Физиология микроорганизмов. Дыхание бактерий, типы дыхания

Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, питания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.

Питание микроорганизмов

Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболочку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нерастворимые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.

По способу питания разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.

Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и воды) органические соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микробы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окислительных реакций (хемосинтез).

Все реакции обмена веществ в микробной клетке происходят при помощи биологических катализаторов - ферментов. Большинство ферментов состоят из белковой части и простетической небелковой группы. В простетическую группу могут входить такие металлы, как железо, медь, кобальт, цинк, а также витамины или их производные. Некоторые ферменты состоят только из простых белков. Ферменты специфичны и действуют только на одно определенное вещество. Поэтому в каждом микроорганизме находится целый комплекс ферментов, причем некоторые ферменты способны выделяться наружу, где участвуют в подготовке к усвоению сложных органических соединений. Ферменты микроорганизмов используются в пищевой и других видах промышленности.

Вода . Микробная клетка на 75-85 % состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные вещества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обмена удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных структур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50 % и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.

Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14 %), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.

— основной пластический материал любой живой клетки, и микробной в том числе. Белки составляют основу цитоплазмы, входят в состав оболочки клетки и некоторые клеточные структуры. Они выполняют очень важную каталитическую функцию, так как входят в состав ферментов, катализирующих реакции обмена в микробной клетке.

В клетке микробов содержатся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК находится в основном в ядре клетки или нуклеотидах, РНК — в цитоплазме и рибосомах, где участвует в синтезе белка.

Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или капелек.

Углеводы входят в состав оболочек, капсул и цитоплазмы. Они представлены в основном сложными углеводами — полисахаридами (крахмал, декстрин, гликоген, клетчатка), могут быть в соединении с белками или липидами. Углеводы могут откладываться в цитоплазме в виде зерен гликогена, как запасного энергетического материала.

(фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходимы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.

Необходимы для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с пищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В 2 или В 12 .

Дыхание микроорганизмов

Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с затратой энергии. Большинство микробов используют энергию химических реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.

Аэробные микроорганизмы (аэробы) используют энергию, выделяемую при окислении органических веществ кислородом воздуха с образованием неорганических веществ, углекислого газа и воды. К аэробам относятся многие бактерии, грибы и некоторые дрожжи. В качестве источника энергии они чаше всего используют углеводы.

Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для дыхания кислород, они живут и размножаются при отсутствии кислорода, получая энергию в результате процессов брожения. Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка перфрингенс), маслянокислые бактерии и др.

В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50 % выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, гак и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.

Дыхание бактерий. Необходимую для своей жизнедеятельности энергию клетка бактерии получает в процессе дыхания бактерии.

По типу дыхания все микроорганизмы делятся на две группы: микробы, у которых процесс дыхания связан с использованием свободного кислорода воздуха, и микроорганизмы, не нуждающиеся в свободном кислороде, который для них оказывается даже вредным.

Первая группа микроорганизмов получила название аэробов (тип дыхания аэробный); вторая группа - анаэробов (тип дыхания - анаэробный).

Расщепление углеводов в бескислородных условиях называется брожением. В зависимости от вида микроорганизмов, вызывающих процесс брожения, последний бывает спиртовым, уксуснокислым и др. Это значит, что в процессе брожения может образовываться либо спирт, либо уксусная кислота и т. д.

Ферменты бактерий. Процессы питания и дыхания бактерий протекают обязательно при участии ферментов - особых веществ белкового характера. Ферменты даже в самых незначительных количествах намного ускоряют соответствующие химические процессы, сами почти не изменяясь.

Без ферментов процессы питания и дыхания могли бы протекать, но очень медленно. Ферменты образуются только в живых клетках. Одна группа ферментов не связана с микробной клеткой, и они выделяются бактериями в окружающую среду. Функция этой группы заключается в том, что ферменты способствуют расщеплению сложных соединений на более простые, доступные усвоению. Другая группа ферментов (таких большинство) находится внутри бактериальной клетки и связана ней.

Кроме того, существуют ферменты, которые появляются у бактерий в процессе приспособления к изменившимся условиям питания.

Характерная особенность ферментов заключается в том, что на вещества определенного состава или групп действует свой фермент. Так, имеются ферменты для переработки сложных углеродистых соединений (сахаров), белков, жиров и т. д.

Рост и размножение бактерий. Процесс роста бактериальной клетки выражается в увеличении ее размеров. Этот процесс протекает очень быстро - в течение нескольких минут.

