Expresión de descomposición microbiana
Los microorganismos, al igual que otros organismos, están vivos y el metabolismo recorre sus actividades vitales. El metabolismo incluye el anabolismo (asimilación) y el catabolismo (disimilación). Las células microbianas están en contacto directo con el entorno vivo. Los microorganismos absorben constantemente los nutrientes apropiados del entorno externo, sintetizan nuevos materiales celulares y materiales de almacenamiento dentro de las células y almacenan energía, es decir, asimilación, que es la base material para su crecimiento y crecimiento. desarrollo Al mismo tiempo, descompone los materiales celulares envejecidos y los nutrientes absorbidos desde el exterior en sustancias simples, y produce algunos productos intermedios como materia prima básica para sintetizar materiales celulares, y finalmente los desechos inutilizables se excretan del cuerpo. parte de la energía se convierte en calor. La forma emana, este es el efecto de la alienación. Durante el metabolismo de las sustancias anteriores, se produce el metabolismo energético. Durante la descomposición de las sustancias, parte de esta energía se pierde en forma de calor y otra parte se almacena en trifosfato de adenosina (ATP). enlaces fosfato de alta energía, esta energía se utiliza principalmente para mantener las actividades fisiológicas de los microorganismos o para necesidades anabólicas. Según los diferentes efectos de los metabolitos producidos durante el metabolismo microbiano en los microorganismos, el metabolismo se puede dividir en dos tipos: metabolismo primario y metabolismo secundario. El metabolismo primario se refiere al metabolismo de sustancias fisiológicamente activas o energía que pueden convertir los nutrientes en sustancias estructurales celulares y mantener las actividades vitales normales de los microorganismos. Los productos del metabolismo primario se convierten en metabolitos primarios. El metabolismo secundario se refiere al metabolismo de sustancias estructurales no celulares y sustancias no esenciales que llevan a cabo ciertos microorganismos para mantener sus actividades vitales normales. Como por ejemplo el proceso metabólico de algunos microorganismos acumulando productos de fermentación (antibióticos, toxinas, pigmentos, etc.). El metabolismo de los microorganismos se compone de una serie de reacciones bioquímicas secuenciales y continuas en los microorganismos. Estas reacciones bioquímicas se pueden llevar a cabo de manera extremadamente rápida en organismos en condiciones de temperatura normal, presión normal y pH neutro. sistemas enzimáticos en los organismos vivos, y la mayoría de las reacciones bioquímicas son catalizadas por enzimas específicas. La asimilación y la disimilación son contradictorias y unificadas. Los microorganismos son iguales que otros organismos. El metabolismo es su proceso de vida más básico y la base de todos los demás fenómenos de la vida. 2.1 Metabolismo energético de los microorganismos Los microorganismos necesitan energía en las actividades vitales y la obtienen principalmente a través de la oxidación biológica. La llamada oxidación biológica se refiere a la oxidación de todos los metabolitos de las células. Pueden producir una gran cantidad de energía durante el proceso de oxidación, liberarla en etapas y almacenarla en la molécula de ATP en forma de enlaces fosfato de alta energía para usarla cuando sea necesario. 2.1.1 Tipos de respiración microbiana (oxidación biológica) Según las diferencias en los aceptores de hidrógeno y electrones eliminados cuando se oxida el sustrato, la respiración microbiana se puede dividir en tres tipos, a saber: respiración aeróbica, respiración anaeróbica y fermentación. ⑴ Respiración aeróbica: el proceso de oxidación biológica que utiliza oxígeno molecular como aceptor final de electrones se llama respiración aeróbica. Muchos microorganismos heterótrofos utilizan la materia orgánica como sustrato respiratorio en condiciones aeróbicas y obtienen energía a través de la respiración. Tomando la glucosa como ejemplo, se oxida completamente en dióxido de carbono y agua a través de la vía EMP y el ciclo TCA para generar 38 ATP. La fórmula de la reacción química es: C6H12O6 6O2 38ADP 38Pi→6CO2 6H2O 38ATP ⑵ La respiración anaeróbica (respiración anaeróbica) utiliza sustancias inorgánicas. óxidos como El proceso de oxidación biológica del aceptor final de electrones se llama respiración anaeróbica. Los compuestos que pueden desempeñar este papel son los sulfatos, nitratos y carbonatos. Este es el proceso de respiración de una pequeña cantidad de microorganismos. Por ejemplo, Pediococcus denitrificans usa glucosa para oxidar la glucosa en dióxido de carbono y agua, y reduce el nitrato a nitrito (la llamada desnitrificación). La fórmula de reacción es la siguiente: C6H12O6 12NO3– →6CO2 6H2O 12NO2– 429000 calorías (3) Fermentación (fermentación). ) Si el donante de electrones es un compuesto orgánico y el aceptor final de electrones también es un compuesto orgánico, el proceso de oxidación biológica se llama fermentación.
