Anabolismus chemoorganotrofních bakterií

Úvod

Syntéza buněčné hmoty – anabolismus, je úzce spjata s produkcí energie a nezbytných stavebních komponent – katabolismem. Velmi zjednodušeně lze říci, že anabolismus je do jisté míry obrácenou dráhou katabolismu. Řada reakcí a metabolických drah je reverzibilní a může probíhat oběma směry, na druhou stranu řada kroků je v anabolismu jinak organizována či katalyzována jinými enzymy.

Vzhledem k velkému počtu sloučenin, podílejících se na stavbě bakteriální buňky, jsou anabolické procesy mnohem rozmanitější. Přispívá k tomu i produkce tzv. sekundárních metabolitů, tj. různých barviv, antibiotik či toxinů.

Tvorba malých molekul

Hlavní osou biosyntézy malých molekul je opět glykolýza a Krebsův cyklus. Jednoduché cukry (hexosy a pentosy) syntetizuje chemoorganotrofní bakterie ze tříuhlíkatých či čtyřuhlíkatých intermediátů procesem glukoneogeneze. Glukoneogeneze je do jisté míry obrácenou drahou ke glykolýze (7 reakcí je společných, 3 v glykolýze nevratné reakce jsou nahrazeny jinými). Při využití dvouuhlíkatého acetátu musí být tento nejprve glyoxalátovým cyklem přeměněn na čtyřuhlíkatý sukcinát. Interkonverze (vzájemná přeměna) cukrů uvnitř buňky je vždy realizována na úrovni jejich fosfátů nebo cukerných nukleotidů.

Výchozí látkou pro syntézu mastných kyselin se sudým počtem uhlíků je acetyl-CoA, v případě větvených mastných kyselin s lichým počtem uhlíků potom jiné intermediáty (např. propionyl-CoA). Nenasycené mastné kyseliny vznikají aerobním i anaerobním způsobem.

Zcela zásadní roli hrají ve stavbě bakteriální buňky purinové a pyrimidinové nukleotidy. Syntéza purinů začíná ribosa-5-fosfátem, výchozí látkou syntézy pyrimidinů je kyselina asparagová a karbamoylfosfát. Deoxyribonukleotidy jsou získány redukcí příslušných ribonukleotidů, obvykle na úrovni nukleosiddifosfátů. Mimo syntézy nukleotidů „de novo“, jsou bakterie schopné využívat i nukleové baze či nukleosidy přítomné v živném médiu.

Tvorba malých molekul

Řada chemoorganotrofních bakterií je schopna syntetizovat aminokyseliny i v případě, že jedinou organickou látkou v živném médiu je glukosa a ostatní látky jsou anorganické. Syntéza všech 20 aminokyselin je rozdělena do 6 biosyntetických drah – glutamátová, aspartátová, pyruvátová, serinová, aromatická a histidinová. Jednotlivé dráhy se liší výchozí látkou (různé intermediáty glykolýzy a Krebsova cyklu) a počtem dílčích operací (transaminace, fosforylace, redukce, atd.). Zdrojem dusíku pro tvorbu aminokyselin je amoniak NH₃, který může být fixován trojím způsobem.

Většina bakterií vyžaduje dusík ve formě amoniaku, nitrátu či organické dusíkaté látky, pouze omezený počet je schopný fixovat a využívat vzdušný dusík (např. Clostridium pasteurianum, Azotobacter spp., Klebsiella pneumoniae). Některé z nich žijí symbioticky a intracelulárně (Rhizobium spp.), jiné volně. Fixace vzdušného dusíku spočívá v redukci N₂ na NH₃ enzymem nitrogenasou, vyžaduje přítomnost redukujících ekvivalent a značného množství energie. Jedná se o striktně anaerobní proces, proto musí aerobní bakterie zabránit přístupu kyslíku k místu redukce N₂.

Je zajímavé, že i heterotrofní bakterie potřebují fixovat určité množství plynného CO₂. Heterotrofní fixace CO₂ slouží jednak k doplňování intermediátů Krebsova cyklu, jednak jako zdroj CO₂ pro biosyntézu složitějších molekul (např. purinů a pyrimydinů).

