В случае превращения глюкозы по пути Энтнера – Дудорова (рис. 31) образуется промежуточный продукт, характерный только для этого пути, – 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовая кислота, которая далее расщепляется на молекулу пировиноградной кислоты и молекулу 3-фосфоглицеринового альдегида. Последний подвергается дальнейшему превращению по пути Эмбдена – Мейергофа в пировиноградную кислоту. В результате из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты, одна молекула АТФ и две молекулы НАДФ • Н.
Рис. 31. Путь Энтнера–Дудорова: превращение глюкозы в пировиноградную кислоту и 3-фосфоглицериновый альдегид
Путь Эмбдена – Мейергофа наиболее широко используется различными бактериями при потреблении глюкозы. От образующегося при этом конечного продукта – пировиноградной кислоты, а также от таких промежуточных продуктов, как эритрозо-4-фосфат и рибозо-5-фосфат, идут различные метаболические пути синтеза двадцати аминокислот (рис. 32). Общая схема обмена веществ у микроорганизмов, обладающих аэробным дыханием и потребляющих гексозы, показана на рис. 33. Поскольку в аэробных условиях высвобождается гораздо больше энергии, чем при брожении, некоторые бактерии осуществляют такой тип дыхания, при котором акцептором водорода (электронов) является связанный кислород. Его носители – нитраты (нитратное дыхание) или сульфаты (сульфатное дыхание). При этом за счет водорода окисляемого субстрата нитраты восстанавливаются до молекулярного азота, а сульфаты – до H2S (рис. 34). Способность таких бактерий переносить электроны на нитраты и сульфаты связана с наличием у них цитохромов и системы переноса электронов. Это позволяет им осуществлять достаточно полное окисление субстрата и получать таким путем гораздо больше энергии, чем при брожении.
Рис. 32. Пути образования двадцати аминокислот, необходимых для синтеза белков, из промежуточных продуктов обмена (по Г. Шлегелю)
Рис. 33. Схема обмена веществ у микроорганизмов, потребляющих О2 и гексозы (по Г. Шлегелю):
1 – ФДФ-путь; 2 – ПФ-путь; 3 – КДФГ-путь; 4 – ЦТК; 5 – дыхательная цепь; 6 – фосфорилирование на уровне субстрата; 7 – окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи; 8 – синтез мономеров; 9 – синтез полимеров
Рис. 34. Аэробные и анаэробные процессы дыхания (по Г. Шлегелю)
Главная особенность строгих анаэробов заключается в том, что их энергетический обмен происходит без участия свободного кислорода. Синтез АТФ при потреблении глюкозы в анаэробных условиях (гликолиз) происходит за счет фосфорилирования субстрата. Из одной молекулы глюкозы в этих условиях образуются две молекулы молочной кислоты, а выход энергии составляет всего 20 ккал (синтезируются две молекулы АТФ) на моль глюкозы, т. е. во много раз меньше, чем при полном окислении этого основного носителя энергии. Хотя анаэробы также мобилизуют энергию в результате окислительно-восстановительных процессов, т. е. в результате переноса водорода (электронов), но кислород для них не служит конечным акцептором электронов. Более того, молекулярный кислород оказывает на них токсическое действие, причины которого следующие:
1) у анаэробных бактерий кислород угнетает анаэробные энергообразующие реакции (эффект Пастера);
2) у строгих анаэробов отсутствует фермент каталаза, поэтому накапливающаяся в присутствии кислорода Н2О2 оказывает на них бактерицидное действие;
3) у строгих анаэробов отсутствует система регуляции окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала) – rH2. Окислительно-восстановительный потенциал представляет собой показатель окислительно-восстановительного равновесия всех компонентов системы, находящейся в равновесии с электродами; rH2 – отрицательный логарифм гипотетического давления водорода, когда данная окислительно-восстановительная система находится в состоянии равновесия:
где Ehk – найденный потенциал среды; 250 mv – разница потенциалов между каломельным и нормальным водородным электродом (считается, что каломельный электрод при температуре 20 °C на 250 mv положительнее водородного).
Показатель rH2 может варьировать от минимума – 0 (среда насыщена водородом) до максимума 41 (среда насыщена кислородом); при rH2 = 28 оба процесса находятся в динамическом равновесии.
