Аэробное расщепление пировиноградной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот, цепь переноса электронов и окислительное фосфолирирование. Выход энергии при аэробном расщеплении углеводов.
Пируваты (соли пировиноградной кислоты) - важные химические соединения в биохимии. Они являются конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза. Одна молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями - аэробным и анаэробным. В условиях достаточного поступления кислорода пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А, являющийся основным субстратом для серии реакций, известных как цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот. Пируват также может быть превращён в анаплеротической реакции в оксалоацетат. Оксалоацетат затем окисляется до углекислого газа и воды.
Цикл трикарбоновых кислот. За один оборот цикла из ацетил-КоА образуется 2 молекулы углекислоты, 8 восстановительных эквивалентов и 1 АТФ. Коферменты в этом случае передают водород в электротранспортную цепь (ЭТЦ), где и происходит синтез АТФ. Цикл трикарбоновых кислот выполняет функцию не только конечного окисления питательных веществ, но и обеспечивает организм многочисленными предшественниками для процессов биосинтеза.
Цепь переноса электронов - ряд ферментов и белков, присутствующих в живых клетках, по которым передаются электроны. Цепь включает по меньшей мере пять переносчиков. В конце цепи водород соединяется с молекулярным кислородом и образует воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. В конечном итоге это приводит к преобразованию химической энергии в легко доступную форму, которая может накапливаться в живом организме (в форме АТФ). Самой важной цепью передачи электронов является дыхательная цепь, присутствующая в митохондриях и участвующая в процессе клеточного дыхания.
НАД - ФП - FeS - кофермент Q - цитохромы - O2
НАД - никотинамидадениндинуклеотид, ФП - флавопротеины, FeS - железосерные белки, цитохромы b, ci, с, а и а3 представляют собой белки, к которым присоединены молекулы гема железо-порфирина.
Эта цепь называется цепью переноса электронов, т.к. протоны движутся вдоль мембраны, происходит окисление и одновременное образование АТФ.
При аэробном дыхании конечным акцептором является кислород, получается существенный выигрыш энергии по сравнению с анаэробным типом дыхания. В энергетическом отношении наиболее выгодно аэробное дыхание, поскольку при аэробном типе окисления глюкозы высвобождается 674 кал. Аэробные микроорганизмы осуществляют окисление белков, жиров, углеводов и др, сложных органических соединений, до аммиака, воды и углекислого газа, тем самым получают необходимую энергию. Аэробы могут расти и развиваться только лишь при наличии свободного кислорода. Примерами являются: Bacillus, Nocardia, Spirillum, Pseudomonas.
Анаэробное дыхание – это биохимический процесс окисления органических субстратов с использованием в качестве конечного акцептора электронов вместо кислорода других окислителей органической или неорганической природы. Анаэробы получают необходимую энергию расщеплением сложной молекулы органического вещества на более простые. При этом выделяется гораздо меньше энергии, чем при кислородном дыхании. Анаэробное дыхание служит основой жизнедеятельности бактерий, дрожжей, плесневых грибов. Итак анаэробы развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие которого угнетает их жизнедеятельность. Выделяют три вида анаэробного дыхания: 1)Анаэробное нитратное дыхание – восстановление нитратов или нитритов до молекулярного азота. 2)Анаэробное сульфатное дыхание – восстановление сульфатов до сероводорода. 3)Брожение – расщепление органических углеродосодержащих соединений.
Аэробное дыхание - это окислительный процесс, в ходе которого расходуется кислород . При дыхании субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с высоким выходом энергии. Важнейшими субстратами для дыхания служат углеводы. Кроме того, при дыхании могут расходоваться жиры и белки.
Аэробное дыхание включает два основных этапа:
- бескислородный , в процессе которого происходит постепенное расщепление субстрата с высвобождением атомов водорода и связыванием с коферментами (переносчиками типа НАД и ФАД);
- кислородный , в ходе которого происходит дальнейшее отщепление атомов водорода от производных дыхательного субстрата и постепенное окисление атомов водорода в результате переноса их электронов на кислород.
