Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут хімії та хімічних технологій

Кафедра технології біологічно активних сполук, фармації та біотехнології

Курсова робота

на тему: “Дихання. Неповні окиснення”

Виконала:

студентка групи БТ-31

Коханюк Богдана

Прийняла:

доц. Червецова В.Г.

Львів 2013

Аеробне дихання

На відміну від анаеробних процесів, в аеробних реакціях катаболізму піруват окиснюється до кінцевих продуктів - СО2 і Н2О, що супроводжується вивільненням значно більшої енергії.

У аеробів піруват перетворюється в двовуглецеву сполуку - ацетил-КоА під дією піруватдегідрогеназного комплексу:

Кофермент А відноситься до групи мононуклеотидів, його будова:

Піруватдегідрогеназний комплекс локалізований в мітохондріях еукаріот або в цитоплазмі прокаріот. Він досить складний, складається з 3-х різних ферментів. аеробна аденозинтрифосфат окиснення

На наступній стадії клітинного дихання ацильні групи включаються в ЦТК (цикл три карбонових кислот, цикл лимонної кислоти, цикл Кребса), в результаті якого утворюється СО2 і атоми водню.

ЦТК в клітині має 2 функції:

1) Це досконалий клітинний «котел», в якому здійснюється повне окиснння органічного субстрату і відщеплення водню;

2) ЦТК постачає клітині ряд попередників для біосинтетичних процесів.

Рис.1 Цикл три карбонових кислот

Енергетичним «паливом» для ЦТК служать не тільки вуглеводи, а й жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетил-КоА), амінокислоти (після видалення аміногрупи).

В результаті утворюється 2 молекули СО2

3 молекули НАДН2

1 молекула ФАДН2

Весь водень знаходиться на певних переносниках, тепер потрібно його передати через інші переносники на молекулярний кисень. 4 пари електронів від цих водневих атомів поступають в дихальний ланцюг і забезпечують синтез АТФ у реакціях окисного фосфорилювання.

Аконітаза перетворює лимонну кислоту в ізолимонну, яка не відокремлюється від активного центра ферменту, б-кетоглутаратдегідрогеназа каталізує реакції, аналогічні піруватдегідрогеназі, містить 3 ферменти та пов'язані з ними кофактори: ТПФ, КоА, НАД, ФАД. Деякі інтермедіати ЦТК (б-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат) можуть бути використані як попередники амінокислот, що порушило би циклічність. Існують спеціальні анаплеротичні реакції, які забезпечують поповнення пулу попередників ЦТК (гліоксилатний шунт).

Дихальний ланцюг

В той час як більшість анаеробних організмів здатні синтезувати АТФ тільки шляхом субстратного фосфорилювання, аероби здійснюють більш ефективну регенерацію АТФ. Вони мають спеціальний апарат - дихальний ланцюг і фермент АТФ-синтетазу.

Ці системи у прокаріот знаходяться в плазматичній мембрані, а у еукаріот- на внутрішній мембрані мітохондрій. Електрони з відновлених переносників (НАДН2, НАДФН2, ФАДН2) поступають в дихальний ланцюг, де проходять через ряд етапів, опускаються поступово на більш низькі енергетичні рівні і акцептуються сполуками - кінцевими акцепторами електронів (О2 та інші). Перенос електронів призводить до суттєвої зміни вільної енергії в системі. Ця вільна енергія переводиться у біологічну форму, тобто АТФ.

Компонентами дихального ланцюга є переносники білкової або небілкової (хінони) природи з різноманітними простетичними групами, здатними приєднувати і віддавати електрони або протони. Вони занурені у подвійний ліпідний шар.

До найважливіших належать:

1. Флавопротеїни - ферменти, які в якості простетичних груп мають ФМН або ФАД. Переносять Н+.

2. Залізосірковмісні білки (Fe-S-білки). Містять атоми Fe, зв'язані з неорганічною сульфідною сіркою і сіркою цистеїну. Залізо змінює свою валентність Fe (II)>Fe (III). Переносять електрони.

- неорганічна кислотолабільна сірка

3. Хінони. Переносять водень і жиророзчинні сполуки. Убіхінон у грамнегативних, нафтохінон у грампозитивних.

4. Цитохроми - приймають участь на заключному етапі ланцюга переносу електронів. Являють собою групу білків, які містять залізопорфіринові простетичні групи (геми). Переносять тільки електрони.

Fe2+ Fe3+ + e?