Sekundární metabolity (pigmenty, antibiotika, vonné látky, toxiny, atd.) jsou organické látky pro bakteriální buňku postradatelné. Tvoří se z primárních metabolitů (velmi často je výchozí látkou acetyl-CoA), v nepatrném množství a jsou druhově specifické. Tvorba sekundárních metabolitů (tzv. sekundární metabolismus) obvykle začíná až poté, co se zastavil růst a množení buňky, u sporulujících bakterií a plísní probíhá současně se sporulací (konec exponenciální fáze růstu a její přechod do fáze stacionární).

Tvorba makromolekul

Polysacharidy mají dvě základní funkce – stavební (peptidoglykan, teichoové kyseliny, lipopolysacharidy, příp. pouzdro a glykokalyx) a zásobní (glykogen). Jejich syntéza není řízena žádnou matricí.

Glykogen je polymer tvořený molekulami α-D-glukosy, které jsou lineárně spojovány vazbou 1,4 a větví se prostřednictvím vazeb 1,6. Výchozí látkou je glukosa-1-fosfát (vzniká z glukosa-6-fosfátu), který reaguje s ATP za vzniku ADP-glukosy a difosfátu. Vzniklá adenylovaná glukosa slouží k tvorbě glykogenu. Syntéza glykogenu vyžaduje přítomnost již existující glykogenové molekuly, tzv. očka (obsahuje minimálně 4 monomery), větvení glykogenu zajišťuje zvláštní větvící enzym.

Peptidoglykan je syntetizován ve formě prekurzorů, které jsou transportovány přes hydrofobní vrstvu cytoplasmatické membrány a napojeny na již existující peptidoglykan. Lipopolysacharidy jsou syntetizovány v cytoplasmě jako krátké polysacharidové úseky, přenášeny skrz membránu a na vnější straně polymerizovány a připojeny k lipidu A.

Hlavními lipidy bakteriální buňky jsou fosfolipidy podílející se na stavbě cytoplasmatické membrány. Výchozí látkou pro jejich syntézu je dihydroxyacetonfosfát (intermediát glykolýzy). Kvantitativní zastoupení jednotlivých fosfolipidů je dáno jednak geneticky, dále kultivačními podmínkami a růstovou fází.

Syntéza DNA (replikace DNA) je detailně popsána v kapitole "Růst a množení bakterií", syntéza jednotlivých typů RNA (transkripce) potom v kapitole "Genetika bakterií".

Tvorba makromolekul

Syntéza bílkovin (translace, proteosyntéza) je složitý a detailně prostudovaný proces. Obecně se jedná o přepis genetické informace nesené mRNA (sekvence nukleotidů) v primární strukturu bílkovin (sekvence aminokyselin). Proteosyntéza probíhá na ribosomech, kde se setkává mRNA a jednotlivé aktivované aminokyseliny. Základní kroky proteosyntézy jsou uvedeny v kapitole "Genetika bakterií".

Velmi rychle probíhající anabolismus umožňuje mikroorganismům během krátké doby přeměnit méně hodnotné či odpadní látky na buněčnou hmotu bohatou na bílkoviny a vitaminy. Typickým příkladem je buněčná hmota kvasinek, která se používá jako hodnotné bílkovinné krmivo či vitaminový doplněk (zdroj vitaminů skupiny B). Z kvasinek, a také některých plísní, se dále získává ergosterol (provitamin D) či b-karoten (provitamin A). Mikroorganismy se dále využívají k produkci aminokyselin (lysin, kyselina glutamová), nukleotidů, koenzymů či dalších intermediátů metabolismu.

Buněčná hmota mikroorganismů je důležitým zdrojem enzymů pro průmyslové, lékařské či vědecké účely (glukosaoxidasa, glukosaisomerasa, DNA polymerasa, restrikční endonukleasy, atd.). Z extracelulárních produktů anabolismu mikroorganismů se průmyslově získávají polysacharidy tvořící slizový obal buněk – např. dextran, xanthan či kyselina hyaluronová. Velký význam má produkce antibiotik bakteriemi Streptomyces spp. a dalšími aktinomycetami, příslušníky rodu Bacillus či plísněmi.