На первом этапе вначале высокомолекулярные органические вещества (полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.) под действием ферментов расщепляются на более простые соединения (глюкозу, высшие карбоновые кислоты, глицерол, аминокислоты, нуклеотиды и т. п). Этот процесс происходит в цитоплазме клеток и сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла. Далее происходит ферментативное расщепление простых органических соединений.
Примером такого процесса является гликолиз - многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы. В реакциях гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (C 6) расщепляется на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (C 3). При этом образуются две молекулы АТФ, и выделяются атомы водорода. Последние присоединяются к переносчику НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), который переходит в свою восстановленную форму НАД ∙ H + H + . НАД - кофермент, близкий по своей структуре к НАДФ. Оба они представляют собой производные никотиновой кислоты - одного из витаминов группы В. Молекулы обоих коферментов электроположительны (у них отсутствует один электрон) и могут играть роль переносчика как электронов, так и атомов водорода. Когда акцептируется пара атомов водорода, один из атомов диссоциирует на протон и электрон:
H → H + + e - ,
а второй присоединяется к НАД или НАДФ целиком:
НАД + + H + → НАД ∙ H + Н + .
Свободный протон позднее используется для обратного окисления кофермента.
Суммарно реакция гликолиза имеет вид:
C 6 H 12 O 6 + 2АДФ + 2Н 3 РO 4 + 2НАД + → 2C 3 H 4 O 3 + 2АТФ + 2НАД ∙ H + H + + 2Н 2 O.
Продукт гликолиза - пировиноградная кислота (C 3 H 4 O 3) - заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Здесь происходит полное окисление пировиноградной кислоты до CO 2 и H 2 O. Этот процесс можно разделить на три основные стадии:
- окислительное декарбоксилирование пировинофадной кислоты;
- цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);
- заключительная стадия окисления - электронтранспортная цепь.
На первой стадии пировиноградная кислота взаимодействует с веществом, которое называют коферментом А (сокращенно его обозначают КоА), в результате чего образуется адетилкофермент А с высокоэнергетической связью. При этом от молекулы пировиноградной кислоты отщепляется молекула CO 2 (первая) и атомы водорода, которые запасаются в форме НАД ∙ H + H + .
Вторая стадия - цикл Кребса (названный так в честь открывшего его английского ученого Ганса Кребса).
В цикл Кребса вступает ацетил-КоА, образованный на предыдущей стадии. Ацетил-КоА взаимодействует со щавелево-уксусной кислотой (четырехутлеродное соединение), в результате образуется шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее превращение идет через образование ряда органических кислот, в результате чего ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул CO 2 . При декарбоксилировании для окисления атомов углерода до CO 2 используется кислород, отщепляемый от молекул воды. В конце цикла щавелево-уксусная кислота регенерируется в прежнем виде. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. В процессе цикла используются три молекулы воды, выделяются две молекулы СO 2 и четыре пары атомов водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД - флавина-дениндинуклеотид и НАД). Суммарно реакция цикла может быть выражена следующим уравнением:
ацетил-КоА + ЗH 2 O + ЗНАД + + ФАД + АДФ + H 3 PO 4 → КоА + 2CO 2 + ЗНАД ∙ H + H + + ФАД ∙ H 2 + АТФ.
Таким образом, в результате распада одной молекулы пировиноградной кислоты в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК и цикла Кребса) выделяется ЗCO 2 , 4НАД ∙ H + H + , ФАД ∙ H 2 .
Суммарно реакцию гликолиза, окислительного декарбоксилирования и цикла Кребса можно записать в следующем виде:
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 10НАД + + 2ФАД → 6CO 2 + 4АТФ + 10НАД ∙ H + H + + 2ФАД ∙ H 2 .
Третья стадия - электронтранспортная цепь.
Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до H 2 O с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это тогда, когда водород, отделившийся от НАД ∙ H 2 и ФАД ∙ H 2 , передается по цепи переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Пары атомов водорода 2H можно рассматривать как 2H + + 2e - . Именно в таком виде они и передаются по цепи переносчиков. Путь переноса водорода и электронов от одной молекулы переносчика к другой представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или атом водорода, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или атом водорода, восстанавливается. Движущей силой транспорта атомов водорода в дыхательной цели является разность потенциалов.