В мітохондріях еукаріот виявлено 5 цитохромів: b, c, c1, a, a3. Цитохроми забарвлені і відрізняються спектрами поглинання і окисно-відновними потенціалами.

Найбільш поширеним та еволюційно найдавнішим цитохромом, знайденим у всіх організмах з дихальним ланцюгом є цитохром с. Кінцеві цитохроми (а+а3) передають електрони на молекулярний кисень, являють собою власне цитохромоксидазу, в реакційному центрі якої, крім двох гемів, містяться 2 атоми міді. Цитохромоксидаза переносить на О2 4 електрона.

О2 + 4Fe2+ > 2O2 - + 4Fe3+

Якщо переноситься тільки 2 електрона, то утворюється перекис водню, який потім руйнується каталазою або пероксидазою.

Дихальний ланцюг включає не менше 15 різноманітних переносників, розташованих у певній послідовності.

Компоненти дихального ланцюга мають свої значення окисно-відновних потенціалів.

Виявлені інгібітори, які специфічно діють на певні ділянки дихального ланцюга (червоним на малюнку).

Топографія компонентів дихального ланцюга:

Основне призначення ЛПЕ - запасання енергії, яка звільнюється в процесі електронного переносу шляхом трансформування її в хімічну енергію фосфатних зв'язків.

Протони при електронному транспорті переносяться через мембрану в одному напрямі, і утворюють градієнт концентрації Н+ по обидві сторони мембрани. Перенос протонів та електронів забезпечується розташуванням переносників, а також тим фактом, що мембрана для протонів непроникна.

В мітохондріях на 3-х ділянках окиснювального ланцюга відбувається виділення протонів у зовнішнє середовище (про це свідчить підкислення середовища у дослідах на ізольованих мітохондріях). Відповідно 3 реакції ведуть до утворення ?µН+. Перша локалізована на початку дихального ланцюга і пов'язана з функціонуванням НАД(Ф)·Н2-дегідрогенази. Другий генератор ?µН+ визначається здатністю убіхінона переносити водень. Останній локалізований в кінці дихального ланцюга і пов'язаний з активністю цитохромоксидази.

Виведені назовні протони повертаються в середину бактеріальної клітини (або в мітохондріальний матрикс еукаріот) за градієнтом концентрації через спеціальні канали-пори в молекулі АТФ-синтетази, а вільна енергія, що при цьому виділяється, використовується для синтезу АТФ.

Транспортування кожної пари електронів по ЛПЕ від НАДН2 до О2 супроводжується синтезом 3-х молекул АТФ у трьох точках спряження окиснення і фосфорилювання. Всього ж при повному окисненні глюкози, враховуючи енергетичний вихід гліколізу, окисненні пірувату та ЦТК утворюється 38 молекул АТФ.

Неповні окиснення

Більшість аеробних організмів окиснює органічні речовини в процесі дихання до СО2 і Н2О. Оскільки в молекулі СО2 досягається найвищий ступінь окиснення вуглецю, то в такому випадку говорять про повне окиснення. При неповному окисненні в якості продуктів обміну виділяються частково окиснені органічні сполуки.

Кінцевими продуктами «неповних окиснень» можуть бути кислоти: оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна та ряд інших сполук. Оскільки ці продукти подібні до продуктів, що утворюються в результаті бродіння, то неповні окиснення називають іноді «окисним бродінням» або «аеробною ферментацією». Слова «бродіння» і «ферментація» в даному випадку відображають швидше технологічний аспект.

Утворення оцтової кислоти

Оцет отримують із вина або водно-спиртової суміші. Основна проблема - аерація. Розрізняють 3 основних способи вирощування оцтовокислих бактерій:

- поверхневий

- фіксований (на носіях - виноградний жом, букові стружки)

- глибинний (посилена аерація)

Оцтовокислі бактерії - це грамнегативні рухомі палички, облігатні аероби, належать до родів Acetobacter, Gluconobacter: A. aceti, A. xylinum, G.oxydans, G. melanogenum. Вони здатні окиснювати етанол, гліцерол, глюкозу у відповідні кислоти (оцтову, гліцеринову, глюконову). Вторинні спирти окиснюються ними до кетонів, наприклад, сорбіт (сорбітол) до сорбози.

Таке окиснення є одним з етапів на шляху отримання аскорбінової кислоти з глюкози. D-сорбітол можна отримати шляхом електролітичного відновлення D-глюкози.

Інші органічні кислоти (глюконова, фумарова, лимонна, щавлева) можна синтезувати із проміжних продуктів ЦТК грибами родів Mucor, Aspergillus, Rhizopus, а також дріжджами роду Candida.

