Акушерство Анатомия Анестезиология Вакцинопрофилактика Валеология Ветеринария Гигиена Заболевания Иммунология Кардиология Неврология Нефрология Онкология Оториноларингология Офтальмология Паразитология Педиатрия Первая помощь Психиатрия Пульмонология Реанимация Ревматология Стоматология Терапия Токсикология Травматология Урология Фармакология Фармацевтика Физиотерапия Фтизиатрия Хирургия Эндокринология Эпидемиология

Фізіологія та біохімія грибів

Прочитайте:

Трофічні особливості грибів. Еколого-трофічні групи.
Ферментні комплекси грибів, що трансформують природні полімери.
Джерела вуглецю та азоту у живленні грибів. Синтез первинних метаболітів.
Синтез вторинних метаболітів грибів (пігментів, антибіотиків, токсинів).

Гриби та грибоподібні організми є облігатними осмотрофними або фаготрофними гетеротрофами.

При осмотрофному живленні гриби адсорбують низькомолекулярні органічні сполуки, утворені через розщеплення високомолекулярних речовин екзоферментами грибів.

Осмотрофія притаманна усім грибам.

При фаготрофному живленні сполуки у вигляді часток поглинаються псевдоподіями і перетравлюються в травних вакуолях або лізосомах.

Фаготрофія притаманна переважно грибоподібним організмам Myxomycota.

Диференціацію грибів як гетеротрофів здійснюють на:

Сапротрофів, що живляться мертвими субстратами
Некротрофи – недосконалі фітопатогени (Phytophthora)
Біотрофи (симбіотрофи, фітопатогени, альгопатогени, гельмінтопатогени, інсектопатогени, іхтіопатогени, дерматофіти, кератофіти, збудники системних мікозів)
Гриби-оліготрофи техногенних субстратів

Основними природними субстратами грибів є рослинні рештки, в яких переважають крохмаль, целюлоза, геміцелюлози (ксилани, арабани тощо), лігнін, пектини, тваринні рештки, що містять хітин та білкові сполуки.

Целюлоза, яка накопичується у природі у кількості 10¹¹ тон на рік і складає майже 50% усього органічного вуглецю біосфери, представлена 100- та 1000-членними полімерами з α-D-глюкози із ступенем полімерізації (число мономерів у ланцюзі) 2000-14000 і молекулярною масою 300 000-2000 000. Мономери зв’язані 1,4-β-глікозидними зв'язками. Тільки у окремих видів рослин (бавовник) целюлоза - майже чистий полімер. Найчастіше вона зв’язана з ксиланом, пектином, лігніном. Ці речовини адсорбуються на поверхні молекули целюлози, що має вигляд мікрофібрил, зв'язаних між собою водневими зв’язками.

Молекула целюлози дуже стійка до ферментативного гідролізу. Комплекс целюлолітичних ферментів представлений наступними ферментами:

1. Екзоцелюлази (1,4-β-D-глюкан-целобіогідролази (ЕС 3.2.1.91.)) характеризуються руйнуванням β-1,4—глікозидних зв'язків на кінцях ланцюга. Вони здійснюють розщеплення до дисахаридів - целобіоз..

2. Ендоцелюлази (1,4-β-D-глюкан-глюканогідролази (ЕС 3.2.1.4.)) забезпечують невпорядковану фрагментацію молекули целюлози.

3. Целобіази (β-D-глюкозидази) (β-D-глюкозид-глюкогідролази (ЕС 3.2.1.21.)) здійснюють розщеплення целобіоз до глюкози.

До целюлолітиків відносяться грунтові мікроскопічні гриби, що роблять внесок в утворення гумусу – Mucor, Botrytis, Sclerotinia, Trichothecium, Cladosporium, Alternaria, Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Chaetomium, Stachybotrys, Trichoderma та інш.

Целюлази фітопатогенів мають значення в патогенезі хвороб рослин, які вони викликають.

Геміцелюлози – це переважно полімери α-D-ксилози (ксилани), а також арабінози, манози, глюкози, галактози з глюкуроновою кислотою, що з єднані β-1,4— та β-1,3—глікозидними зв'язками. Ці гетерополісахариди входять до складу міжклітинної речовини рослин, цементуючи целюлозні волокна. Макуха цукрової тростини містить їх до 30%, солома і луб - до 20%, деревина листяних порід – 20-25%, деревина хвойних порід -7-12%.

Синтез β-1,4— та β-1,3 –ксиланаз відомий у Aspergillus, Chaetomium, Fusarium.

Лігнін – полімер з вторинного шару клітинної оболонки рослин та їх міжклітинної речовини з молекулярною масою 100-10000. Мономерами лігніну є залишки кумарового, коніферилового, синапового спирту, з'єднані ефірними та С-С зв'язками. (малюнок). У трав'янистих рослина до 6 % лігніну, у деревинних – до 30%.