Durante el proceso de fermentación, la materia orgánica es tanto el sustrato oxidado como el aceptor final de electrones. Sin embargo, debido a una oxidación incompleta, la capacidad de producción es relativamente baja. La levadura utiliza glucosa para la fermentación alcohólica, liberando solo 2,26×105J de calor, de los cuales solo 9,6×104J se almacena en ATP y el resto se pierde en forma de calor. La fórmula de reacción es la siguiente: C6H12O6 2ADP 2Pi→2C2H5OH 2CO2 2ATP. 2.1.2 Cadena de oxidación biológica En el proceso de transferencia de hidrógeno y electrones extraídos por los microorganismos desde el sustrato respiratorio hasta el aceptor final de electrones, estos deben pasar a través de una serie de cuerpos de transferencia intermedios y proceder en orden. Están "conectados" entre sí. otros como una cadena, por eso se llama cadena de respiración (cadena de oxidación biológica). Está compuesto principalmente por componentes como la deshidrogenasa, la coenzima Q y el citocromo. Existe principalmente en las mitocondrias de los eucariotas; en los procariotas, se combina con membranas celulares e intermediarios. Su función es transferir hidrógeno y electrones, y al mismo tiempo sintetizar ATP a partir de la energía liberada durante el proceso de transferencia de electrones. 2.1.3 Generación de ATP El resultado de la oxidación biológica no sólo regenera muchas coenzimas I reducidas, sino que, lo que es más importante, obtiene energía para las actividades vitales de los organismos. La producción de ATP es el resultado del paso de electrones a través de la cadena respiratoria desde el donante de electrones inicial hasta el aceptor de electrones final. El ATP es el principal transmisor de energía en los organismos vivos. Cuando los microorganismos obtienen energía, primero la convierten en ATP. Cuando se necesita energía, los enlaces de alta energía de las moléculas de ATP se hidrolizan, liberando energía nuevamente. Esta energía funciona bien con las enzimas catalíticas del cuerpo y puede usarse y restaurarse. Cuando el pH es 7,0, el cambio de energía libre ΔG del ATP es -3×104J. Esta molécula es relativamente estable y puede provocar reacciones fácilmente, lo que la convierte en un transmisor de energía ideal en los microorganismos. Por tanto, el ATP es de gran importancia para las actividades vitales de los microorganismos. La reacción que utiliza la energía luminosa para sintetizar ATP se llama fotofosforilación. La reacción de utilizar la energía liberada durante la oxidación biológica para sintetizar ATP se llama fosforilación oxidativa. La reacción de degradación de la materia orgánica y la reacción de síntesis del producto se combinan mediante redox, de modo que se genera energía. liberar. Hay dos formas en que los microorganismos generan ATP a través de la fosforilación oxidativa: ⑴ Fosforilación a nivel de sustrato En la fosforilación a nivel de sustrato, el ácido fosfórico de alta energía del producto intermedio disimilatorio se transfiere a ADP para formar ATP, como se muestra en la siguiente reacción: Ácido fosfenolacetona ADP Piruvato ATP ⑵ Fosforilación por transferencia de electrones En la fosforilación por transferencia de electrones, los electrones se transfieren a través de la cadena respiratoria, acoplando la energía liberada durante el proceso de oxidación con la fosforilación de ADP para formar ATP. Una molécula de NAD, oxidada a través de la cadena respiratoria, puede producir 3 moléculas de ATP. Produce un ATP en cada una de las tres ubicaciones. El primer ATP está aproximadamente entre la coenzima I y la flavoproteína; el segundo ATP está aproximadamente entre el citocromo b y c1 y el tercer ATP está aproximadamente entre el citocromo c y a. Como se muestra en la