Добре вивчений і налагоджений промисловий випуск лимонної кислоти культурою гриба Aspergillus niger (lim Fe ^вихід).

Щавлева кислота утворюється в результаті гідролізу щавлевооцтової кислоти під дією оксалоацетатгідролази:

Її утворенню сприяє лужний рН середовища.

Глюконова кислота є продуктом ферментативного окиснення глюкози грибною глюкозооксидазою. Глюконолактон, який при цьому утворюється, за допомогою глюконолактонази (або не ферментативним шляхом) перетворюється в глюконову кислоту.

Відновлена глюкооксидаза переносить водень на кисень повітря з утворенням перекису водню, який під дією каталази може розщеплюватись на воду і кисень.

Попередником ітаконової кислоти є цис-аконітова кислота. Під час декарбоксилювання подвійний зв'язок переміщується з положення 2,3 у положення 3,4:

Окиснення одновуглецевих сполук

Серед великої різноманітності мікроорганізмів, які отримують енергію в процесі аеробного дихання, особливу фізіологічну групу складають метилотрофи, здатні окиснювати одновуглецеві субстрати (метан, метанол, форміат, метиламіни). Вони не здатні використовувати вуглеводи з довгим ланцюгом.

До метилотрофних мікроорганізмів належать:

1) бактерії: архебактерії

еубактерії (Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus)

фотосинтезуючі бактерії

2) дріжджі: Pichia, Candida, Hansenula, Rhodotorula, Torulopsis

3) міцеліальні гриби: Gliocladium, Paecilomyces, Penicillum, Trichoderma.

Прокаріотичні метилотрофи поділяють на 2 фізіологічні групи:

- облігатні: використовують лише С1-субстрати, як правило, метан

- факультативні: ростуть на середовищах із іншими субстратами, але не на метані

Реакції засвоєння метану протікають через такі послідовні стадії:

На першому етапі відбувається окиснення метану СН4 до метилового спирту СН3ОН ферментом метанмонооксидазою, причому цей процес пов'язаний з використанням лише одного атома кисню, тоді як другий відновлюється до води.

Метанол СН3ОН до формальдегіду НСОН бактерії окиснюють за допомогою метанолдегідрогенази. Електрони від цього окиснення направляються в ЛПЕ для синтезу АТФ.

Синтез клітинних сполук (асиміляція) здійснюється із формальдегіду - високо реакційної та токсичної сполуки. Саме тому ферменти його утворення та асиміляції локалізовані поза цитоплазмою. Бактеріальна метанолдегідрогеназа прикріплена ззовні до периплазматичної мембрани. У дріжджів ферменти катаболізму метанолу локалізовані у спеціальних органелах- пероксисомах.

Метилотрофні бактерії реалізують 3 циклічні шляхи асиміляції одновуглецевих субстратів: сериновий, рибулозомонофосфатний та рибулозодифосфатний:

1) з формальдегіду і гліцину утворюється серин > фосфоенолпіруват

2) формальдегід + рибулозо-5-фосфат > гексулозодифосфат

Біолюмінесценція

Серед бактерій поширене явище світіння - біолюмінесценція. Світіння є окиснювальним процесом, який зумовлюється ферментом люциферазою. Більшість люмінесцентних бактерій належить до родів Vibrio, Photobacterium, Alteromonas, Beneckia. Вони переважно є галофільними грамнегативними факультативними анаеробами. За типом живлення - хемоорганогетеротрофи. Бувають різної форми - коки, палички, прямі і зігнуті. Більшу частину бактерій виділено з морської води. Вони також зустрічаються у тілі і м'язах дрібних ракоподібних планктонних організмів. У деяких риб є спеціальні органи для фотобактерій-симбіонтів.

Світіння відбувається лише у присутності кисню, пов'язане з окисними реакціями, які супроводжуються не синтезом АТФ, а виділенням (емісією) синьо-зеленого світла (470-500 нм).

Бактеріальна люцифераза складається з двох різних субодиниць - б і в, б-субодиниця виконує каталітичну функцію, в-субодиниця - регуляторну.

Джерелом енергії для світіння є реакція перетворення альдегіду з довгим вуглецевим ланцюгом до відповідної жирної кислоти за участю відновленого флавінмононуклеотиду.