СН₂ОН - СН=СН - - ОН

Кумаровий спирт

ОСН₃ ОСН₃

СН₂ОН - СН=СН - - ОН СН₂ОН - СН=СН - - ОН

ОСН₃

Коніфериловий спирт Синаповий спирт

Лігнінолітичні ферменти представлені:

1. Лігнінази (лігнін-пероксидази, діарил-пропан-пероксидази (ЕС 1.11.1.14.)) – головний фермент для утворення ароматичних катіон-радикалів. Розщеплює β-аріл ефірні зв’язк та С_α-С_β-зв’язки між мономерами лігніну.

2. Mn-пероксидази (ЕС 1.1.1.13.) – поліфенолоксидази, що окиснюють Mn(ІІ) до Mn(ІІІ), який окиснює фенольні залишки.

3. Лакази (лігніноцелюлази, n-дифенолоксидази, бензен-діол-О₂-оксидоредуктаза (ЕС 1.10.3.2.)) - фенолоксидази, що окиснює фенольні залишки з утворенням хінонів.

Лігнін найгірше деструктурується мікроорганізмами. Серед лігнінолітиків переважно гриби Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis, Stemphylium botryosum, Sporotrichum pulmonensis – анаморфа Phanerochaete chrysosporium, базідіоміцети, передусім агарикові, Clavaria, Armillariella, Fomes, Polyporus, Ustilina.

Пектини – полігалактуроніди, зв язані α-1,4-глікозидними зв'язками. Карбоксильні групи α- D-галактуронових кислот етерифіковані метанолом. Окрім гомогалактуронанів до пектинів відносять рамногалактуронани, які містять рамнозу, арабінозу і галактозу.

Пектини містяться у стеблі, корені, плодах, насінні рослин.

Комплекс пектинолітичних ферментів:

1. Протопектинази (пектиндеполімерази), що перетворюють нерозчинний протопектин на розчинний пектин, руйнуючи зв'язки метоксильованою полігалактуроновою кислотою та арабаном.

2. Пектинестерази руйнують складноефірні зв'язки з утворенням полігалактуронової кислоти і метанолу.

3. Пектинази (ендополіметилгалактуронази з невпорядкованим механізмом гідролізу та екзополіметилгалактуронази з кінцевим механізмом гідролізу пектину), які руйнують α-1,4-глікозидні зв'язки з утворенням галактуронових кислот.

Ці ферменти забезпечують деструкцію пектину до галактуронової кислоти, галактози, ксилози, арабінози, метанолу та оцтової кислоти.

Пектинолітиками є фітопатогени Botrytis, Sclerotinia, Aspergillus, Fusarium, Pythium debarianum, а також Cladosporium, Alternaria, Penicillium, Neurospora crassa.

Менш складними є полісахаридні субстрати крохмаль, глікоген, інулін.

Інулін – поліфруктозан – потенційний природній субстрат інуліназ (1,2-β-D-фруктозилгідролаз) мітоспорових грибів.

Крохмаль, який складається з амілози та амілопектину, гідролізується комплексом амілолітичних ферментів:

1. Глюкоамілаза (a -1,4-глюкан-глюкогідролаза) каталізує послідовне відщеплення кінцевих залишків a-D-глюкози.

2. a-Амілаза (a -1,4-глюкан-глюканогідролаза) є ендоамілазою, яка здійснює гідролітичне розщеплення a-1,4-глікозидних зв’язків.

3. b-Амілаза (a-1,4-глюкан-мальтогідролаза) – екзофермент, що каталізує утворення мальтоз.

4. Пулуланази (b-1,6-глюкан-мальтотриази) – ендоферменти, що руйнують зв’язки в ділянках галуження полімера.

Природними субстратами тваринного або грибного походження є хітин та білки.

Хітин – полімер N-ацетил-глюкозаміну тваринного або грибного походження з β-1,4—глікозидними зв'язками. Він міститься в зовнішньому скелеті комах та ракоподібних, а також у клітинних оболонках грибів.

Ферменти деградації хітину:

1. Екзохітиназа відщеплює диацетилхітобіозний залишок.

2. Ендохітиназа невпорядковано руйнує глікозидні зв'язки в середині ланцюга полімера, утворюючи диацетил- та триацетилхітобіози.

3. Хітобіаза (β- N-ацетилглюкозамінідаза), що гідролізує дисахариди хітобіоз до N-ацетил-глюкозаміну.

Хітази – гідролази хітозану (частково деацетильованого хітину).

Хітинолітиками є ентомопатогенні гриби.

Білки та поліпептиди – полімери з амідним зв'язком, що містяться у переважній кількості в тваринних тканинах.