Figura 3-2. ⑶ La energía luminosa de la conversión de energía de la fosforilación fotosintética es un tipo de energía radiante que los microorganismos pueden utilizar directamente. Sólo cuando la energía luminosa es absorbida por los pigmentos fotosintéticos de los organismos fotosintéticos y convertida en energía química (ATP), puede utilizarse para los microbios. metabolismo u otras actividades fisiológicas. La conversión de energía de la luz visible es una forma importante para que los organismos fotosintéticos obtengan energía. Los pigmentos fotosintéticos son sustancias exclusivas de los organismos fotosintéticos. Desempeñan un papel importante en el proceso de conversión de energía luminosa. Los pigmentos fotosintéticos están compuestos por pigmentos principales y pigmentos auxiliares. Los pigmentos fotosintéticos existen en ciertos orgánulos o estructuras celulares. El pigmento principal forma un centro de reacción luminosa donde existe y puede absorber luz y capturar energía luminosa, poniéndose en un estado excitado y expulsando electrones. Los pigmentos auxiliares sólo pueden capturar la energía luminosa dentro de la célula y transferir la energía luminosa capturada al pigmento principal.
La clorofila en el centro de fotorreacción expulsa electrones absorbiendo energía luminosa y se pone en estado de oxidación. Los electrones expulsados pasan a través de la cadena de transporte de electrones compuesta por ferredoxina, ubiquinona, citocromo by citocromo c y luego regresan a la propia clorofila, provocando la. Las moléculas de clorofila regresan a su estado original, produciendo una conversión de energía (energía luminosa → energía química) durante el proceso de transferencia de electrones. Este método de expulsar electrones de las moléculas de clorofila causado por la energía luminosa y producir ATP mediante transferencia de electrones se llama fotofosforilación. 2.2 Catabolismo de los microorganismos La materia orgánica más abundante en la tierra es la celulosa, la hemicelulosa, el almidón y otras sustancias azucaradas. Los microorganismos en la naturaleza dependen principalmente de las sustancias azucaradas para sobrevivir. Las personas cultivan microorganismos, realizan procesamiento de alimentos y fermentación industrial, etc. principal fuente de carbono y material energético. Por lo tanto, el metabolismo microbiano del azúcar es un aspecto importante del metabolismo microbiano. Dominar este conocimiento es un conocimiento básico importante para comprender los diferentes grupos microbianos en la naturaleza y para cultivar y utilizar microorganismos. 2.2.1 Vías del metabolismo microbiano del azúcar Las principales vías del metabolismo microbiano del azúcar son: vía EMP (vía Embden-Meverhef-Parnus), vía HMP (vía hexosa-monofosfato), vía E.D (vía Entner-Doudorof), vía Pk (Vía de la fosfocetolasa) y otros cuatro tipos. ⑴ Vía EMP La vía EMP también se denomina vía de degradación de hexosa bifosfato o vía de glucólisis. La característica de esta vía es que después de que la glucosa se convierte en fructosa 1,6-bifosfato, se escinde en dos compuestos 3C bajo la acción de la fructosa-bifosfato aldolasa y luego se convierte en 2 moléculas de piruvato. El proceso de la vía EMP consta de las siguientes 10 reacciones consecutivas: (hexoquinasa) 1) Glucosa ATP Glucosa 6-fosfato ADP (hexosa fosfato isomerasa) 2) Glucosa 6-fosfato 6-fructosa fosfato (hexocinasa fosfato) 3) Fructosa-6 -fosfato ATP 1,6-fructosa fosfato ADP (aldolasa) 4) Fructosa 1,6-bifosfato dihidroxiacetona fosfato 3-gliceraldehído fosfato (triosa fosfato isomerasa) 5) Dihidroxifosfato Acetona Gliceraldehído 3-fosfato (gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa) 6) Gliceraldehído 3-fosfato NAD H3PO4 1,3-bisfosfoglicerato