Ассимиляция углеводов микроорганизмами

1
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
необходимых
для
превращения
этих
механизмов,
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:
2
- 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+
ГЛИКОЛИЗ
СН2ОН
СН2 0Н
АТФ
АДФ
0
1.
0Н
0
0Н
0Н
0Н
0Н
Гексокиназа,
Mg2+
Глю
СН2ОР
0
0Н
0Н
0Н
0Н
Глю-6-Р
СН2ОР
СН2 0Н
2.
.
СН ОР
СН22 0Н
О
СН2ОН
ОН
0Н
0Н
0Н
Глю-6-Р
ОН
Гексозо
ОН
фосфатизомераза
Фру-6-Р
3.
СН2ОР
О СН2ОН
АТФ
АДФ СН2ОР
О
СН2ОР
ОН
ОН
Фру-6-Р
ОН
Фосфофруктокиназа, Mg2+
ОН
ОН
Фру-1,6-ди Р
ОН
Лимитирующая
3
4.
О
СН2ОР
СН2О – Р
СН2ОР
ОН
ОН
ОН
С=О
Альдолаза
Фру-1,6-ди Р
6.
НСОН
СН2ОН
СН2О- Р
3-ФГА
Н
С=О
С=О
ДГА-Р
+
дигидроскиацетон -Р
5. СН2О-Р
СН2ОН
Н
С=О
НСОН
Триозофосфатизомераза
≈5%
СН2О – Р
≈95%
3-ФГА
Н
С=О
О~Р
С=О
ингибитор йод
НСОН
+ НАД + Н3РО4
НСОН
ГлицеральСН2О – Р
СН2О – Р
дегидрофосфатдегидрогеназа
7.
О~Р
С=О
АДФ
АТФ
СООН
НСОН
Н2О
2-ФГК
11. СООН
3-ФГК
СООН
НСО –Р
СО ~ Р
Енолана,
Mg2+, Mn2+
НАДН2
СН2
Фосфоенол-ПВК
НАД
С=О
СООН
НОСН
СН3
Лактатдегидро-
ПВК
геназа
НСО-Р
СН2О-Р
Фосфоглицерокиназа
9. СООН
СН2ОН
СООН
8.
НСОН
СН2О – Р
1,3-ДФГА
+ НАДН2 или бромацетат
СН3
Фосфоглицеро- СН ОН
2
мутаза
2-ФГК
10. АДФ
АТФ
Пируваткиназа
СООН
С=О
СН3
ПВК
4
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
CH2O P
АТФ
АДФ
ГЛЮ
НАДФ+
0
НАДФН
HO
ГЛЮ-6- Р
0
OH
OH
Лактон
гидролизуется
лактоназой
до
6-фосфоглюконолактоновой
кислоты, которая подвергается окислительному декарбоксилированию с
образованием рибулозо-5-фосфата и молекулы НАДФН:
CH2O P
CH2O P
0H
0
HO
0
OH
HO
6-ФГЛ
Рибулозо-5-фосфат
CH 2O P
I
HCOH
HCOH
I
C=O
I
CH 2OH
СО2
РИБУЛ-5-Р
OH
6-ФГК
подвергается
НАДФН
I
0
OH
OH
НАДФ+
реакциям
изомеризации
эпимеризации с образованием рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата.
и
5
CH 2O P
I
HCOH
Пентозофосфат
эпимераза
I
Пентозофосфат
изомераза
HCOH
I
C=O
I
CH 2OH
CH2O P
I
HCOH
I
HCOH
CH 2O P
I
HCOH
CH 2O P
I
HCOH
+
I
HCOH
I H
HCO
I
CHO
Рибулоза-5-Р
Транскетолаза
I
HO C H
I
C=O
I
CH2O P
I
+
HCOH
I
HCOH
I
CHOH
I
CHO
I
C=O
I
CH 2OH
CH 2OH
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,
седогептулозо-7-фосфат
связанным
и
с
ферментом.
