8.5: Катаболізм ліпідів і білків

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3948

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть, як катаболізуються ліпіди
Опишіть, як можна використовувати катаболізм ліпідів для ідентифікації мікробів
Опишіть, як катаболізуються білки
Опишіть, як катаболізм білка може бути використаний для ідентифікації бактерій

Попередні розділи обговорювали катаболізм глюкози, яка забезпечує енергією живі клітини, а також те, як полісахариди, такі як глікоген, крохмаль та целюлоза, розпадаються до мономерів глюкози. Але мікроби споживають більше, ніж просто вуглеводи в їжу. Насправді мікробний світ відомий своєю здатністю деградувати широкий спектр молекул, як природних, так і тих, що виробляються людськими процесами, для використання в якості джерел вуглецю. У цьому розділі ми побачимо, що шляхи як ліпідного, так і білкового катаболізму з'єднуються з тими, що використовуються для катаболізму вуглеводів, що врешті-решт призводить до гліколізу, реакції переходу та шляхів циклу Кребса. Метаболічні шляхи слід розглядати як пористі, тобто речовини надходять з інших шляхів, а проміжні продукти йдуть для інших шляхів. Ці шляхи не є замкнутими системами. Багато субстратів, проміжних продуктів та продуктів у певному шляху є реагентами в інших шляхах.

ліпідний катаболізм

Тригліцериди є формою тривалого зберігання енергії у тварин. Вони виготовляються з гліцерину і трьох жирних кислот (див. Рис. Фосфоліпіди складають клітинну і органельну мембрани всіх організмів, крім архей. Структура фосфоліпідів схожа з тригліцеридами за винятком того, що одна з жирних кислот замінена фосфорильованою головною групою (див. Рис. Тригліцериди та фосфоліпіди розщеплюються спочатку шляхом вивільнення ланцюгів жирних кислот (та/або фосфорильованої групи головок, у випадку фосфоліпідів) з тривуглецевого гліцеринового хребта. Реакції, що руйнують тригліцериди, каталізуються ліпазами, а ті, що включають фосфоліпіди, каталізуються фосфоліпазами. Ці ферменти сприяють вірулентності деяких мікробів, таких як бактерія Staphylococcus aureus і гриб Cryptococcus neoformans. Ці мікроби використовують фосфоліпази для знищення ліпідів та фосфоліпідів у клітинах-господарях, а потім використовують катаболічні продукти для отримання енергії (див. Фактори вірулентності бактеріальних та вірусних патогенів).

Отримані продукти катаболізму ліпідів, гліцерин і жирні кислоти, можуть додатково деградувати. Гліцерин може бути фосфорильований до гліцерин-3-фосфату і легко перетворюється в гліцеральдегід 3-фосфат, який триває через гліколіз. Вивільнені жирні кислоти катаболізуються в процесі, званому β-окисленням, який послідовно видаляє двовуглецеві ацетильні групи з кінців ланцюгів жирних кислот, зменшуючи NAD ⁺ і FAD для отримання NADH і FADH ₂ відповідно, чиї електрони можуть бути використані для отримання АТФ шляхом окислення фосфорилювання. Ацетильні групи, що утворюються під час β-окислення, переносяться коензимом А в цикл Кребса, і їх рух через цей цикл призводить до їх деградації до CO ₂, виробляючи АТФ фосфорилуванням на рівні субстрату та додатковими молекулами NADH і FADH ₂ (див. Додаток С) для детальної ілюстрації β-окислення).

Інші види ліпідів також можуть деградувати певними мікробами. Наприклад, здатність деяких збудників, як Mycobacterium tuberculosis, руйнувати холестерин сприяє їх вірулентності. Бічні ланцюги холестерину легко видаляються ферментативно, але деградація інших зрощених кілець більш проблематична. Чотири плавлених кільця послідовно розриваються в багатоступінчастому процесі, що полегшується специфічними ферментами, і отримані продукти, включаючи піруват, можуть бути додатково катаболізовані в циклі Кребса.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Як ліпази і фосфоліпази можуть сприяти вірулентності у мікробів?