Протеолітичні ферменти:

1. Протеінази гідролізують внутрішні пептидні зв'язки з утворенням низькомолекулярних пептидів.

2. Пептидази руйнують кінцеві фрагменти молекули з карбоксильного або амінного кінця з утворенням амінокислот.

Грибні протеази можуть бути

· кислими (рН=2,5-5) Aspergillus saitoi, A.awamori, Penicillium jantinellum

· нейтральними (рН=6-7) Aspergillus ochraceus, A.oryzae, A. terricola

· лужними (рН=8-11) Aspergillus soya, A.oryzae, Penicillium cyaneo-fulvum

Протеази утворюють й інші аспергіли та пеніцили, а також мукоральні гриби, дерматофіти, кератофіти.

Після підготовчого метаболізму полімерних джерел живлення відбуваються реакції основного метаболізму.

Неполімерні потенційні джерела вуглецю для грибів налічують біля 200 сполук:

56-60 вуглеводів, кислот і спиртів – похідних цукрів,

43-50 амінокислот та азотвмісних сполук,

40 органічних кислот та складних ефірів,

16-20 стероїдних сполук та алкалоїдів

Ряд цукрів та кислот за збільшенням інтенсивності споживання грибами:

Галактоза < арабіноза < фруктоза < глюкоза

HCOOH < CH₃COOH < CH₃CH₂COOH < CH₃CH₂CH₂COOH
Мурашина Оцтова Пропіонова Масляна

СН₃СН₂СООН < СН₃СН(ОН)СООН або СООНСН₂СН₂СООН
Пропіонова Молочна Бурштинова кислота

Двоосновні кислоти більш поживні, ніж одноосновні.

СООНСН-СНСООН < СООНСН(ОН)СН₂СООН

Фумарова кислота Яблучна кислота

Найвищу поживну цінність мають шестиатомні спирти (маніт, інозит)

Інтенсивність споживання вуглеводнів нижча за таку для жирних кислот

Парафіни < олеїнова < стеаринова < пальмітинова < гліцерин

Провідними катаболітичними шляхами у грибів є класичний гліколіз (шлях Ебдена-Мейєргофа-Парнаса (ЕМП) - перетворення глюкози на піруват через глюкозодифосфат) та глюкозомонофосфатний шлях (ГМФ - перетворення глюкози через глюконову кислоту). ГМФ може переключатися на ЕМП.

Взаємозв’язок шляхів метаболізму гексоз і гексонових кислот у грибів в межах 2 типів катаболізму як першого етапу вуглеводного обміну

Домінування одного з цих шляхів залежить від співвідношення сірки та фосфору в субстраті та має різні наслідки.

Зсув балансу P:S в бік фосфору супроводжується домінуванням ЕМП-шляху (накопичення волютину та збільшення вмісту ДНК (частише поділ ядер). Зсув балансу P:S в бік сірки – домінуванням в гліколізі ГМФ-шляху (збільшення вмісту РНК).

Гліколітичні шляхи не є джерелом енергії через низький її вихід, у 20-30 разів нижчий, ніж у дихальному ланцюзі, пов’язаному з циклом Кребса.

Провідною є роль гліколізу в конструктивному обміні для забезпечення низькомолекулярними сполуками більш складних центральних синтезів первинних метаболітів та численних бічних відгалужень метаболічних шляхів.

Більш вагомою для енергетичного та пластичного обміну є функція циклу трикарбонових кислот пов’язана з необхідністю створення базового матеріалу для синтезу білків, нуклеотидів, ліпідів, вітамінів. Ферменти циклу Кребса локалізуються у мітохондріях на противагу ферментам гліколізу, які знаходяться у цитоплазмі.

Значення циклу Кребса для грибів таке саме, як для інших організмів.

Синтез первинних амінокислот шляхом амінування кето- і оксикислот, з яких утворюються інші амінокислоти, а далі білки. З оксалоацетату чи малату утворюється аспарагінова кислота, з a-кетоглютарату – глутамінова кислота, з пірувату – аланін, з гліоксилату – гліцин.
Одержання енергії і здійснення окиснювального фосфорилювання у дихальному ланцюзі, тобто запасання енергії у вигляді АТФ та макроергічних сполук.
Поповнення запасів вуглецю через фіксацію СО₂.

Гетеротрофна фіксація СО₂ - не виключний спосіб живлення таким джерелом вуглецю як СО₂, а один з можливих етапів вуглеводного обміну:

1. В умовах переходу від гліколізу до циклів ди- і трикарбонових кислот можливе карбоксилювання пірувату при утворенні оксалоацетату (реакція Вуда-Веркмана):

Піруват + АТФ + СО₂ → Оксалоацетат + АДФ

2. Шлях включення СО₂ в ацетат при утворенні малонату для ліпідного обміну.

