Общие представления о метаболизме микробных клеток. Катаболизм и анаболизм

Все живые организмы поддерживают свое существование за счет постоянного обмена веществ и энергии с окружающей средой. Эту основанную на химических реакциях деятельность называют мета­болизмом.

Под обменом веществ понимают процес­сы поглощения питательных субстратов, их преобразование в клетках и вы­деление продуктов обмена, к которым отно­сятся ненужные клетке метаболиты, а также факторы антагонизма, сигнальные вещества, ферменты и др. Таким образом клетки из чу­жих органических и неорганических ве­ществ строят свои, индивидуальные по структуре и функциям, соединения. Данные процессы принято подразделять на две ос­новные категории — составляющие метабо­лизма: катаболизм и анаболизм.

Под катаболизмом понимают все про­цессы, в которых происходит расщепление органических субстратов до простых 2-4 углеродных соединений, сопровождающееся выделением энергии и образованием восстановительных эквивалентов (атомов водоро­да, электронов, гидрид-ионов). Серии подоб­ных реакций поэтапного расщепления субст­ратов называются катаболическими путя­ми. Известно несколько характерных катаболических путей, в которых могут подвергать­ся окислению полисахариды, липиды, белки. Все эти процессы имеют общую стратегию: сложные, полимерные молекулы расщепля­ются до более простых, мономерных (моно­сахариды, жирные кислоты, глицерол, ами­нокислоты), которые затем подвергаются поэтапным химическим превращениям, включающим реакции окисления. В ходе окисления и выделяются восстановительные эквиваленты и энергия. В результате продук­ты катаболических путей (ацетил-СоА, пируват) имеют большую степень окисленности, чем исходные субстраты. Данные вещества могут подвергаться дальнейшему окислению до С0₂ и воды в цикле трикарбоновых кис­лот (ЦТК), вступать в реакции брожения или служить субстратами для биосинтеза собст­венных клеточных соединений.

Анаболизмом называют реакции био­синтеза. Различают: конструктивный (поддержание жизнедеятельности), продуктивный (нехватка чего-либо), пластический (доступное питание, выполнение основных стратегий, размножение). В ходе анаболизма организмы стро­ят характерные для каждого из них вещест­ва, из которых состоят сами клетки и кото­рые обеспечивают их функционирование. Анаболические реакции требуют притока энергии и восстановительных эквивалентов, поскольку продукты биосинтеза, как прави­ло, характеризуются меньшей степенью окисленности, чем исходные субстраты.

Перечисленные превращения сопровож­даются переносом восстановительных экви­валентов и перераспределением энергии между молекулами (энергетический обмен). Центральное значение в данном процессе играет аденозинтрифосфат (АТР) — универ­сальный поставщик энергии для эндотерми­ческих реакций и процессов у всех живых организмов.

В каждой молекуле АТР содержится 2 богатые энергией (макроэргические) свя­зи, гидролиз которых с помощью специфи­ческих ферментов сопровождается выделе­нием большого количества энергии. Эту энергию клетка тратит на самые разные нуж­ды: синтез соединений, транспорт веществ через мембраны, поддержание осмотическо­го давления, работу двигательных органелл. За­дачей каждой микробной клетки является за­пасание энергии в виде химических связей АТР, то есть синтез АТР.

Превращения субстратов и энергии со­провождаются перено­сом восстановительных эквивалентов. Эту функцию осуществляет особая группа по­мощников ферментов — кофакторов, среди которых центральную роль играют никотинамидные (NAD, NADP) и флавиновые (FAD, FMN) переносчики. Эти вещества по­переменно пребывают в окисленной и вос­становленной форме, перенося электроны и водород.