катаболізм білка

Білки розкладаються завдяки узгодженій дії різноманітних ферментів мікробної протеази. Позаклітинні протеази розрізають білки внутрішньо при специфічних послідовностях амінокислот, розщеплюючи їх на більш дрібні пептиди, які потім можуть бути прийняті клітинами. Деякі клінічно важливі збудники можуть бути ідентифіковані за їх здатністю продукувати певний тип позаклітинної протеази. Наприклад, вироблення позаклітинної протеази желатинази членами пологів Proteus і Serratia може бути використана для їх відрізнення від інших грамнегативних кишкових бактерій. Після інокуляції і зростання мікробів в желатиновому бульйоні деградація білка желатину внаслідок вироблення желатинази перешкоджає затвердінню желатину при охолодженні. Інші збудники можна відрізнити за здатністю розщеплювати казеїн - основний білок, що міститься в молоці. При вирощуванні на знежиреному молочному агарі вироблення позаклітинної протеази казеїнази викликає деградацію казеїну, яка з'являється як зона очищення навколо мікробного росту. Продукція казеїнази опортуністським збудником Pseudomonas aeruginosa може бути використана для відрізнення її від інших споріднених грамнегативних бактерій.

Після позаклітинної деградації протеази та поглинання пептидів у клітині пептиди можуть бути розщеплені далі на окремі амінокислоти додатковими внутрішньоклітинними протеазами, і кожна амінокислота може бути ферментативно дезінфікована для видалення аміногрупи. Решта молекули потім можуть увійти в реакцію переходу або цикл Кребса.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Як катаболізм білка може допомогти ідентифікувати мікроби?

Клінічна спрямованість: Частина 3

Оскільки бактеріальний менінгіт прогресує так швидко, лікарі Ханни вирішили лікувати її агресивно антибіотиками, грунтуючись на емпіричному спостереженні за її симптомами. Однак лабораторні дослідження для підтвердження причини менінгіту Ханни все ще були важливими з кількох причин. N. meningitidis є інфекційним збудником, який може поширюватися від людини до людини через тісний контакт; тому, якщо тести підтверджують N. meningitidis як причину симптомів Ханни, батьки Ханни та інші, хто вступив в тісний контакт з нею, можливо, доведеться зробити щеплення або отримувати профілактичні антибіотики, щоб знизити ризик зараження хворобою. З іншого боку, якщо виявиться, що N. meningitidis не є причиною, лікарям Ханни, можливо, доведеться змінити її лікування.

Клінічна лабораторія провела фарбування Грама на зразках крові Ханни та ліквору. Забарвлення по Граму показало наявність грамнегативного диплокока у формі бобов. Технік у лікарняній лабораторії культивував зразок крові Ханни як на агарі крові, так і на шоколадному агарі, а бактерія, яка росла на обох середовищах, утворила сірі, негемолітичні колонії. Далі він провів оксидазний тест на цю бактерію і визначив, що вона оксидаза позитивна. Нарешті, він вивчив репертуар цукрів, які бактерія може використовувати як джерело вуглецю, і виявив, що бактерія позитивна для використання глюкози та мальтози, але негативна для використання лактози та сахарози. Всі ці результати тестів відповідають характеристикам N. meningitidis.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Що ці результати аналізів говорять нам про метаболічні шляхи N. meningitidis?
Чому ви вважаєте, що лікарня використовувала ці біохімічні тести для ідентифікації замість молекулярного аналізу шляхом тестування ДНК?

Ключові поняття та резюме

У сукупності мікроби мають здатність руйнувати найрізноманітніші джерела вуглецю, крім вуглеводів, включаючи ліпіди та білки. Катаболічні шляхи для всіх цих молекул врешті-решт з'єднуються з гліколізом і циклом Кребса.
Кілька видів ліпідів можуть бути мікробно деградовані. Тригліцериди розкладаються позаклітинними ліпазами, виділяючи жирні кислоти з гліцеринового хребта. Фосфоліпіди деградують фосфоліпазами, виділяючи жирні кислоти і фосфорильовану головну групу з хребта гліцерину. Ліпази і фосфоліпази виступають факторами вірулентності для деяких патогенних мікробів.
Жирні кислоти можуть додатково розкладатися всередині клітини за допомогою β-окислення, яке послідовно видаляє двовуглецеві ацетильні групи з кінців ланцюгів жирних кислот.
Деградація білка включає позаклітинні протеази, які розкладають великі білки на більш дрібні пептиди. Виявлення позаклітинних протеаз желатинази та казеїнази може бути використано для диференціації клінічно значущих бактерій.