С помощью переносчиков ионы водорода H + переносятся с внутренней стороны мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство.
При переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану три раза, и этот процесс сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны шести протонов. На заключительном этапе электроны переносятся на внутреннюю сторону мембраны и акцептируются кислородом.
½O 2 + 2e - → O 2- .
В результате такого переноса ионов H + на внешнюю сторону мембраны митохондрий в перимитохондриальном пространстве создается повышенная концентрация их, т. е. возникает электрохимический градиент протонов (ΔμH +).
Протонный градиент представляет собой как бы резервуар свободной энергии. Эта энергия используется при обратном потоке протонов через мембрану для синтеза АТФ. В ряде случаев может наблюдаться непосредственное использование энергии протонного градиента (ΔμH +). Она может обеспечивать осмотическую работу и транспорт веществ через мембрану против градиента их концентрации, использоваться на механическую работу и др. Таким образом, клетка располагает двумя формами энергии - АТФ и ΔμH + . Первая форма - химическая. АТФ растворяется в воде и легко используется в водной фазе. Вторая (ΔμH +) - электрохимическая - неразрывно связана с мембранами. Эти две формы энергии могут переходить друг в друга. При образовании АТФ используется энергия ΔμH + , при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в виде ΔμH + .
Когда протонный градиент достигает определенной величины, ионы водорода из H + -резервуара движутся по специальным каналам в мембране, и их запас энергии используется для синтеза АТФ. В матриксе они соединяются с заряженными частичками O 2- , и образуется вода: 2H + + O 2- → H2O.
Процесс образования АТФ в результате переноса ионов H + через мембрану митохондрии получил название окислительного фосфорилирования . Он осуществляется при участии фермента АТФ-синтетазы. Молекулы АТФ-синтетазы располагаются в виде сферических гранул на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.
В результате расщепления двух молекул пировиноградной кислоты и переноса ионов водорода через мембрану по специальным каналам синтезируется в целом 36 молекул АТФ (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в результате переноса ионов H + через мембрану).
Следует обратить внимание на то, что ферментные системы ориентированы в митохондриях противоположно тому, как это имеет место в хлоропластах: в хлоропластах H + -резервуар находится с внутренней стороны внутренней мембраны, а в митохондриях - с ее наружной стороны; при фотосинтезе электроны движутся в основном от воды к переносчикам атомов водорода, при дыхании же переносчики водорода, передающие электроны в электронтранспортную цепь, находятся с внутренней стороны мембраны, а электроны в конечном счете включаются в образующиеся молекулы воды.
Кислородный этап, таким образом, дает энергии в 18 раз больше, чем ее запасается в результате гликолиза. Суммарное уравнение аэробного дыхания можно выразить следующим образом:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O + 38АДФ + З8H 3 PO 4 → 6CO 2 + 12H 2 O + 38АТФ.
Совершенно очевидно, что аэробное дыхание прекратится в отсутствие кислорода, поскольку именно кислород служит конечным акцептором водорода. Если клетки не получают достаточного количества кислорода, все переносчики водорода вскоре полностью насытятся и не смогут передавать его дальше. В результате основной источник энергии для образования АТФ окажется блокированным.
Дыхание - это окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ, при котором роль доноров водорода (электронов) играют органические или неорганические соединения, а акцепторами водорода (электронов) всегда служат неорганические соединения. Если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, то такой дыхательный процесс называется аэробным дыханием.
У некоторых микроорганизмов конечный акцептор электронов не молекулярный кислород, а неорганические соединения, такие как нитраты, сульфаты и карбонаты. При этом имеет место анаэробное дыхание.
Аэробное дыхание присуще многим микроорганизмам, они относятся к строгим аэробам. Однако среди этих организмов имеются факультативные анаэробы, которые могут расти и в присутствии и в отсутствии кислорода; они образуют АТФ путем брожения, а под действием молекулярного кислорода способ получения АТФ изменяется - вместо брожения начинает осуществляться дыхание.