После того как бактерии достигают взрослого состояния, начинается процесс размножения путем простого поперечного деления. В благоприятных условиях (достаточное питание, благоприятная температура) бактериальная клетка делится каждые 50-30 мин. Подсчитано, что если бы размножение бактерий происходило беспрепятственно, то в течение 5 суток из одной клетки образовалась бы такая живая масса, которая заполнить все моря и океаны. Но такое размножение требует как указывалось выше, ряда благоприятных условий, которые во внешней среде не имеют места.

Химический состав бактерий. Бактериальная клетка содержит большое количество воды - 75-85% массы клетки. Oстальные 15% приходятся на сухой остаток, в состав которого входят белок, углеводы, жиры, соли и другие вещества.

Бактериальные белки представляют собой сложные белки, состоящие из различных химических соединений. Эти химические вещества необходимы для жизнедеятельности бактериальной клетки.

Кроме белков в состав сухого остатка бактерий входят углеводы (12-28%), нуклеиновые кислоты.

Количество жиров, входящих в состав сухого остатка, может быть различным. У некоторых форм бактерий содержание жира доходит до "/з сухого остатка. В основном жиры входят в состав оболочки, обусловливая ряд ее свойств.

Необходимой составной частью бактериальной клетки являются минеральные соли, составляющие около "/зоо всей масс клетки. В состав бактериальных клеток входят также азот, кислород, водород, углерод, фосфор, калий, натрий, магний, кальций, кремний, сера, хлор, железо.

В зависимости от условий внешней среды химический состав бактерий может изменяться как количественно, так и качественно.

Питание бактерий. Питание бактерий - весьма сложный процесс, который происходит за счет непрерывного проникновения определенных питательных веществ через полупроницаемую оболочку и выделения из клетки продуктов обмена.

Так как оболочка бактерий непроницаема для белков и других сложных соединений, необходимых для питания клетки, эти вещества усваиваются после расщепления ферментами.

Большое значение для нормального питания бактерий имеет правильное соотношение концентраций солей внутри клеток и в окружающей среде. Наиболее благоприятные условия питания создаются при концентрации солей в окружающей среде, равной 0,5% раствора хлористого натрия.

При попадании в 2-10%-ный раствор хлористого натрия происходит сморщивание бактериальной клетки - обезвоживание, которое делает ее неспособной к размножению. На этом основан способ консервирования продуктов при помощи соления.

Для питания бактериям необходимы кислород, водород, углерод и азот. Источниками снабжения этими веществами может быть вода, воздух и др.

Помимо перечисленных обычных питательных веществ для роста бактерий необходимы особые химические соединения.

Установлено, что некоторые виды стрептококков совершенно не растут при отсутствии витамина В.

Пигментообразование. Некоторые виды бактерий и грибков обладают способностью образовывать различные красящие вещества- пигменты. Большей частью этой способностью обладают бактерии, находящиеся в почве, воздухе и воде. Особенно отчетливо это качество микробов обнаруживается в лабораторных условиях. При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют колонии, которые благодаря различным пигментам имеют окраску: красную, белую, фиолетовую, золотистую и др.

Установлено, что наилучшими условиями для образования пигмента являются достаточный доступ кислорода, света и комнатная температура.

Считают, что пигменты у микробов выполняют защитную функцию против губительного действия солнечного света; кроме того, они играют определенную роль в процессах дыхания.

Свечение. В природе существуют микробы, в том числе и бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют вещества, способные при соединении с кислородом воздуха светиться. Явления свечения гнилушек, поверхности моря и др. объясняются развитием подобных микробов. Такие светящиеся микробы не болезнетворны для человека.

Образование запахов. Свойство микробов образовывать запахи (ароматообразование) объясняется наличием особых летучих веществ, которые по своей химической природе близки к эфирам (эфироподобные вещества). Различные ароматообразующие бактерии используются в пищевой промышленности для изготовления сыра, масла, вина и других продуктов.

Из бактерий, являющихся болезнетворными для человека и издающих запах при выращивании в лабораторных условиях, можно назвать туберкулезную палочку, запах которой приближается к запаху меда, и т. д.

Микробные яды. Попадая в организм человека, и размножаясь там, микробы вырабатывают вещества, отрицательно действующие на нервную систему, сердце, внутренние органы. Эти вредные вещества получили название токсинов. Микробные токсины - наиболее сильнодействующие яды из всех известных. Даже незначительное их количество может оказать ядовитое действие на организм. Поражения, наблюдаемые при многих инфекционных заболеваниях, связаны с действием микробных токсинов. Токсины имеются почти у всех болезнетворных микробов. Токсины бывают двух видов: экзотоксины и эндотоксины.

Экзотоксинами называются яды, которые легко выходят из микробной клетки в окружающую среду.