Образовавшиеся
глицеральдегид-3-фосфат
вступают
в
трансальдолазную реакцию, заключающуюся в переносе диоксиацетоновой
группы к глицеральдегид-3-фосфату:
Трансальдолаза
Сед-7-Р + 3 ФГА
CH2O P
CH 2O P
I
I
I
HCOH
HCOH
I
HCOH
I
HOCH
I
+
HCOH
I
CHO
C=O
I
CH 2OH
Фруктозо-6-Р
Эритрозо-4-Р
6
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-1,6дифосфат. Гекозодифосфатаза катализирует отщепление от фруктозо-1,6дифосфата одной молекулы фосфата:
CH 2O P
CH 2O P
CH 2O P
I
I
I
HCOH
I
HCOH
I
I
HOCH
I
HCOH
+
HCOH
I
HOCH
I
C=O
CHO
I
CH 2O P
HCOH
+
I
HCOH
I
CHO
I
C=O
CH 2OH
I
CH 2OH
Фруктозо-6-Р
CH 2O P
3 ФГА
CH 2O P
I
HCOH
I
I
C=O
I
CHO
CH 2OH
CH 2O P
CH2O P
I
I
I
HCOH
I
I
HCOH
HCOH
HOCH
I
HOCH
C=O
H3PO4
I
CH 2O P
I
C=O
I
CH 2OH
Фруктозо-6-Р
Завершающей
трансформация
стадией
пентозофосфатного
фруктозо-6-фосфата
под
цикла
действием
является
глюкозофосфат-
изомеразы в глюкозо-6-фосфат. Итоговое уравнение цикла:
6 С6Н11ОР + 12 НАДФ+
6 СО2 + 5 С6Н11ОР + 12 НАДФН + Н3РО4 + 12Н+
7
3. Путь Энтнера-Дудоров
CH 2O P
OH
ATP
NADP+
ADP
NADPH
Glu-6- P
Glu
H
HO
OH H
CH 2O P
OH
H
H
COOH
H
HO
COOH
OH
H
CH 3-CO-COOH
CH 2O P
H
I
I
HCOH
O
CHO
6-фосфоглюконовая к-та
2-кето-3-дезокси6-фосфоглюконовая
к-та (КГДФ)
3-ФГА
В. 2. Включение в метаболизм микроорганизмов сахаров,
отличных от глюкозы
Фруктоза включается в катаболические процессы по схеме:
АТФ
Фру
АДФ
Фру –6- Р
Глю-6-Р
глюкозофосфатизомераза
Лактоза расщепляется β-галактозидазой до моносахаридов. Дальнейшие
превращения могут протекать по двум схемам:
АТФ
АДФ
Gal-1- Р
1. Gal
АТФ
АДФ
Glu -1- P
УДФ-Gal
УФД-Glu
2. Gal
УДФ-Gal
+ УДФ –Gal
УТФ
Glu
АТФ
Glu- 1- Р
АДФ
УДФ- Glu + 2Н3РО4
УТФ
Gal-1- Р
УДФ-Glu + 2Н3РО4
УДФ –Gal + 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;
8
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
АТФ
Глю-6 – Р
НАДН
Д-ман-1- Р
АДФ
НАД +
Уроновые кислоты. Галактуроновая
катаболические процессы по следующей схеме:
COOH
АТФ
O
H
HO
H
OH
OH
H
H
OH
АДФ
COOH
включается
в
O УДФ-Глюкоза
H
HO
H
кислота
OH
OHР
H
H
УДФ-Галактуронат
OH
1-фосфогалактоза
НАДН
УДФ-Галактуронат
- СО2
НАД
УДФ-Глюкурат
УДФ-Глюкоза
- СО2
УДФ-Арабиноза
В. 3. Регуляция
микроорганизмов.
УДФ-Ксилоза
активности
ферментов
ЦТК
в
клетках
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 протекают через стадию образования ацетил-КоА по механизму окислительного
декарбоксилирования ПВК. Регуляция активности ферментов окислительного декарбоксилирования определяет направление обмена ПВК.
Ферментный
комплекс
«пируватдегидрогеназа-липоатацетилтрансфераза-
9
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 изоцитратдегидрогеназная 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.
10
Окислительное декарбоксилирование ПВК
1.
2.
3.
СН3
С=О
СООН
СО2
+ Е1-ТДФ
пириватдегидрогеназа
СН3
Н-С-ТДФ-Е1
ОН
СН3
Н-С-ТДФ-Е1
ОН
ТДФ-Е1
+
ЛК-Е2
H3C-C=O
S
липоатацетилS-ЛК-Е2
амидлипоевой
трансфераза
HS
кислоты (окисл.)
S
H3C-C=O
S-ЛК-Е2 + НS-КоА
HS
HS
ЛК-Е2 + СН3СО~S-КоА
HS
(восстан.)
4.
HS
S
- ЛК-Е2 + Е3-ФАД
ЛК-Е2 + Е3-ФАДН2
липоамид- S
Дегидрогеназа
HS
НАД
5.
ацетил-КоА
НАДН2
Е3-ФАДН2
Е3-ФАД
Цикл трикарбоновых кислот
1. СООН
С=О
СН2
СООН
Оксалоацетат
СН3-СО~S-КоА
цитра-синтаза
СООН
Н2О
СН2
НО-С-СООН
СН2
аконитатСООН
гидратаза
Лимонная к-та
2.
НS-КоА
СООН
СН2
НО-С-СООН
СН2
СООН
Лимонная кислота
СООН
Н2О
СН2
С-СООН
СН
аконитатН2О
СООН Н2О гидротаза
Цис-аконитовая к-та
СООН
СН2
Н- С-СООН
Н-С-ОН
СООН
изолимонная к-та
СООН
НАД
НАДН2 СО2
СООН
СН2
СН2
Н- С-СООН
СН2
Н- С-ОН
изоцитратдегидроС=О
СООН
геназа; АДФ, Мg2+,Мn2+
СООН
изолимонная к-та
α-кетоглутаровая к-та
3.
11
4.
5.
СООН
СН2
СН2
С=О
СООН
НS-КоА
НАД
СО2
НАДН2
СООН
ГДФ
ФН
СН
СН
СО~S-КоА
сукцинил-КоА
6.
НS-КоА
ГТФ
сукцинил-КоАсинтетаза
7.
СООН
СН2
СН2
СООН
СООН
СН2
СН2
СООН
Янтарная к-та
8.
СООН НАД
НАДН2 СООН
СНОН
С=О
СН2
СН2
СукцинатСООН малатдегидСООН
дегидрогеназа
гидротаза
рогеназа
фумаровая к-та
L-яблочная к-та
оксалоацетам
ФАД
ФАДН2
СООН
Н2О
СН
СН
СООН Фумарат-
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
СН3СОСООН + СО2 + Н2О
Наиболее
Биотин
распространенным
АДФ
НООС-СО-СН2-СООН + Н3РО4
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.
12
СН2-СООН
СН-СООН
СН2-СООН
НО-СН-СООН
Изоцитрат
+ СНО
СН2-СООН
СООН
сукцинат
глиоксалат
НS-КоА
СНО
в ЦТК
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.
13