К факультативным анаэробам относятся также микроорганизмы, у которых происходит анаэробное дыхание при использовании ими нитратов в качестве акцептора электронов. Микроорганизмы, осуществляющие анаэробное дыхание, при котором акцепторами электронов служат сульфаты и карбонаты, являются строгими анаэробами. Считают, что любые природные органические соединения микроорганизмы могут использовать в дыхательном процессе, однако степень окисления этих веществ должна быть меньше, чем степень окисления СО2.
Аэробное дыхание состоит из двух фаз. Первая фаза включает в себя серию реакций, благодаря которым органический субстрат окисляется до СO2, а освобождающиеся атомы водорода перемещаются к акцепторам. В этой фазе совершается цикл реакций, известный под названием цикла Кребса, или цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Вторая фаза представляет собой окисление освобождающихся атомов водорода кислородом с образованием АТФ. Обе фазы совместно ведут к окислению субстрата до СО2 и Н2О и образованию биологически полезной энергии (в виде АТФ и других соединений).
Кратко разберем цепь реакций при протекании цикла Кребса (рис. 22).
Первичный распад углевода здесь идет так же, как при брожении, но образовавшаяся пировиноградная кислота подвергается иным превращениям. При декарбоксилироваиии из нее образуется уксусный альдегид (или уксусная кислота), который соединяется с коферментом одного из окислительных ферментов - коферментом А (КоА-SH), образуя ацетилкофермент А. Под действием фермента цитратсинтетазы двууглеродный ацетил-КоА (СН 3СО-S-КоА) реагирует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, содержащей четыре атома углерода, в результате чего полулается соединение с шестью атомами углерода - лимонная кислота:
Лимонная кислота под влиянием фермента аконитазы теряет молекулу воды и превращается в цис-аконитовую кислоту, которая под действием того же фермента присоединяет Н2О и превращается в изолимонную кислоту.
При воздействии изоцитратдегидрогеназы, активной группой которой является НАДФ, от изолимонной кислоты отщепляются два атома водорода, в результате чего она превращается в щавелевоянтарную кислоту, от которой, в свою очередь, под действием фермента декарбоксилазы отщепляется углекислый газ (СО2). В образовавшейся б - кетоглутаровой кислоте число атомов углерода становится равным пяти, б - кетоглутаровая кислота под влиянием ферментного комплекса б - кетоглутаратдегидрогеназы с активной группой НАД превращается в янтарную, теряя СО2 и два атома водорода. Затем следуют реакции окисления янтарной кислоты в фумаровую с помощью фермента сукцинатдегидрогеназы с активной группой ФАД, превращения фумаровой кислоты в яблочную при участии фумаратгидратазы (фумаразы) и окисления яблочной в щавелевоуксусную кислоту, катализируемого малатдегидрогеназой с активной группой НАД.
Эти превращения сопровождаются отщеплением двух пар атомов водорода. Щавелевоуксусная кислота взаимодействует с коферментом А, и цикл повторяется снова. Каждая из десяти реакций цикла трикарбоновых кислот (за исключением одной) легкообратима. Углеродные атомы ацетил-КоА освобождаются в виде двух молекул СО2. В реакциях ферментативного дегидрирования атомы водорода удаляются четырьмя разными дегидрогеназами. В трех из этих четырех реакций окисления атомы водорода присоединяются к НАД+ (или НАДФ+), и только в случае сукцинатдегидрогеназы они непосредственно переносятся на флавинадениидииуклеотид (ФАД). Кроме того, образуется одна молекула АТФ. В ходе описанных реакций в трансформируемые соединения может включаться вода. Ферменты ЦТК располагаются на внутренней стороне цитоплазматической мембраны или на мембранах мезосом микроорганизмов.
Суммарную реакцию цикла трикарбоновых кислот можно представить в виде следующего уравнения:
Отметим, что в цикле трикарбоновых кислот образуется также ряд промежуточных продуктов, играющих роль предшественников для реакции биосинтеза макромолекул микробной клетки. Поэтому большинство ферментов цикла Кребса имеется и у облигатных анаэробов (последние не имеют только фермента, катализирующего трансформацию б - кетоглутаровой кислоты в янтарную). В цикл Кребса вовлекаются и продукты катаболизма жирных кислот и некоторых аминокислот.