Экзотоксины характеризуются относительно малой устойчивостью, легко разрушаются под влиянием нагревания, действия света и различных химических веществ. Характерным свойством экзотоксинов является их действие в крайне малых дозах.

Микробные экзотоксины - это одни из наиболее сильных. Так, например, 0,00001 мл столбнячного токсина вызывает бель белой мыши, а токсин микроба ботулизма действует в меньшей дозе.

Эндотоксины прочно связаны с телом микробной клетки, освобождаются только после разрушения тела микроба. В отличие от экзотоксинов эндотоксины вызывают в организме следующие признаки отравления: головную боль, слабость, одышку т. д. Эндотоксины более устойчивы, чем экзотоксины, некоторые выдерживают даже кипячение. Токсичность для организмов у них значительно меньше, чем у экзотоксинов.

Эндотоксины имеются у всех болезнетворных микробов; экзотоксины вырабатываются только некоторыми из них - дифтерийной палочкой, стафилококком, бактерией ботулизма.

Изменчивость микробов. В естественных условиях на микробы постоянно воздействуют многие факторы, обусловливающие процесс изменчивости. К этим факторам помимо питания, температуры относится явление микробного антагонизма, влияние внутренней среды организма человека и животного.

Благодаря тесному контакту с окружающей средой и интенсивному размножению микроорганизмы быстро приспосабливаются к новым условиям, и соответственно с этим изменяются их первоначальные свойства. Например, в горячей воде гейзеров обитают бактерии, которые оформились как вид под влиянием окружающих условий. Некоторые болезнетворные микробы при взаимодействии с лекарственными веществами могут приобрести к ним устойчивость. Таким образом, огромное значение для жизнедеятельности организма имеют условия cyществования, изменяя которые (питание, температуру, влажность и др.), можно вызвать соответствующие изменения природы микроорганизма.

Изменчивость свойственна всем видам микроорганизмов. Одной из причин изменчивости микробов является бактериофаг.

Бактериофаги - это живые организмы, которые размножаются только тогда, когда проникают извне внутрь микробной клетки. Вне организма микробов бактериофаги не размножаются, а находятся в состоянии покоя. Действие бактериофага на микробную клетку заключается в следующем: окружив микробную клетку, бактериофаги постепенно проникают внутрь и размножаются. Быстрота размножения бактериофага зависит от многих условий: характера микроба, условий его существования и др. Через 1-3ч внутри микробной клетки образуется множество новых бактериофагов, оболочка этой клетки разрывается, и вся масса бактериофагов выпадает из нее.

При взаимодействии бактериофага с микробом, последний всегда гибнет. Если активность бактериофага недостаточна, отдельные микробные клетки выживают и дают начало росту новых микробных клеток, уже устойчивых к данному бактериофагу.

Под влиянием бактериофага микробы изменяют свои свойства: лишаются болезнетворной способности, теряют капсулу и др.

Для каждого вида болезнетворного микроба существует свой бактериофаг, например, дизентерийный, брюшнотифозный, стафилококковый.

Под действием света, кислорода воздуха, тепла, бактериофаг теряет активность в течение 1-2 месяцев. Ультрафиолетовые лучи разрушают бактериофаги за 15 мин. Быстрое уничтожение бактериофагов происходит в кислой среде.

Бактериофаги находятся повсюду, где есть бактерии. Различные бактериофаги можно обнаружить в сточных водах, речной воде, в выделениях человека и животного и других объектах.

Дыхание микроорганизмов

Описанные выше процессы ассимиляции пищи протекают с затратой энергии. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду.

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

АН 2 + В - А + ВН 2 + энергия

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г. французский ученый Л.Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы - растения и животные - могут жить только в атмосфере, содержащей кислород.

По этому признаку (по типам дыхания) Л.Пастер разделил микроорганизмы на две группы - аэробы и анаэробы.

Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + 2822 кДж.

Анаэробы - это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями . Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислые брожения. Рассмотрим на примере спиртового брожения:

С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 118 кДж.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относятся возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют - факультативными, или условными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

Ферменты микроорганизмов

Ферменты - вещества, способные каталитически влиять на скорость биохимических реакций. Они играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Открыты ферменты в 1814 г. русским академиком К.С.Кирхгофом.

Как и другие катализаторы, ферменты в реакциях превращения веществ принимают участие лишь в качестве посредников. Количественно в реакциях они не расходуются. Ферменты микроорганизмов обладают целым рядом свойств:

1) При температуре до 40-50єС увеличивается скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать. При температуре выше 80°С практически все ферменты необратимо инактивируются.

