Энергетический метаболизм прокариот презентация

Метаболизм – совокупность ферментативных процессов, протекающих в клетке и обеспечивающих её энергетические и биосинтетические потребности.

Энергетический метаболизм (катаболизм) – поток реакций, сопровождающийся мобилизацией энергии и преобразованием её в электрохимическую или химическую форму, которая затем используется во всех энергозависимых процессах.

Конструктивный метаболизм (биосинтез, анаболизм)
– поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клетки и при этом используется запасённая клеткой энергия.

органические соединения

В зависимости от донора электронов

По источнику энергии

Литотрофы Органотрофы

Фототрофы Хемотрофы
свет Энергия химических связей

питаются мертвым органическим материалом и независимы от других организмов

получают питательные вещества от макроорганизма

могут синтезировать самостоятельно из используемого источника углерода. К ним относятся аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и др. Такие вещества добавляют в питательные среды в готовом виде в небольших количествах.

Микроорганизмы, которым в дополнение к основному источнику углерода необходимы факторы роста, называются ауксотрофы.

Микроорганизмы, которые синтезируют все необходимые органические соединения из основного источника углерода самостоятельно, называются прототрофы.

что источник углерода у них является источником энергии. 

представить следующим образом

Должен существовать энергетический ресурс - исходный субстрат
С помощью ферментных систем организм извлекает энергию из этого субстрата в реакциях его ступенчатого окисления

многообразны возможности прокариот.

Мономеры, образованные при расщеплении биополимеров, должны быть ферментативным путем трансформированы в молекулы, способные включаться в качестве метаболитов в функционирующие клеточные катаболические системы

путь Энтнера-Дудорова
цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

Общее для всех катаболических путей – многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата

На некоторых этапах окисление субстрата сопряжено с образованием энергии в той форме, в которой она может быть использована клеткой

обозначения макроэргической связи.

– органические вещества, т.е. из субстрата в результате его анаэробного преобразования извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нем содержится.

Процесс протекает только в анаэробных условиях

Энергия запасается в молекулах АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования.

Все реакции катализируются растворимыми ферментами.

Энергетический выход: при окислении 1 молекулы глюкозы в среднем образуется 2 молекулы АТФ

объединяют в одну физиологическую группу на том основании, что характерным, хотя и не главным продуктом брожения является у них муравьиная кислота.
Наряду с муравьиной кислотой такие бактерии выделяют и некоторые другие кислоты; такой тип метаболизма называют поэто­му муравьинокислым брожением или брожением смешанного типа.
Так как некоторые типичные представители этой группы обитают в кишечнике, все семейство носит название Enterobacteriaceae.
Будучи факультативными аэробами, они обладают гемопротеинами (цитохромами и каталазой) и способны получать энергию как в процессе дыхания (в аэробных условиях), так и в процессе брожения (в анаэробных условиях).

окислительно-восстановительным потенциалом, образующихся в реакциях метаболизма или являющихся исходными субстратами (NADH2, сукцинат, лактат и др.)

Окисление происходит в результате переноса электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков, встроенных в мембрану – дыхательную электронотранспортную цепь

электронотранспортной цепи (фотосинтетической или дыхательной) во внешней среде происходит накопление ионов водорода (протонов), приводящее к подкислению среды, а в клеточной цитоплазме — их уменьшение, сопровождающееся ее подщелачиванием, таким образом при переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода, обозначаемый символом ΔμН+

происходит с участием протонного АТФсинтазного комплекса
Локализованная в мембранемембране АТФсинтаза катализирует реакции синтеза и гидролиза АТФ в соответствии с уравнением


Реакция, протекающая слева направо, сопряжена с транспортом H+ по градиенту ΔμH+, при этом выделяется энергия, что приводит к разрядке градиента и синтезу АТФ.
Протекающая в противоположном направлении реакция гидролиза АТФ сопровождается выделением энергии и приводит к переносу Н+ против градиента, что приводит к образованию (или возрастанию) ΔμH+ на мембране.
Таким образом, АТФ-синтазный ферментный комплексТаким образом, АТФ-синтазный ферментный комплекс служит механизмом, обеспечивающим взаимное превращение двух форм клеточной энергии (ΔμH+ и АТФ), устройством, сопрягающим процессы окислительной природы с фосфорилированием.

                           .

непостоянный состав переносчиков ( возможна замена одних переносчиков другими; добавление или удаление, например , цитохрома с)
Большинство бактерий имеют разветвленные дыхательные цепи на уровне цитохромов из-за большого потока электронов при избытке субстрата, чтобы не образовывалась электронная пробка
Количество переносимых протонов на одну пару электронов варьирует у разных бактерий
Может иметь вместо кислорода другие конечные акцепторы электронов.

метаболиты
Анаэробный процесс
Синтез АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования
Низкий энергетический выход
Неполное использование энергии химических связей – конечные продукты: спирты, кислоты, кетоны

Дыхание

Дыхательная цепь локализована в ЦПМ
Необходим кислород или другие внешние акцепторы электрона
Протекает в аэробных или анаэробных условиях
Синтез АТФ за счет трансмембранного градиента протонов
Высокий энергетический выход

– в конечном акцепторе электрона

наличии в атмосфере 20% кислорода (Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholera, Mycobacterium tuberculosis)
Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост(Helicobacter pylori), некоторые микробы нуждаются в повышенном содержании углекислого газа (капнофилы- Neisseria)

(Bacteroides, Clostridium)

Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов) (E.coli)


Аэротолерантные бактерии способны расти в присутствии кислорода, но не использовать его в качестве источника энергии. Энергию они получают исключительно с помощью брожения (Streptococcus)

Классификация прокариот по отношению к молекулярному кислороду

с одной стороны, он может быть абсолютно необходимым, с другой — с молекулярным кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток.

Наибольшей токсичностью для клетки обладают синглетный кислород и гидроксидные радикалы. Определенный вклад в общий отрицательный кислородный эффект вносят и другие производные О2. 

форм О2 существующие прокариоты выработали различные защитные механизмы: 
деятельность специальных ферментов, для которых разложение токсических форм О2 является основной и в ряде случаев единственной функцией (супероксиддисмутаза (СОД), каталаза (КТ) и пероксидаза)

способность пигментов или некоторых метаболитов выступать в качестве антиоксидантов