Следовательно, цикл трикарбоновых кислот имеет большое значение не только для дыхания, но и для биосинтеза. Это один из центральных механизмов, с помощью которого все источники углерода используются для синтеза необходимых для жизни микроорганизмов соединений. Собственно, в этом и заключается смысл цикла Кребса, дающего вещества, легко превращающиеся в аминокислоты, белки, жиры, углеводы и т. д., которые затем становятся частью структуры клетки.
У некоторых микроорганизмов, усваивающих простые источники углерода, например уксусную кислоту, имеется модифицированная форма ЦТК, известная под названием глиоксилатного цикла (открыт Корнбергом и Кребсом в 1957 г.).
При всех реакциях дегидрирования в цикле Кребса атомы водорода, отщепляемые специфическими дегидрогеназами, акцептируются коферментами НАД и НАДФ и затем переносятся по цепи переносчиков. Однако фактически происходит перенос не атомов водорода, а только электронов. Ядра атомов водорода, по-видимому, свободно перемещаются по растворителю в виде протонов. По этой причине цепь переносчиков часто называют цепью переноса электронов, или дыхательной цепью. Цепь переноса электронов содержит переносчики - молекулы трех различных групп, представляющие собой окислительно - восстановительные ферменты, такие как флавопротеиды, хиноны и цитохромы.
Флавопротеиды содержат в качестве простетических групп флавинадениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН); они передают электроны от восстановленных пиридиновых нуклеотидов к последующим переносчикам дыхательной цепи. Хиноны (наиболее распространен убихинон или кофермент Q) представляют собой небелковые переносчики с небольшой молекулярной массой. Они являются промежуточными компонентами между флавопротеидами и цитохромами. Цитохромы содержат железопорфириновые простетические группы и напоминают гемоглобин и миоглобин. При переносе электронов цитохромами происходит обратимое окисление атома железа:
Электроны, отнятые от органического субстрата, переносятся последовательно через промежуточные переносчики - флавопротеид, убихинон (кофермент Q) и цитохромы, пока последний переносчик в восстановленном состоянии не прореагирует с молекулярным кислородом. Последняя реакция катализируется ферментом цитохромоксидазой. В итоге такого необратимого конечного окисления вся цепь переносчиков электронов переходит в окисленное состояние, а молекулярный кислород восстанавливается до Н2О.
При переносе электронов на отдельных участках дыхательной цепи выделяется значительное количество свободной энергии. Для того чтобы использовать освобождающуюся свободную энергию, в микробной клетке имеется механизм, объединяющий в единый процесс выделение энергии и образование богатых энергией фосфатных связей (АТФ). Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.
Цепь переноса электронов при дыхании схематически изображена на рисунке 23.
Все аэробные и факультативно-анаэробные бактерии имеют дыхательную цепь, причем ферменты, катализирующие процессы переноса электронов в этой цепи и окислительного фосфорилирования, локализованы в цитоплазматической мембране и мезосомах.
Большинство анаэробных микроорганизмов не имеют цепи переноса электронов. Поэтому при наличии кислорода воздуха в среде происходит непосредственный транспорт водорода флавиновыми дегидрогеназами (ФАД) на кислород, что приводит к образованию перекиси водорода H2 O2 Перекись водорода чрезвычайно токсична и должна быть удалена, что могут осуществить два фермента - каталаза и супероксиддисмутаза, однако они у анаэробных бактерий отсутствуют. В связи с этим одна из причин токсического действия кислорода на анаэробные микроорганизмы заключается в образовании и аккумуляции перекиси водорода в их клетках в летальных дозах.
В результате окислительного фосфорилирования большая часть энергии пировиноградной кислоты становится доступной для микроорганизмов. Суммарно полное окисление глюкозы можно выразить следующим уравнением:
Рассмотрим выход энергии при дыхании. Определено, что полное окисление одного моля (180 г) глюкозы дает 38 молекул АТФ. Каждая связь АТФ равпа приблизительно 3,4 104 Дж, а 38 молекул АТФ дают 12,9-105 Дж. При сжигании одного моля глюкозы в калориметре выделяется в виде тепла около 28,8 * 105 Дж. Превращение глюкозы в клетках микроорганизмов в форму, пригодную для использования (АТФ), сопровождается выделением 12,9-105 Дж, или 44,1% всей энергии. Следовательно, более 50% энергии, заключенной в глюкозе, рассеивается в виде тепла.