2) По химической природе ферменты бывают однокомпонентными, состоящими только из белка, и двухкомпонентными, состоящими из белковой и небелковой частей. Небелковая часть у ряда ферментов представлена тем или иным витамином.

3) На активность фермента оказывает большое влияние рН среды. Для одних ферментов наилучшей является кислая среда, для других - нейтральная или слабощелочная.

4) Ферменты обладают высокой активностью. Так, молекула каталазы разрушает в минуту 5 млн молекул пероксида водорода, а 1 г амилазы при благоприятных условиях превращает в сахар 1 т крахмала.

5) Каждый фермент обладает строгой специфичностью действия, т. е. способностью влиять только на определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества. Например, амилаза вызывает расщепление только крахмала, лактаза - молочного сахара, целлюлаза - целлюлозы и т. д.

6) Ферменты, присущие данному микроорганизму и входящие в число компонентов его клетки, называются конститутивными . Существует и другая группа - ферменты индуцируемые (адаптивные), которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент, которым, он не обладал.

7) По характеру действия ферменты подразделяются на экзоферменты , которые выделяются клеткой во внешнюю среду, и эндоферменты , которые прочно связаны с внутренними структурами клетки и действуют внутри нее.

8) Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после ее смерти они временно еще остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (от греч. аutos - сам, lysis - растворение) - саморастворение или самопереваривание клетки под влиянием ее собственных внутриклеточных ферментов.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. Ферменты делятся на 6 классов:

1-й класс - оксидоредуктазы - играют большую роль в процессах брожения и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене.

2-й класс - трансферазы (ферменты переноса) катализируют реакции переноса групп атомов от одного соединения к другому.

3-й класс - гидролазы (гидролитические ферменты). Они катализируют реакции расщепления сложных соединений (белки, жиры и углеводы) с обязательным участием воды.

4-й класс - лиазы включают двухкомпонентные ферменты, отщепляющие от субстратов определенные группы (СО 2 , Н 2 О, NН з и т. д.) негидролитическим путем (без участия, воды).

5-й класс - изомеразы - это ферменты,.катализирующие обратимые превращения органических соединений в их изомеры.

6-й класс - лигазы (синтетазы) - это ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из более простых. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов микробов в пищевой и легкой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Препараты амилолитических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалосодержащего сырья вместо зернового солода, а в хлебопекарной промышленности взамен солода при приготовлении заварного ржаного хлеба; добавляют грибные амилазы и в пшеничное тесто. Поскольку в этом препарате помимо амилазы имеются, хотя и в небольшом количестве, другие ферменты (мальтаза, протеазы), процесс изготовления теста ускоряется, увеличиваются объем и пористость хлеба, улучшаются его внешний вид, аромат и вкус. Применение этих ферментных препаратов в пивоварении позволяет частично заменить солод ячменем. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Пектолитические ферментные грибные препараты используют в соко-морсовом производстве и виноделии. В результате разрушения пектина этими ферментами ускоряется процесс выделения сока, повышается его выход, фильтрация и осветление. Ферментные препараты, содержащие микробные протеазы, используют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива, а в сыроделии - взамен (частично) сычужного фермента. Целесообразно применять микробные протеазы для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и сельди, получения из отходов рыбной и мясной промышленности пищевых гидролизатов и для других технологических процессов переработки животного и растительного сырья.

Химический состав микроорганизмов

По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75-85% воды, остальные 16-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свободном и в связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ.

Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ.

белки - до 52%,

полисахариды - до 17%,

нуклеиновые кислоты (РНК до 16%, ДНК до 3%),

липиды - до 9%

Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции. В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества - органические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

Контрольные вопросы

1. Что такое тургор?

2. Что такое диссимиляция?

3. Какие микроорганизмы называются автотрофными?

4. Что такое осмос?

5. Какие микроорганизмы называются факультативными?

6. Что такое плазмолиз?

7. в каких процессах участвуют липазы?

8. Какое количество воды входит в состав микроорганизмов?

10. Какие микроорганизмы называются анаэробными?

Существует два типа дыхания мкробов – аэробное и анаэробное.

Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором акцептором водорода (прото­нов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления, главным образом сложных орга­нических соединений, образуется энергия, которая вы­деляется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у ми­кроорганизмов- углеводы. При их расщеплении, кото­рое происходит разными путями, получается важный промежуточный продукт - пировиноградная кислота. Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Креб-са) и дыхательной цепи. В результате расщеп­ления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца--до образования углерода диоксида и воды с освобождением большого количества энергии: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 -*■ 6СО 2 + 6Н 2 О + 2874,3 к Дж.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами. Например, осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бак­териями, у которых при окислении этилового спирта об­разуется уксусная кисло­та и вода:

СН 3 СН 2 ОН + О 2 -* СН 3 СООН + Н 2 О + 494,4 к Дж.