Направление и напряженность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в бактериальной клетке, зависят от состава среды. Eh нормальной питательной среды, находящейся в контакте с воздухом, равен 0,2 – 0,4 В при рН = 7,0. Eh культуры бактерий определяется в результате конкуренции скоростей двух процессов – скорости образования восстановленных веществ и скорости образования компонентов, окисленных кислородом. Присутствие в среде окисляющих веществ повышает rH2, а наличие веществ, обладающих восстановительными свойствами (аскорбиновая кислота, цистеин и др.), снижает его. Существуют определенные границы rH2 и рН среды, внутри которых клетки способны осуществлять метаболические реакции с определенной скоростью.
Строгие аэробы, факультативные анаэробы и микроаэрофилы обладают системами, которые позволяют им при высоком содержании О2 снижать уровень rH2 до показателей, при которых они могут эффективно размножаться. Установлено, что у таких бактерий размножение совпадает с быстрым падением окислительно-восстановительного потенциала. Существуют предельные значения rH2 для роста бактерий и, в частности, анаэробов. Обычно рост их угнетается, если начальная Eh среды выше –0,2 В. Строгие анаэробы, у которых отсутствуют системы регуляции rH2, в присутствии О2 расти не могут. Зависимость их роста от уровня rH2 подтверждается тем, что если с помощью восстанавливающих веществ снизить уровень rH2, строгие анаэробы начинают расти и в присутствии кислорода. Строгий анаэроб Clostridium perfringens хорошо растет на аэрируемой среде, если Eh ее снижен аскорбиновой кислотой до –0,125 В.
По-видимому, у разных видов строгих анаэробов чувствительность к молекулярному кислороду опосредуется разными факторами. В связи с высокой чувствительностью строгих анаэробов к молекулярному кислороду для их культивирования с помощью различных способов создаются бескислородные условия. С этой целью используются механические, физические, химические и биологические способы удаления кислорода: посевы в глубокие столбики агара; кипячение (регенерация) жидкой питательной среды (Китта – Тароцци), содержащей глюкозу и кусочки печени (для связывания растворенного кислорода), и заливка ее стерильным вазелиновым маслом; добавление в атмосферу роста химических веществ, поглощающих кислород (например, щелочного пирогаллола); совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов на кровяном агаре с глюкозой в запарафинированной чашке Петри (вначале растут строгие аэробы, а после снижения содержания кислорода – анаэробы) – способ Фортнера – и т. п. Наилучшим методом является применение специальных анаэростатов, из которых воздух откачивается и (или) замещается каким-либо инертным газом или смесью азота и углекислого газа.
Глава 8
Механизмы саморегуляции
Для своего роста (увеличения биомассы) и размножения бактериальная клетка должна получать из окружающей среды, как минимум, источники углерода, энергии и различные химические элементы. Источником углерода и энергии могут быть одна и та же молекула (чаще всего глюкоза) или же различные молекулы, например СО2 как источник углерода, а NH3 – источник энергии. Клетки, у которых отсутствуют какие-либо биосинтетические процессы, должны получать их конечные продукты, т. е. «факторы роста», из внешней среды. Если же клетка может получать некоторые конечные продукты извне, она будет их использовать преимущественно, «выключив» их эндогенный синтез. Для осуществления реакций окисления среда должна обеспечить клетку конечным акцептором водорода (электронов): для аэробов им является О2, а для анаэробов им могут быть или органические вещества, или органические субпродукты расщепления углеводов, или неорганические соединения (NO3–, SО42– и т. п.). Например, многие бактерии растут за счет расщепления глюкозы как источника углерода, энергии и акцептора водорода. Благодаря обмену источников углерода бактерии синтезируют промежуточные продукты, необходимые для образования основных биополимеров. Окисление источников энергии приводит к накоплению АТФ, что позволяет бактериям обеспечивать себя энергией, необходимой для биосинтеза субъединиц биополимеров и их активации. Активированные субъединицы полимеризуются и образуют макромолекулы, которые саморегулируются, формируя субклеточные и клеточные структуры. В результате биомасса клетки удваивается за определенный срок (клеточный цикл), и она размножается путем бинарного деления. В одно и то же время в бактериальной клетке совершается огромное количество биохимических процессов, завершающихся, в конечном счете, увеличением ее биомассы. Это предполагает наличие у нее совершенных механизмов саморегуляции, чутко реагирующих на все изменения условий ее жизни. В настоящее время представляется возможным условно разделить эти механизмы на две основные группы: а) группа неспецифических механизмов регуляции роста и размножения; б) группа специфических механизмов саморегуляции.