Таким образом, дыхание - это процесс, при котором электроны переносятся от органических веществ на молекулярный кислород, то есть при дыхании роль акцептора электронов играет кислород.
В отличие от дыхания брожение - процесс, при котором отщепляемые от органического вещества электроны передаются на органические же соединения, то есть при брожении роль акцептора электронов играет обычно какое - нибудь органическое соединение, образующееся в ходе этого процесса. При брожении высвобождается лишь очень незначительная часть той химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из молекулы глюкозы при полном окислении ее до СО2 и Н2О. В этом легко убедиться, сравнив количество выделившейся свободной энергии при анаэробном расщеплении глюкозы до молочной кислоты и при окислении ее до СО2 и Н2О:
При сбраживании глюкозы продукты брожения, которые в анаэробных условиях уже не могут быть использованы микробной клеткой и потому выводятся из нее, все еще содержат значительную часть той энергии, которая была заключена в молекуле глюкозы. Поэтому для получения того же количества энергии микроорганизмам, находящимся в анаэробных условиях, приходится расходовать гораздо больше глюкозы, чем микроорганизмам, живущим в условиях аэробиоза.
Как было указано выше, хемолитоавтотрофные бактерии получают свою энергию в результате окисления неорганических соединений - Н2, NH4+ , N02--, Fe2+, H2S, S°, SO32-, S203- 7 , CO.
У этих бактерий метаболизм родствен метаболизму хемоорганогетеротрофных организмов, но они обладают дополнительной способностью получать энергию за счет окисления того или иного неорганического соединения. В большинстве случаев эти бактерии имеют цепь переноса электронов, которая во многих отношениях сходна с соответствующей системой других аэробных микроорганизмов. Перенос электронов по этой цепи приводит к образованию АТФ.
Неполное окисление органических соединений . Дыхание обычно связано с полным окислением органического субстрата. Другими словами, конечными продуктами распада, например, углеводов являются только СО2 и Н20.
Некоторые бактерии, в частности представители рода Pseudomonas и ряд грибов, не полностью окисляют углеводы. При этом неполно окисленные органические соединения, такие как глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная, уксусная кислоты и другие аккумулируются в среде. Дыхание этих организмов иногда неправильно называют «аэробным», или «окислительным», брожением, в то время как неполное окисление имеет гораздо меньше общего с брожением, чем с обычным дыханием. Неполное окисление, например, протекает лишь в присутствии кислорода, а брожение кислорода не требует. С энергетической точки зрения неполное окисление - выгодный для микроорганизмов процесс.
Анаэробное дыхание . Некоторые микроорганизмы способны использовать для окисления органических или неорганических веществ не молекулярный, а связанный кислород окисленных соединений, например солей азотной, серной кислот, углекислоты которые превращаются при этом в более восстановленные соединения. Данные процессы идут в анаэробных условиях, и их называют анаэробным дыханием:
Следовательно, эти микроорганизмы в качестве конечного акцептора электронов используют не кислород, а неорганические соединения, такие как нитраты, сульфаты и карбонаты. Различия между аэробным и анаэробным дыханием заключаются в природе конечного акцептора электронов.
Свойство микроорганизмов переносить электроны на нитраты, сульфаты и карбонаты обеспечивает в достаточной степени полное окисление органического или неорганического вещества без использования молекулярного кислорода и обусловливает возможность получения ими большего количества энергии, чем при процессе брожения. При анаэробном дыхании выход энергии только на 10% ниже, чем при аэробном. Микроорганизмы, для которых характерно анаэробное дыхание, имеют набор ферментов цепи переноса электронов, но цитохромоксидаза заменяется нитратредуктазой (в случае использования нитратов) или аденилилсульфатредуктазой (в случае использования сульфатов).
Микроорганизмы, способные осуществлять анаэробное дыхание за счет нитратов, - факультативные анаэробы, они относятся главным образом к родам Pseudomonas и Bacillus. Микроорганизмы, использующие сульфаты в анаэробном дыхании, относятся к анаэробным и принадлежат к родам Desulfovibrio, Desulfomonas и Desulfotomaculum.