У некоторых бактерий в процессе дыхания происхо­дит окисление неорганических соединений. Примером окисления неорганических соединений могут служить процессы нитрификации, при которых нитрифицирующие бактерии вначале окисляют аммиак до азотистой кис­лоты, а затем до азотной. В каждом случае при этом выделяется энергия: в первой фазе 274,9 кДж, во вто­рой-87,6 кДж.

Анаэробное дыхание осуществляется без участия мо­лекулярного кислорода. Различают анаэроб­ное нитратное дыхание, анаэроб­ное сульфатное дыхание и брожение. При анаэробном дыхании акцептором водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восстанов­ленные формы, что сопровождается выделением энергии.

1. анаэроб­ное нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекулярного азота

2. анаэроб­ное сульфатное дыхание - восстановление сульфатов до сероводорода.

3. Брожение - расщепление органических углеродсо-держащих соединений в анаэробных условиях. Оно ха­рактеризуется тем, что последним акцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщен­ными связями. Вещество при этом разлагается только до промежуточных продуктов, представляющих собой сложные органические соединения (спирты, органиче­ские кислоты). Заключенная в них энергия в небольших количествах выделяется в окружающую среду. При бро­жении энергии освобождается меньше. Например, при брожении глюкозы освобождается в 24,5 раза меньше энергии, чем при ее аэробном окислении.

Все виды броже­ний до образования пировиноградной кислоты протека­ют одинаково. Дальнейшее превращение пировиноград­ной кислоты зависит от свойств микроба. Гомофермен-тативные молочнокислые бактерии превращают ее в молочную кислоту, дрожжи - в этиловый спирт и т. д.

Классификация микробов по типу дыхания.

По типу дыхания микроорганизмы классифицируют на четыре группы.

1. Облигатные (безусловные) аэробы растут при свободном доступе кислорода. К ним относятся уксуснокислые бактерии, возбудители туберкулеза, сибирской язвы и многие другие.

2. Микроаэрофильные бактерии развиваются при низкой (до 1 %) концентрации кислорода в окружающей атмосфере. Такие условия благоприятны для актиномицетов, лептоспир, бруцелл.

3. Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода воздуха, так и в отсутствие его. Имеют соответственно два набора ферментов. Это энтеробактерии, возбудитель рожи свиней.

4. Облигатные (безусловные) анаэробы развиваются при полном отсутствии кислорода в окружающей среде. Анаэробные условия (обходимы маслянокислым бактериям, возбудителям столбняка, ботулизма, газовой гангрены, эмфизематозного карбункула, некробактериоза.

Введение

питание дыхание микроорганизм бактерия

Как известно, микроорганизмы черпают энергию, необходимую для поддержания их жизнедеятельности, за счет различного рода процессов окисления органических (а иногда и неорганических) веществ. При этом окисление происходит путем отщепления от субстратов водорода (или электронов). Водород переносится по цепи ферментов и в конечном итоге соединяется с кислородом, образуя воду. Анаэробный же способ извлечения энергии характеризуется тем, что свободный кислород в нем не принимает участия, а органические субстраты окисляются только за счет отщепления водорода. Освобождающийся водород либо присоединяется к продуктам распада того же самого органического вещества, либо выделяется в газообразном состоянии.

Типы дыхания микроорганизмов

Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду.

В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление - его присоединения. Эти же термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и электронов или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении - их при-соединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.

Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливается окислительно-восстановительным потенциалом. По предложению М. Кларка, его обозначают гН2 (отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода). Это степень насыщения среды кислородом или водородом. Диапазон J Н2 колеблется от 0 до 42,6. При П12<.,28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при НТ2,.>28 окислительными, при iil2, равным 28, среда нейтральная.

Аэробы живут при более высоком окислительно-восстановительном потенциале (ili2 14-35), анаэробы- при более низком (гН2 0-12). Попы Н1 (про тоны), каковыми они в сущности и являются, переносятся против электрохимическою градиента, то есть из среды с меньшей концентрацией в среду, где их много. Процесс переноса протонов связан с потреблением энергии. Проникновение ионов водорода через мембрану происходит не по законам осмоса, а активно, с помощью насоса, который называется водородной помпой. Таким образом, биологические преобразования в цитоплазме микробной клетки связаны с движением протонов и электронов, но это не простое электрическое движение, а сложный биохимический процесс, который осуществляется при помощи ферментов. Последние катализируют реакции, ускоряют разрыв ковалентных связей и тем самым снижают энергию активации.