NADH (3-fosfoglicerato quinasa) 7) 1,3-bisfosfato glicerato ADP 3-fosfoglicerato ATP (fosfoglicerato mutasa) 8) 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato (enolasa) 9) 2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato H2O (acetona ácido quinasa) 10) Fosfoenolpiruvato ADP Piruvato ATP La vía de reacción general es (Figura 3-3): La ecuación de reacción general es: C6H12O6+2NAD 2(ADP Pi)→2CH3COCOOH 2ATP 2NADH2 La enzima clave de la vía EMP es la hexosa fosfato quinasa y la fructosa bifosfato aldolasa, que inicialmente consume ATP y luego produce ATP. En total, cada molécula de glucosa neta sintetiza 2 moléculas de ATP a través de la vía EMP y el nivel de capacidad de producción es bajo. La vía EMP es el proceso de reacción más común en los organismos que convierte la glucosa-6-fosfato en piruvato. Muchos microorganismos tienen la vía EMP. Sin embargo, la vía EMP a menudo existe en el mismo microorganismo que la vía HMP. Hay muy pocos microorganismos que utilizan la vía EMP como única vía de degradación. Sólo las bacterias del ácido homoláctico que crecen en medios complejos que contienen extracto de levadura de jugo de carne pueden usar EMP como vía. única vía de degradación. La función fisiológica de la vía EMP es principalmente proporcionar energía (es decir, ATP), agente reductor (es decir, NADH2) y productos metabólicos intermedios como el piruvato para el metabolismo microbiano. El NADH2 generado durante la reacción de la vía EMP no se puede acumular y debe volverse a oxidar a NAD para garantizar que todas las reacciones puedan continuar.
La forma en que se reoxida el NADH2 varía según los diferentes microorganismos y las diferentes condiciones. En microorganismos anaeróbicos y al mismo tiempo en microorganismos anaeróbicos, en condiciones anaeróbicas, el aceptor de hidrógeno de NADH2 puede ser piruvato, como la fermentación del ácido láctico realizada por bacterias del ácido láctico, o puede ser acetaldehído, un producto de degradación del piruvato, como la fermentación alcohólica de levadura. etc. El piruvato producido por microorganismos aeróbicos y anaeróbicos en condiciones aeróbicas a través de la vía EMP se oxida aún más a través del ciclo del ácido tricarboxílico para generar CO2. El hidrógeno y los electrones eliminados durante el proceso de oxidación pasan a través de la cadena de transporte de electrones. Genera H2O y grandes cantidades de. ATP. Figura 3-3 Vía EMP: Ciclo del ácido tricarboxílico, denominado ciclo TCA (Ciclo del ácido tricarboxílico). La fórmula de reacción total del anillo de TCA es: CH3COSCoA 2O2 12(ADP Pi)→2 CO2 H2O 12ATP CoA El nivel de energía generado por el anillo de TCA es muy alto. Por cada molécula de acetil CoA oxidada se pueden formar 12 moléculas de ATP. producido. Todo el proceso de oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O a través de la vía EMP y el anillo TCA es: ① C6H12O6+2NAD 2(ADP Pi)→2 CH3COCOOH 2ATP 2 NADH2 2 NADH2 O2 6(ADP Pi)→2NAD 2 H2O 6ATP ② 2 CH3COCOOH+2NAD 2 CoA→ 2 CH3COSCoA 2 CO2 2 NADH2 2 NADH2 O2 6(ADP Pi)→2NAD 2 H2O 6ATP ③ 2 H3COSCoA 4O2 24(ADP Pi)→4 CO2 2 H2O 24ATP 2 CoA Ecuación de reacción general: C6H12O6+6O2 38(ADP Pi)→6 CO2 6 H2O 38ATP La enzima clave del ciclo del TCA es la citrato sintasa, que cataliza la reacción de oxaloacetilo y acetil CoA para sintetizar ácido cítrico. Esta vía cíclica existe en muchos microorganismos, además de producir una gran cantidad de energía y servir como principal fuente de energía para las actividades de la vida microbiana, también tiene muchas funciones fisiológicas. En particular, algunos de los metabolitos intermedios en la circulación son sustancias celulares importantes, como diversos aminoácidos, purinas, pirimidinas y lípidos y otros