(ФМН) * Н2 + О2 + R - COH > ФМН + Н2O + R - COOH + hх

Нітратне дихання

Для багатьох прокаріотів кінцевим акцептором електронів при анаеробному диханні є нітрати. Ці бактерії називаються денітрифікуючими, а нітратне дихання - дисиміляційною нітратредукцією або денітрифікацією.

Денітрифікуючі бактерії - хемоорганогетеротрофи. В анаеробних умовах вони здійснюють окиснення органічних субстратів звичайним каталітичним шляхом (гліколіз, ЦТК - в аеробів, бродіння - в анаеробів), при цьому Н+ та електрони поступають на дихальний ланцюг.

Як кінцевий акцептор водню ці бактерії використовують нітрати, які відновлюються через нітрити до молекулярного азоту:

NO3- > NO2- > N2 (або N2O)

Нітратредуктаза А нітритредуктаза

Процес нітратного дихання каталізують 2 мембранзв'язні ферменти - нітратредуктаза А і нітритредуктаза. Обидва індукуються лише в анаеробних умовах (для більшості денітрифікаторів потрібна наявність NO3- в середовищі, для деяких не потрібна). Серед денітрифікуючих бактерій є такі, що використовують як кінцевий акцептор водню не лише нітрати, але й нітрити та закис азоту.

До денітрифікаторів відносять:

Pseudomonas aeruginosa

P. fluorescens

Paracoccus denitrificans

Bacillus licheniformis

Thiobacillus denitrificans

Розвиток денітрифікуючих бактерій у ґрунті приводить до пониження вмісту доступних для рослин форм азоту. Оранка ґрунту сприяє створенню аеробних умов і пригніченню денітрифікації (репресія синтезу нітрит- і нітратредуктази). Проте це єдиний процес, в якому зв'язаний N перетворюється в молекулярний N2.

Крім дисиміляційної нітрат редукції бактерії використовують нітрат для синтезу азотовмісних компонентів клітини. Цьому передує відновлення нітрату до амоніаку.

NO3- > NO2- > HNO > NH2OH > NH3

нітратредуктаза В нітритредуктаза > складний фермент, містить атоми Fe,

v проміжні продукти не вивільняються

міститься в цитоплазмі, індукується нітратом як єдиним джерелом N в середовищі

Процес отримав назву асиміляційна нітратредукція і здійснюється бактеріями як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Відновлення нітрату при асиміляційній нітратредукції каталізує фермент нітратредуктаза В, яка знаходиться в цитоплазмі та індукується тільки тоді, коли єдиним джерелом азоту є нітрат. Завершується відновний процес за участю нітритредуктази.

Деякі ентеробактерії (enteron - кишечник) (роди Enterobacter, Escherichia) здатні відновлювати нітрат тільки до нітриту, і тільки ця ланка спряжена з переносом електронів і одержанням енергії. Нітрит далі може відновлюватись до NH3+ в реакціях асиміляційної нітратредукції з виділенням в середовище NH4+. Процес одержав назву амоніфікація нітрату.

Споживання багатих нітратами продуктів або води приводить до відновлення їх мікрофлорою кишечника. При цьому нітрит, що потрапив у кров, спричиняє утворення метгемоглобіну. В результаті еритроцити втрачають здатність транспортувати О2.

Сульфатне дихання

Сульфатне дихання (дисиміляційна сульфатредукція) здійснюється у бактерій виключно в анаеробних умовах

SO42- + 8[H+] > H2S + 2H2O + 2OH- або

4H2 + SO42- > S2- + 4H2O

Цей процес спряжений з утворенням АТФ в реакціях окисного фосфорилювання на ЛПЕ.

Багато мікроорганізмів здатні утилізувати сульфати в асиміляційних процесах, зокрема синтезах сірковмісних метаболітів. Відновлення сульфатів до сульфідів здійснюється в реакціях асиміляційної сульфатредукції. Обидва процеси - дисиміляційна і асиміляційна сульфатредукція - проходять через стадію утворення сульфіту.

Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Desulfosarcina, які заселяють різні екологічні ніші (грунти, водойми, рубець жуйних). Сульфатредукуючі бактерії є облігатними анаеробами. Донорами водню для них служать прості низькомолекулярні сполуки, які утворилися при анаеробному розкладі біомаси, в основному целюлози: лактат, ацетат, пропіонат, бутират, форміат, етанол, вищі жирні кислоти, молекулярний водень.

Асиміляційна сульфатредукція призводить до утворення H2S. Різниця:

1) більш поширена;

2) відновлена сірка йде на біосинтетичні процеси;

3) перший етап подібний, при асиміляційній сульфатредукції йде ще одна реакція активації активованого (АТФ) сульфату.