Электроэнергия, вырабатываемая микробами, может быть использована даже в некоторых приборах. В настоящее время сконструированы передатчики, работающие на биологической электроэнергии, ее вырабатывают микроорганизмы, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде. (Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления, главным образом сложных органических соединений, образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление?!

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов- углеводы. При их расщеплении, которое происходит разными путями, получается важный промежуточный продукт - пировиноградная кислота (пируват). Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и дыхательной цепи (рис. 17). В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца - до образования углерода диоксида и воды с освобождением большого количества энергии: С6Н12Об + 602 -* 6С02 4- 6Н20 + 2874,3 кДж.

Она соответствует запасу потенциальной энергии гексозы, то есть тому ее количеству, которое было аккумулировано в молекуле сахара при фотосинтезе его из углерода диоксида и воды в зеленых растениях. Передача электронов водорода на кислород осуществляется через дыхательную цепь, или цепь переноса электронов. Дыхательная цепь - это система дыхательных фермен¬тов, которые находятся в мембранах. Мембраны, как известно, контактируют с цитоплазмой клетки, в результате чего происходит их взаимодействие.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами.

Анаэробы - организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратногофосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

На схеме 1 показан транспорт электронов при дыхании и различных типах анаэробного способа получения энергии. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридиннуклеотидных ферментов (ПН). Далее они у аэробов проходят по цепи ферментов с возрастающими потенциалами-флавопротеидные (ФП - цитохромные ферменты (Цит.) - и с помощью цитохромоксидазы (Цит. оке.) переносятся на кислород. Поток электронов направлен от системы с более низким (более отрицательным потенциалом) к системе с более высоким (более положительным) потенциалом, от - 0,8 - 0,4 в (потенциал субстрата) до +0,8 в (потенциал кислорода).

Таким образом, при дыхании конечным акцептором водорода является кислород. У анаэробов в качестве акцепторов водорода выступают либо органические субстраты (брожение), либо неорганические вещества, такие, как нитраты или сульфаты («анаэробное дыхание»). Из схемы видно, что наиболее просто и примитивно транспорт электронов осуществляется у большинства анаэробов из-за отсутствия у них ферментов цепи переноса электронов, способных передавать электроны по цепочке вплоть до молекулярного кислорода.

Молекулярный кислород отрицательно действует на рост и активность облигатных анаэробов. В присутствии свободного кислорода клетки анаэробов теряют подвижность. Благодаря этой реакции анаэробы были впервые обнаружены Пастером. Однажды он рассматривал под микроскопом каплю бродящей жидкости (при маслянокислом брожении), помещенную между двумя тонкими плоскими стеклышками, и заметил, что клетки, находящиеся по краям препарата (куда кислород воздуха свободно проникал), становились внезапно неподвижными, а палочки, находящиеся в центре препарата (куда воздух не проникал), продолжали очень активно двигаться.

Отсюда Пастер сделал вывод, что кислород воздуха ядовит для некоторых микробов, и разделил последние на две группы - аэробов и анаэробов. Противники Пастера (например, Трекюль) возражали против утверждения о существовании бактерий, для которых кислород воздуха может быть смертельным, и приводили в пример споры анаэробов, способные длительное время сохраняться на воздухе. На это Пастер отвечал, что споры не являются настоящими живыми существами, так как они не питаются и не размножаются. Последующее развитие науки подтвердило положения Пастера. Так, было показано, что спорам бактерий свойствен крайне выраженный анабиоз и обмен веществ у них находится на таком низком уровне, что его даже не удается измерить с необходимой точностью. В связи с этим споры не чувствительны ко многим повреждающим факторам, а споры анаэробов могут, кроме того (в отличие от вегетативных клеток), легко сохраняться на воздухе.

Вопрос, почему кислород является токсичным для апаэробов, еще недостаточно выяснен. Одни исследователи считают, что токсическое действие кислорода связано с образованием в культурах анаэробных микроорганизмов ядовитых концентраций перекиси водорода, образующейся в результате окисления субстрата кислородом воздуха. Причиной накопления перекиси водорода является отсутствие у анаэробов фермента каталазы (разлагающего перекись). Имеются сообщения, что некоторые штаммы клостридиев могут расти и в аэробных условиях, если к среде добавлена каталаза. Но, с другой стороны, очень важным фактором, определяющим развитие анаэробов, являются окислительно-восстановительные условия среды. Они выражаются через окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), измеряемый в вольтах (напряжение на электроде, погруженном в испытуемую среду). Окислительно-восстановительные условия можно выразить также через показатель rН2, характеризующий соотношение между Н2 и О2. rН2 в пределах от 0 до 40 характеризует все степени восстановленности или окисленности среды в зависимости от насыщения ее кислородом либо водородом. Подробные исследования условий развития апаэробов показали, что облигатные анаэробы не могут развиваться при rН2 (или ОВП) выше определенного предела. rН2 в среде можно измерить либо электрометрическим способом (с помощью потенциометров), либо с помощью красителей, которые восстанавливаются и обесцвечиваются (или изменяют цвет) при определенных значениях rН2. Так, например, краситель янусгрюн в аэробных условиях при rН2 = 20 и выше имеет в растворе зелепый цвет, при rН2 в пределах 12-14 - розовый цвет, а при еще более низких значениях rН2 он обесцвечивается.