Гетеротрофна фіксація СО₂ – потенційна властивість грибів-оліготрофів.

Джерелами азоту для грибів є передусім нітрати та аміак. Нітратний азот не використовують ооміцети Saprolegnia, вищі базідіоміцети. Водночас, фузарії можуть використовувати нітрати з утворенням геміоксиду азоту N₂O й переносити їх насичені розчини в середовищі.Тобто нітрати можуть бути використані у клітині нітратреспіративним шляхом (дисиміляційною нітратредукцією), коли нітрат є акцептором електронів.

NO₃ → NO₂→ NO → N₂O

Нітратредуктази, що відновлюють нітрат до амонія, ініціюються у грибів специфічним субстратом (етанолом, бензоатом тощо), а наявність в середовищі амонійного азоту, кінцевого продукту нітратредуктаз, знижує їх активність.

Амоній окиснюється грибами до нітратів, але без одержання енергії. Багато видів грибів є хемоорганогетеротрофними нітрифікаторами (Aspergillus, Penicillium та інш.)

NН₄ → NН₂OН→ NO₂→ NO₃

Деякі види грибів використовують тільки азот амінокислот (сапро-, некро-, біотрофи). Найкращими джерелами азоту є аспарагінова, глутамінова кислота, їх аміди, гліцин. Рідше використовують сірковмісні амінокислоти (цистин, цистеїн, метіонін) та ароматичні (триптофан).

Ріст деяких грибів стимулюється додаванням амінокислот або білка. Так, у такій спосіб стимулюється конідіальна стадія Claviceps у порівнянні з ростом на середовищі з нітратом.

Кінцевий продукт азотистого обміну тварин – сечовина – є не відкидним, а запасним метаболітом у грибів до 12-15%.

Окрім ферментів гриби утворюють інші первинні метаболіти – карбонові кислоти (в циклі Кребса), амінокислоти, цукри, нуклеїнові кислоти.

В амінокислотному синтезі грибів як маркер використовують тип синтезу лізину.

У складі ліпідів грибів присутні 6 фракцій: жирні кислоти, глицериди, фосфоліпіди, стероли у різних співвідношеннях.

Прикладом специфічної для грибів сполуки є ергостерол – ліпідний компонент мембран грибів.

У деяких грибів можлива диференціація за вмістом жирних кислот у складі фосфоліпідів SexM та SexP міцелію.

Наприклад, SexP-міцелій Blakeslea trispora містить більше олеїнової кислоти, а у SexM-міцелії більше линолевої кислоти.

Можливі також зміни ступеня ненасиченості жирних кислот під впливом фізико-хімічних факторів, зокрема концентрації металів у середовищі.

Наприклад, зі збільшенням концентрації іонів міді у субстраті ступінь ненасиченості жирних кислот зменшується.

Специфічною резервною речовиною грибів є трегалоза (a-глюкозидо-глюкозид (мікоза)).

Вміст трегалози може досягати 2%. Використовуючи її, гриби накопичують маніт, особливо у плодових тілах до 10-15%.

Можливе накопичення також глікогену 1,5-40% в залежності від виду гриба та його віку.

Водночас шляхи утворення первинних метаболітів мають численні відгалуження, в яких утворюються вторинні метаболіти. Ці продукти найчастіше утворюються у більш пізні фази росту грибів, хоча деякі присутні і на ранніх стадіях, регулюючи процеси метаболізму.

Особливостями грибів є шляхи синтезу вторинних метаболітів через коєву, шикимову кислоту та малонат. Водночас амінокислотний обмін має відгалуження на синтез бета-лактамних антибіотиків, а синтез пептидів - пептидних токсинів та антибіотиків.

Антибіотики були першими зі вторинних метаболітів грибів, що виділені та вивчені.

Бета-лактами – пеніциліни та цефалоспорини з грибів Penicillium, Acremonium (Cephalosporium).

Фузидин – стероїдний антибактеріальний антибіотик з Acremonium fusidioides.

Цитринін з P.citrinum, мікроцид (1948-50) (антибактеріальна глюкозооксидаза) з P.vitalе, фунгіцидний антибіотик грізеофульвін з P.griseofulvum.

Фумагілін – протиамебний антибіотик з Aspergillus fumigatus.

Віридин та аламетицин – протибактериальні та протигрибні антибіотики з Trichoderma viride. Триходермін – фунгіцид для тепличних господарств. Циклоспорин А – цитостатик з Т.polysporum.

Яваніцин – антибактеріальний антибіотик з Fusarium javanicum. Еніатин А – з F.sambucinum, еніатин В – з F.orthocerus var. enniatinum.

Аманітин – пептидний протипухлинний антибіотик з Amanita falloides.

соон