Fyziológia mikroorganizmov. Dýchanie baktérií, typy dýchania

Fyziológia mikroorganizmov študuje vlastnosti vývoja, výživy, energetického metabolizmu a iných životných procesov mikróbov v rôznych podmienkach prostredia.

Výživa mikroorganizmov

Mikróby sa živia difúziou živín rozpustených vo vode cez škrupinu a membránu. Nerozpustné komplexné organické zlúčeniny sa predbežne štiepia mimo bunky pomocou enzýmov vylučovaných mikróbmi do substrátu.

Podľa spôsobu výživy sa delia na autotrofné a heterotrofné.

Autotrofy schopné syntetizovať organické zlúčeniny z anorganických látok (hlavne oxidu uhličitého, anorganického dusíka a vody). Ako zdroj energie pre syntézu využívajú tieto mikróby svetelnú energiu (fotosyntéza) alebo energiu oxidačných reakcií (chemosyntéza).

Všetky metabolické reakcie v mikrobiálnej bunke prebiehajú pomocou biologických katalyzátorov - enzýmy. Väčšina enzýmov pozostáva z proteínovej časti a prostetickej neproteínovej skupiny. Protetická skupina môže zahŕňať kovy ako železo, meď, kobalt, zinok, ako aj vitamíny alebo ich deriváty. Niektoré enzýmy pozostávajú iba z jednoduchých bielkovín. Enzýmy sú špecifické a pôsobia len na jednu konkrétnu látku. Preto každý mikroorganizmus obsahuje celý komplex enzýmov a niektoré enzýmy sa môžu uvoľňovať von, kde sa podieľajú na príprave na asimiláciu zložitých organických zlúčenín. Enzýmy z mikroorganizmov sa využívajú v potravinárskom a inom priemysle.

Voda. Mikrobiálna bunka pozostáva zo 75-85% vody. Väčšina vody sa nachádza v cytoplazme bunky vo voľnom stave. Všetky biochemické metabolické procesy prebiehajú vo vode, pre tieto látky je rozpúšťadlom aj voda, keďže živiny vstupujú do bunky len vo forme roztoku a s vodou sa z bunky odstraňujú aj produkty metabolizmu. Časť vody v bunke je vo viazanom stave a je súčasťou niektorých bunkových štruktúr. V spórach baktérií a húb sa množstvo voľnej vody zníži na 50 % alebo menej. Pri výraznej strate viazanej vody mikrobiálna bunka odumiera.

Organická hmota mikrobiálne bunky predstavujú bielkoviny (6-14%), tuky (1-4%), sacharidy, nukleové kyseliny.

- hlavný plastový materiál každej živej bunky, vrátane mikrobiálnych. Proteíny tvoria základ cytoplazmy a sú súčasťou bunkovej membrány a niektorých bunkových štruktúr. Plnia veľmi dôležitú katalytickú funkciu, keďže sú súčasťou enzýmov, ktoré katalyzujú metabolické reakcie v mikrobiálnej bunke.

Mikrobiálne bunky obsahujú kyselinu deoxyribonukleovú (DNA) a kyselinu ribonukleovú (RNA). DNA sa nachádza najmä v bunkovom jadre alebo nukleotidoch, RNA sa nachádza v cytoplazme a ribozómoch, kde sa podieľa na syntéze bielkovín.

Obsah tuku v rôznych mikroorganizmoch je rôzny, u niektorých kvasiniek a plesní je 6-10-krát vyšší ako u baktérií. Tuky (lipidy) sú energetickým materiálom bunky. Tuky vo forme lipoproteínov sú súčasťou cytoplazmatickej membrány, ktorá plní dôležitú funkciu pri výmene buniek s okolím. Tuky môžu byť prítomné v cytoplazme vo forme granúl alebo kvapiek.