Анаэробы - обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:

Факультативные анаэробы

Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы

Аэротолерантные анаэробы

Умеренно-строгие анаэробы

Облигатные анаэробы

Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то его условно относят к факультативным анаэробам

До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа - B. abortus)

Умеренно-строгий анаэробныйорганизм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2.

Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O2 гибнут - например, представители (рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium,Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.

При этом характерным только для анаэробов является гликолиз, который в зависимости от конечных продуктов реакции разделяют на несколько типовброжению:

молочнокислое брожение - род Lactobacillus,Streptococcus,Bifidobacterium, а также некоторые ткани многоклеточных животных и человека. спиртовое брожение - сахаромицеты, кандида(организмы царства грибов)

муравьинокислое - семейство энтеробактерий

маслянокислое - некоторые виды клостридий

пропионовокислое - пропионобактерии(например, Propionibacterium acnes)

брожение с выделением молекулярного водорода -некоторые виды клостридий, ферментация Stickland

метановое брожение - например, Methanobacterium

Типы питания у микроорганизмов

Автотрофы (хемолитотрофы, фотолитотрофы) получают углерод из углерода диоксида (С02) воздуха и создают органическое вещество при помощи энергии, освободившейся в процессе окисления некоторых минеральных соединений (хемосинтез) или энергии солнца (фотосинтез). Явление хемосинтеза у хемолитотрофов впервые (1887) установлено русским микробиологом С. Н. Виноградским при изучении бесцветных серобактерий, нитрифицирующих и других микроорганизмов. Энергия, образуемая в процессе окислительных реакций, используется затем бактериями для усвоения углерода и создания органического вещества.

Фотолитотрофы (сине-зеленые водоросли, пурпурные серобактерии и другие микробы) обладают фотосинтезирующей способностью, так как содержат в своем составе пигменты (красящие вещества). Пигменты фотолитотрофов по своему составу близки к хлорофиллу зеленых растений. Фотобактерии, как и растения, создают органическое вещество, используя углерод из углерода диоксида и энергии солнца. Автотрофы могут развиваться в чисто минеральных средах, они не способны усваивать более сложные соединения углерода и поэтому не являются патогенными для животных.

Источники энергии

Наиболее доступные источники углерода для бактерий - углеводы и аминокислоты, что учитывают при изготовлении питательных сред.

Аутотрофия. Пищевые потребности аутотрофных [от греч. auto, сам, + trophe, питание бактерий ограничены; для их роста достаточно внесения в среду неорганических соединений, содержащих азот и другие минеральные элементы. Лутотрофные бактерии в качестве источника углерода утилизируют двуокись углерода или карбонаты. Такие бактерии способны синтезировать вce необходимые соединения из простых веществ. К ним относят фото- и хемотрофные (хемосинтезирующие) бактерии, использующие соответственно в качестве источника энергии электромагнитное излучение (свет), либо энергию окислительно-восстановительных реакций с участием субстратов, которые служат для них источником питания. Среди аутотрофов не обнаружено видов, имеющих медицинское значение.

Азот необходим бактериям для синтеза аминокислот (белков), пуриновых и пирим иди новых нуклеотидов, а также некоторых витаминов. Поскольку азот во всех живых организмах содержится в восстановленной форме, все минеральные формы азота с большей, чем у аммиака, степенью окисленности должны быть восстановлены.

Ряд микроорганизмов способен утилизировать азот только из органических соединений (аминогетеротрофы). Некоторые из микроорганизмов усваивают азот в виде неорганических форм (аминоаутотрофы). Однако многие микроорганизмы способны использовать как органический, так и минеральный азот.

Использование неорганического азота

В природе атомы минерального азота существуют в различной степени окисленности: от N5+ (N205, азотный ангидрид) до N3- (NH3, аммиак). Степень усвояемости минеральных соединений азота бактериями определяется лёгкостью их превращения в аммиак, так как он является самым простым предшественником высокомолекулярных азоторганических соединений. В этой группе бактерий возможны два разнонаправленных процесса: ассимиляция (связывания минеральных форм азота в органический материал) и диссимиляция (выделения газообразных форм азота).