У микроорганизмов очень пластичный метаболизм. Анаэробное дыхание - это процесс, при котором конечным акцептором электроном являетсяне кислород, а другой органический или неорганический субстрат. Неполное окисление - еще один механизм - разновидность аэробного дыхания, но продукты сами по себе богаты энергией, поэтому энергетический выход неполного окисления меньше, чем при аэробном дыхании.Анаэробное дыхание. В процессе биохимической эволюции возник такой тип метаболизма, который позволил микроорганизмам переносить электрон в дыхательной цепи в безкислородных условиях. В результате такого безкислородного процесса обеспечивался синтез АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. Безусловно, что такое анаэробное дыхание позволяло извлекать энергии в гораздо большем объеме, чем при брожении. У анаэробно дышащих микроорганизмов существует ДЦ и ЦТК. В зависимости от природы конечного акцептора ДЦ различают следующие виды:
| Энергетический процесс | Конечный акцептор электронов | Продукты восстановления |
| Нитратное дыхание и денитрификация | NO3-, NO2- | NO2-, NO, N2O, N2 |
| Сульфатное и серное дыхание | SO42-, S0 | H2S |
| Карбонатное дыхание | CO2 | ацетат |
| Фумаратное дыхание | фумарат | сукцинат |
Фермент, который перебрасывает электрон (восстановительный эквивалент) на неорганический субстрат - редуктаза.
Нитратное дыхание. При нитратном дыхании 1 из продуктов - нитрит, который накапливается в культуральной жидкости, питьевой воде. Поступление нитритов в организм вызывает заболевание - цианоз. Ионы нитрита связываются с гемоглобином и препятствуют переносу кислорода.
Сульфатное дыхание. Осуществляется сульфатредуцирующими бактериями р. Desulfovibrio и Desulfotomaculum. Эти микроорганизмы - основная группа микроорганизмов, потребляющих Н2S, образуемый в природе и способствуют отложению суьфид минералов в природе. Накопление сероводорода в водоёмах отрицательно влияет на флору и фауну, приводит к их гибели.
Серное дыхание приводит к образованию сероводорода как конечного акцептора дыхательной цепи.
Карбонатное дыхание. Осуществляют архебактерии-метанообразующие. Акцептор электрона - СО2, а окисленный продукт Н2. В качестве супстрата используют навоз и получают биогаз и биоудобрения.
Железное дыхание. Осуществляют почвенные бактерии в анаэробной среде. Соли Fe3+ должны проникнуть внутрь клетки. У этих бактерий есть переносчики - сидерофоры, которые переводят железо в растворимую форму.
Фумаратное дыхание. Осуществляют хемоорганотрофные анаэробные бактурии. Фумарат восстанавливается до сукцината.
Неполное окисление
Неполное окисление - исключительно аэробный процесс, АТФ-окислительное фосфорилирование. Конечные продукты неполностью окислены, то есть сами по себе содержат достаточно большой запас энергии (фумаровая кислота, уксусная кислота) продукты напоминают брожение. Инода процесс называют окислительное брожение. Все микроорганизмы имеют полноценную дыхательную цепь и конечным акцептором является О2Усксусно-кислое брожение (неполное окисление). Осуществляют уксусно-кислые бактерии- Г-, неспороорбразующие палочки, подвижные за счет перетрихиально или полярно расположенных жгутиков. Есть неподвижные. Строгие (иногда факультативные) аэробы. Объединены в р.Acetomonas (Gluconobacter), Acetobacter. Все микроорганизмы нуждаются в сложных питательных средах, в определенных витаминах. В качестве исходного энергетическоо продукта используют спирты этиловый, глицерол, глюконовый). Переводят их в уксусную кислоту, глицериновую, глюконовую.
