Общие принципы биосинтеза
В основе конструктивного метаболизма лежит полимеризация. Из мелких строительных блоков (аминокислот, нуклеотидов, фосфатов сахаров, органических кислот) собираются крупные полимеры: белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Эти процессы идут с обязательным поглощением энергии.
Материал для биосинтеза бактерии берут прямо из путей энергетического метаболизма. В зависимости от степени ферментативной самостоятельности микроорганизмы делятся на две полярные группы:
- Прототрофы способны синтезировать абсолютно все компоненты клетки с нуля, имея в распоряжении лишь один источник углерода и энергии.
- Ауксотрофы в результате различных мутаций утратили способность вырабатывать определенные ферменты или вещества. Им необходимы готовые факторы роста из среды (витамины, аминокислоты, азотистые основания), без которых их размножение останавливается.
Биосинтез аминокислот и правильный фолдинг белков
Большинство бактерий умеют создавать все 20 протеиногенных аминокислот. Углеродные каркасы для них поставляют три базовых метаболических пути: гликолиз (фруктозодифосфатный путь), пентозофосфатный путь и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Ключевыми молекулами-предшественниками выступают пируват, кетоглутаровая кислота, оксалоацетат, фумарат, эритрозо-4-фосфат и рибозо-5-фосфат.
Азот включается в состав будущих аминокислот через реакции аминирования и переаминирования. При этом неорганические источники (нитраты, нитриты, молекулярный азот $N_2$) не могут использоваться напрямую — они сначала восстанавливаются до аммиака ($NH_3$).
После того как белок синтезировался на рибосоме, он представляет собой лишь линейную нить. Чтобы начать работать, он обязан приобрести правильную третичную структуру. За этот процесс (фолдинг) отвечают специальные молекулы — шапероны. Они выполняют три важнейшие задачи:
- Обеспечивают корректное складывание белковых цепей.
- Выполняют защитную функцию, предохраняя белки от деструкции (например, спасают фермент ДНК-полимеразу). При метаболических сбоях, тепловом шоке или действии токсинов количество шаперонов резко возрастает.
- Участвуют в транслокации (переносе) белковых молекул через клеточные мембраны.
Формирование нуклеотидов, липидов и углеводов
Биосинтез нуклеотидов Нуклеотиды выступают не только мономерами для синтеза ДНК и РНК. Они входят в состав многих коферментов и помогают активировать и переносить субстраты (сахара, липиды, аминокислоты) во время полимеризации. Рибозо-5-фосфат (пентозную часть) для их сборки дает пентозофосфатный путь. Углеродный скелет пиримидинов строится из аспартата (берется из ЦТК), а азот для оснований поставляют аминокислоты аспартат и глутамин.
Биосинтез жиров (липидов) Синтез жирных кислот опирается на ключевой интермедиат — ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА). Для создания фосфолипидов бактериям требуется глицерол-3-фосфат, который образуется путем восстановления диоксиацетилфосфата (продукта гликолиза). На финальном этапе глицерол-3-фосфат соединяется с остатками жирных кислот, образуя готовые мембранные липиды.
Биосинтез углеводов Синтез клеточных углеводов идет через глюконеогенез — клетка собирает глюкозу из пирувата за счет обратимых реакций ее распада. Поскольку некоторые реакции катаболизма строго необратимы, бактериям приходится использовать альтернативные метаболические пути (например, глиоксилатный цикл), чтобы обойти эти барьеры.
Чтобы легко запомнить особенности включения неорганического азота в макромолекулы у бактерий, запомните правило трех «А»: Азот включается через Аминирование строго после восстановления до Аммиака.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем главная разница между ауксотрофами и прототрофами?
Прототрофы полностью синтезируют все компоненты клетки из единственного источника углерода. Ауксотрофы же не способны синтезировать ряд веществ из-за мутаций, поэтому требуют добавления готовых факторов роста в питательную среду.
Откуда бактерии берут молекулярные «каркасы» для аминокислот?
Углеродные скелеты заимствуются из промежуточных продуктов трех путей энергетического обмена: гликолиза, пентозофосфатного пути и цикла трикарбоновых кислот.
Зачем нужны шапероны в нормальных условиях и при стрессе?
Они обеспечивают правильный фолдинг (сворачивание в третичную структуру) синтезируемых белков и их транспорт через мембраны. При стрессах (тепловой шок, токсины) их число резко растет для защиты белков от денатурации.
Как бактерии обходят необратимые реакции при синтезе глюкозы?
Для глюконеогенеза (синтеза глюкозы из пирувата) бактерии используют альтернативные обходные метаболические пути, ярким примером которых является глиоксилатный цикл.
Что ещё разобрать по теме
- Фруктозодифосфатный путь (гликолиз) как поставщик предшественников
- Роль пентозофосфатного пути в метаболизме микроорганизмов
- Цикл трикарбоновых кислот у прокариот
- Глиоксилатный цикл и обход необратимых реакций катаболизма
- Механизмы восстановления молекулярного азота до аммиака
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Конструктивный метаболизм бактерий» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Физиология микробов»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.