precursores biosintéticos. Por ejemplo, el acetil CoA es el material de partida para la síntesis de ácidos grasos; Los diácidos se pueden convertir en ácido glutámico, el oxaloacetato se puede convertir en ácido aspártico y estos aminoácidos también se pueden convertir en otros aminoácidos y participar en la biosíntesis de proteínas. Además, el anillo de TCA no es sólo la vía principal para la degradación aeróbica de los azúcares, sino también la vía necesaria para la degradación de lípidos y proteínas. Por ejemplo, los ácidos grasos se convierten en acetil CoA a través de la vía de β-oxidación y pueden entrar. el anillo de TCA y oxidarse completamente en CO2 y H2O; otro ejemplo es el ácido propilenglicol, el ácido aspártico, el ácido glutámico, etc., todos pueden ingresar al anillo. anillo TCA y estar completamente oxidado. Por lo tanto, el anillo de TCA es en realidad el eje central para la síntesis y el catabolismo de diversas sustancias en las células microbianas. Debido a que la vía EMP y el anillo TCA se estudian con relativa claridad, se han utilizado ampliamente en la industria de la fermentación. El uso de un método para evitar el progreso de una determinada etapa inevitablemente acumulará algunos productos intermedios. Basándose en este principio, se han seleccionado en la industria algunas cepas excelentes para su fermentación industrial y producir ácido cítrico, ácido isocítrico, ácido α-cetoglutárico, ácido málico, etc. Por ejemplo, cuando se utiliza Aspergillus niger para producir ácido cítrico, debido a la actividad extremadamente baja de la aconitato hidrolasa en las bacterias, se acumula una gran cantidad de ácido cítrico. ⑵ Vía HMP: también llamada vía de degradación de hexosa monofosfato o ciclo de pentosa fosfato. La característica de esta vía es que después de que la glucosa sufre una fosforilación y deshidrogenación primaria para generar 6-fosfogluconato, se deshidrogena y se degrada nuevamente en 1 molécula de CO2 y 1 molécula de pentosa fosfato bajo la acción de la deenzima 6-fosfogluconato.
El metabolismo posterior de las pentosas fosfato es más complicado. Se generan 3 moléculas de pentosa fosfato por deshidrogenación y descarboxilación de 3 moléculas de hexosa fosfato. Entre las 3 moléculas de pentosa fosfato, bajo la acción de la transcetolasa y la transaldolasa, se forman 2 moléculas de pentosa fosfato. Se genera una molécula de hexosa fosfato y una molécula de triosa fosfato a través de la segunda mitad de la vía EMP. Este proceso de reacción se llama vía HMP. Los pasos de la reacción se pueden dividir en los siguientes once pasos: Hexoquinasa ① Glucosa ATP Glucosa 6-fosfato ADP Glucosa fosfato deshidrogenasa ② Glucosa 6-fosfato NADP 6-fosfoglucolactona NADPH2 Lactonasa ③ 6-fosfoglucosa lactona H2O 6-fosfogluconato fosfogluconato deshidrogenasa ④ 6-fosfogluconato NADP 5-ribulose phosphate NADPH2 CO2 ⑤ 5-phosphate ribulose phosphate ribose isomerase phosphate xylulose epimerase 5-phosphate Ribose xylulose 5-phosphate ⑥ Transketolase 7-sedulose phosphate 3-glyceraldehyde phosphate transaldehydease ⑦ Fructose 6-phosphate 4-erythritose phosphate transaldolase ⑧ 4- eritritosa 5-fosfato Xiulosa fosfato 6-fructosa fosfato 3-gliceraldehído fosfato⑨ Gliceraldehído 3-fosfato dihidroxiacetona 3-fosfato gliceraldehído 1,6-fructosa bifosfato fosfatasa ⑩ Fructosa 1,6-bisfosfato 6-fructosa fosfato H3PO4 La fórmula de reacción total del HMP completo La ruta es: Glucosa 6-fosfato 7H2O 12NADP 6CO2 12NADPH2 H3PO4 La ruta HMP incompleta reacciona hasta el paso (9). El gliceraldehído 3-fosfato generado pasa por la segunda mitad de la vía EMP y se convierte en piruvato. La ecuación de reacción total de la vía incompleta del HMP es: Glucosa 6-fosfato 7H2O 12NADP CH3COCOOH 3CO2 6NADPH2 ATP