Процесс идёт в две стадии:
СН3 - СН2 - ОН + НАД+→СН3СНО+НАД∙Н2
СН3СНО+НАД+ +Н2О→СН3СООН+НАД∙Н2
Ацетомонас - 6 АТФ из 1 молекулы этилового спирта
Ацетобактер - 18 АТФ
Микроорганизмы рода ацетомонас накапливают уксусную кислоту в культуральной жидкости до тех пор, пока в среде есть спирт, который они окисляют. Как только спирт утилизируется полностью из среды, микроорганизмы используют уксусную кислоту как энергетический субстрат, включая ее в ЦТК, который у этих микроорганизмов функционирует полноценно. Процесс утилизации уксусной кислоты до СО2 и Н2О проходит по типу аэробного дыхания.
Хемолитотрофные микроорганизмы
В качестве источника энергии используют неорганические вещества. Известно групп Прокариот, которые окисляют 5 элементов: Н, S, N, Fe, C, Sb.Получеие энергии происходит в результате дыхания, так как конечный акцептор электронов в ДЦ является кислород, и лишь немногие могут получать энергию за счет анаэробного дыхания.
Так как всем необходим Карбон, то подавляющее большинство микроорганизмов-литотрофов являются хемолитотрофами, используют СО2 воздуха, который фиксируется в цепи Кальвина.
Имеют полноценную ДЦ. Разнообразность наблюдается на начальных участках энергетического метаболизма, так как для окисления неорганических соединений, связанных с получением энергии, необходима соответствующая ферментативная система. Используют в качестве доноров электронов неорганические соединения различного окислительно-восстановительного потенциала. Это определяет место включения электрона в ДЦ из окисляемого субстрата.
При окислении Н2 происходит восстановление НАД+ (первичного акцептора ДЦ), при окислении S, Fe, N, электрон сбрасывается на терминальный участок ДЦ на уровне цитохрома. То что электрон сбрасывается на цитохромы порождает 2 проблемы хемолитотрофных микроорганизмов:
Связана с тем, что получать незначительную порцию энергии в виде АТФ. Эта проблема решена за счет увеличения скорости окисления субстрата.
Включение электрона в терминальной части ДЦ не позволяет микроорганизмам получать восстановитель НАД∙Н2, который необходим для биосинтетических нужд. Эта проблема решена за счет обратного переноса электрона на НАД∙Н2 по ДЦ против электрохимического потенциала. Обратный перенос электрона сопровождается затратой АТФ. Энергия АТФ микроорганизмов используется на биосинтетические процессы, в том числе и на фиксацию СО2 в цикле Кальвина.
Многие женщины и мужчины имеют лишний вес, который необходимо скинуть в короткие сроки и с минимальным ущербом для собственного здоровья. Существует специальная методика, которая предполагает проведение физических упражнений для эффективного снижения веса.
Как правило, различают два основных метода дыхания, которые применяются при физических тренировках. Первая разновидность - это анаэробное дыхание, вторая - аэробное дыхание.
Следует отметить, что аэробное дыхание необходимо начинать на этапе разминки, чтобы подготовить организм для будущей нагрузки. Как правило, процесс начинается уже после первой половины часа занятий. У тех, кто занимается регулярно, жировая основа начинает «таять» уже после первых 10 минут физических упражнений.
Для начала проводите занятия примерно 2-3 раза в неделю. Этого будет вполне достаточно для постепенного привыкания организма и исключения возможной перегрузки. Постепенно увеличьте количество тренировок до 4-5 раз. Конечно же, на частоту занятий оказывает непосредственное влияние образ жизни и рабочий график. Но даже после утомительного трудового дня можно выделить полчаса на проведение элементарных упражнений в домашних условиях.
Перед началом занятий выберите для себя удобную одежду, от которой будет зависеть конечный результат. Конечно же, не должно быть никакой стесняющей движения одежды, давящих элементов (бретельки, тугие резинки, швы) и болтающихся краев. Одежда должно способствовать активности тела человека. Целесообразно подобрать энергичную музыку, под которую выполнять различные упражнения будет веселее и жизнерадостнее. Сочетание элементов аэробики и делает занятия более яркими и запоминающимися.
Первые сдвиги в борьбе с лишним весом и жировыми отложениями можно заметить уже после первых занятий. Также повышает эффект физических нагрузок дополнительный курс массажа, сбалансированное питание, водные процедуры, нанесение специальных средств для придания коже гладкости и упругости и т.д.