибов-биоповредителей и благоприятных условий жизни и активного роста; рассмотрены причины заселения конструкций...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами icon«Химия углеводов. Качественные реакции на глюкозу, фруктозу, крахмал» Тест: «Химия углеводов»
Моносахарид, восстанавливающий металлы из их окислов; является основным источником энергии
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconЛекция 1 Классификация и биологическая роль углеводов
Тем не ме­нее, углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных функции, принимая участие в структурной и метаболической...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами icon«Строение и свойства углеводов»
Студенты должны знать строение, названия и виды стереоизомерии важнейших моносахаридов. Научиться экспериментально проводить качественные...
Лекция Ассимиляция углеводов микроорганизмами iconОбмен углеводов Углеводный обмен включает все химические превращения, которым подвергаются углеводы тотчас же после поступления их в организм и позже, когда, переварившись в желудочно-кишечном тракте и всосавшись через стенки кишечника в
Наряду с этим в клетках тела постоянно происходит синтез углеводов за счет перестройки органических соединений пищи
Разместите кнопку на своём сайте:
kk.convdocs.org



База данных защищена авторским правом ©kk.convdocs.org 2012-2019
обратиться к администрации
kk.convdocs.org
Главная страница