Як акцептор водню деякі бактерії можуть використовувати елементарну сірку, відновлюючи її до H2S у процесах окиснення органічних субстратів (сірчане дихання).

В наш час добре вивчений Desulfuromonas acetoxidans. Цю бактерію, яка пересувається за допомогою латерально розташованого джгутика, можна виділити з морської води і отримати нагромаджувальну культуру на середовищі, що містить мінеральні солі, ацетат і сірчаний цвіт (порошкоподібну сірку) при дотриманні анаеробних умов.

Сульфатредукувальні бактерії поширені в прибережних мулах, промислових стоках, багатих сульфатами. Саме за рахунок їх життєдіяльності тут нагромаджується сірководень. Його вміст різко зростає при підвищенні концентрації органічних речовин у стічних водах.

Сульфатредукувальні бактерії є причиною нагромадження значної кількості сірководню у Чорному морі.

За участю сульфатредукувальних бактерій утворені поклади сірки біогенного походження (Роздольське на Львівщині; Техас, Луізиана, Мексика). Анаеробна корозія заліза та будівельних матеріалів, що містять сульфати, також результат їх життєдіяльності. Отримати нагромаджувальні культури суьфатредукувальних бактерій можна, якщо додати в середовище лактат, сульфат, залізний цвях (скріпку) для створення низького окисно-відновного потенціалу (в результаті катодної поляризації, анаеробних умов), (Е0'= -200 мB).

Рис. 2 Отримання нагромаджу вальної культури сульфатредукувальних бактерій. Інокулянт - сірководневий мул

Карбонатне дихання

В клітинах деяких анаеробних бактерій кінцевим акцептором водню є СО2. До них належать метаногенні бактерії (Archaeobacteria).

Морфологічно вони є паличкоподібні (Methanobacterium), коки (Methanococcus), сарцини (Methanosarcina), спірили (Methanospirillum), неправильної форми (Methanococсeoides). Вони мешкають (зустрічаються) на площах, зайнятих тундрою і болотами (метан - болотний газ), рисові поля, осади на дні ставків і озер; лимани, марши, естуарії; відстійники очисних споруд, шлунки (рубці) жуйних тварин (більше ніж 109 куо/мл).

Метанутворюючі бактерії становлять останню ланку анаеробного харчового ланцюга. В ньому приймають участь:

1) бактерії, які зброджують целюлозу до сукцинату, пропіонату, бутирату, лактату, ацетату, спиртів, СО2, Н2;

2) ацетогенні бактерії, які зброджують вищеназвані продукти до ацетату, форміату, СО2, Н2;

3) метаногени, що використовують ці розчини в якості субстратів.

4Н2 + СО2 > СН4 + 2Н2О

За типом живлення метаногени є переважно гетеротрофами, хоча описані види, які використовують СО2 як єдине джерело вуглецю.

В різних місцях утворюється метан, відбувається також утворення оцтової кислоти. Підкислення середовища у відстійниках пов'язане з діяльністю бактерій, які перетворюють СО2 і Н2 в оцтову кислоту згідно рівнянню:

4Н2 + 2СО2 > СН3 - СООН + 2Н2О

Ацетогенні бактерії - це анаеробні хемолітоавтотрофи; грампозитивні палички

Clostridium aceticum

C. thermoaceticum

Acetobacter woodi.

Висновки

Мікроорганізми здатні здійснювати окиснення органічних сполук в анаеробних та аеробних умовах.

Найбільш оптимальний спосіб окиснення - цикл Кребса. Електрони із сполук метаболізму поступають в ланцюг переносу електронів, що дозволяє клітині запасати енергію у вигляді АТФ.

Мікроорганізми здатні здійснювати неповне окиснення органічних сполук, в результаті чого утворюються оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна, ітаконова кислоти.

Прикладом неповного окиснення є люмінесценція.

У випадку якщо кінцевим акцептором електронів є не кисень, а інші органічні сполуки, то розрізняють сульфатне, карбонатне, нітратне дихання.

Список літератури

1. Prescott L. M., Harley J. P., Klein D. A. Microbiology. Third edition. - Dubuque: WCB, 1996

2. Гудзь С. П., Гнатуш С. О., Білінська І. С. Мікробіологія: підручник. - Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2009

3. Інтернет-джерело:

http://uk.wikipedia.org/wiki/Цикл_трикарбонових_кислот

Размещено на Allbest.ru

...