Ассимиляционные процессы. Связывание минеральных форм азота происходит в ходе азотфиксации, ассимиляции аммиака и ассимиляционной нитратредукции.

Азотфиксация. Азотфиксирующие бактерии (например, Rhizobiut, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и др.) способны утилизировать азот из атмосферного воздуха, восстанавливая его до аммония с помощью специального фермента (нитрогеназа) в процессе, называемом азотфиксация.

Ассимиляция аммиака. Большинство бактерий усваивает аммоний в ходе ассимиляции аммиака. Бактерии, растущие на средах с аммонием, могут непосредственно включать его в органические соединения. Следует помнить, что после потребления неорганических аммонийных солей в среде накапливаются анионы (SO4, Сl, H3PO4 и др.), снижающие рН среды, что замедляет рост культур. Аммонийные соли органических кислот менее подкисляют среду и более благоприятны для роста бактерий.

Ассимиляционная нитратредукция. Подавляющее большинство бактерий и грибов, как и растения, усваивают нитрат в процессе ассимиляционной нитратредукции. На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов, цикл этих превращений катализирует специфический фермент - ассимиляционная нитратредуктаза В. Второй этап представляет комплекс восстановительных реакций, катализируемых нитритредуктазой, что приводит к образованию аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки.

Механизм поступления питательных веществ

Экзо-ферменты, локализованные на внешней стороне клеточной мембраны. У бактерий Э. могут выделяться во внешнюю среду или находиться между клеточной стенкой и клеточной мембраной.

Классификация ферментов.

В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла необходимость в научно обоснованной их классификации. По классификации, разработанной специальной комиссией Международного биохимического союза (1961), все/ферменты объединены в шесть классов: окендоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы, или синтетазы.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты. Они ускоряют процессы восстановления и окисления различных веществ, играют большую роль и процессах дыхания микробов. Эта группа миогочисленна, она включает более 200 ферментов. Вот некоторые из них.

Дегидрогеназы - ферменты, которые ведут процесс биологического окисления путем отнятия водорода от субстрата донора и переноса его на кислород или другой акцептор. Различают аэробные и анаэробные дегидрогеназы. Аэробные дегидрогеназы переносят водород как непосредственно на молекулярный кислород, так и па другие системы, они получили название оксидаз. Анаэробные дегидрогеназы вступают во взаи-модействие с субстратом, отнимают у него водород и передают акцептору, но не кислороду воздуха. Цитохромоксидазы - ферменты, переносящие, электроны. Цитохромоксндаза активирует молекулярный кислород и с его помощью окисляет восстановленный цитохром, актив ной группой которого является гемин. Каталаза содержится в клетках аэробных микробов и относится к группе геминовых ферментов, содержащих в своей молекуле трехвалентное железо, способное терять электроны (окисляться). При действии каталазы на перекись водорода происходит ее восстановление, образуются вода и молекулярный кислород. Пероксидаза содержится в некоторых микробах, она активирует кислород перекиси водорода и ускоряет окисление различных органических соединении.

Гидролизы - ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, то есть процесса расщепления сложных веществ па более простые с присоединением молекулы, воды. Они имеются у многих микроорганизмов. Гидролазы объединяют более 200 ферментов. В эту группу входят: эсте разы, расщепляющие сложные эфиры, образованные органическими кислотами и спиртами; фосфатазы, гидролизующие сложные эфиры, образованные спиртами и фосфорной кислотой; глюкозидазы, расщепляющие глюкозидные связи в углеродах и их производных; пептидазы; ускоряющие гидролиз пептидных связей в белках; амидазы, ускоряющие гидролиз амидов, аминокислот и других соединений.

Лиазы - ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путем ту или иную группу (реакция между углеродом и кислородом, азотом, серой, галоидом). Этот класс объединяет около 90 ферментов. Наиболее важное значение из них имеют карбоксилаза, альдегидлиаза (альдолаза) и др.

Изомеразы - ферменты, ускоряющие перемещение внутри молекул водорода, фосфора и двойных связей, что имеет важное значение в обмене веществ. К этой группе относятся фосфогексоизомераза, триозофосфотизомераза и др.

Лигазы или синтетазы - ферменты, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых за счет распада пирофосфорных связей (в АТФ или других богатых энергией пирофосфатов). Лигазы играют большую роль в синтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений. В этот класс входит около 100 ферментов. Представители этой группы - аспарагинсинтетаза, глютамипсинтетаза и др.