Sacharidy sú súčasťou membrán, kapsúl a cytoplazmy. Sú zastúpené najmä komplexnými sacharidmi – polysacharidmi (škrob, dextrín, glykogén, vláknina), ktoré je možné kombinovať s bielkovinami alebo lipidmi. Sacharidy sa môžu ukladať v cytoplazme vo forme glykogénových zŕn ako rezervný energetický materiál.

(fosfor, sodík, horčík, chlór, síra atď.) sú súčasťou bielkovín a enzýmov mikrobiálnej bunky, sú nevyhnutné pre metabolizmus a udržiavanie normálneho vnútrobunkového osmotického tlaku.

Nevyhnutné pre normálne fungovanie mikroorganizmov. Podieľajú sa na metabolických procesoch, keďže sú súčasťou mnohých enzýmov. Vitamíny musia spravidla pochádzať z potravy, ale niektoré mikróby majú schopnosť syntetizovať vitamíny, napríklad B2 alebo B12.

Dýchanie mikroorganizmov

Procesy biosyntézy látok mikrobiálnych buniek sa vyskytujú s výdajom energie. Väčšina mikróbov využíva energiu chemických reakcií zahŕňajúcich kyslík vo vzduchu. Tento proces oxidácie živín na uvoľnenie energie sa nazýva dýchanie. Energia sa uvoľňuje oxidáciou anorganických (autotrofy) alebo organických (heterotrofy) látok.

Aeróbne mikroorganizmy (aeróby) Energiu uvoľnenú pri oxidácii organických látok vzdušným kyslíkom využívajú na tvorbu anorganických látok, oxidu uhličitého a vody. Aeróby zahŕňajú mnohé baktérie, plesne a niektoré kvasinky. Ako zdroj energie najčastejšie využívajú sacharidy.

Anaeróbne mikroorganizmy (anaeróby) Nepoužívajú kyslík na dýchanie, žijú a rozmnožujú sa v neprítomnosti kyslíka, pričom energiu získavajú v dôsledku fermentačných procesov. Anaeróby sú baktérie z rodu Clostridia (botulinum bacillus a perfringens bacillus), baktérie kyseliny maslovej atď.

V anaeróbnych podmienkach prebieha alkoholová, mliečna a maslová fermentácia, pričom proces premeny glukózy na alkohol, kyselinu mliečnu alebo maslovú nastáva s uvoľňovaním energie. Asi 50% uvoľnenej energie sa rozptýli ako teplo a zvyšok sa akumuluje v ATP (kyseline adenozíntrifosforečnej).

Niektoré mikroorganizmy sú schopné žiť v prítomnosti kyslíka aj bez neho. V závislosti od podmienok prostredia môžu prejsť z anaeróbnych procesov získavania energie na aeróbne a naopak. Takéto mikroorganizmy sa nazývajú fakultatívne anaeróby.

Dýchanie baktérií. Bakteriálna bunka prijíma energiu potrebnú pre svoju životnú činnosť počas procesu bakteriálneho dýchania.

Podľa typu dýchania sa všetky mikroorganizmy delia do dvoch skupín: mikróby, u ktorých je proces dýchania spojený s využívaním voľného kyslíka vo vzduchu, a mikroorganizmy, ktoré voľný kyslík nevyžadujú, ktorý je pre nich dokonca škodlivý.

Prvá skupina mikroorganizmov sa nazýva aeróby (aeróbny typ dýchania); druhou skupinou sú anaeróbne (respiračný typ je anaeróbny).

Rozklad uhľohydrátov v podmienkach bez kyslíka sa nazýva fermentácia. V závislosti od typu mikroorganizmov spôsobujúcich fermentačný proces môžu byť tieto mikroorganizmy alkohol, kyselina octová atď. To znamená, že počas procesu fermentácie môže vznikať alkohol alebo kyselina octová atď.

Bakteriálne enzýmy. Procesy výživy a dýchania baktérií sa nevyhnutne vyskytujú za účasti enzýmov - špeciálnych proteínových látok. Enzýmy, dokonca aj v tých najmenších množstvách, výrazne urýchľujú zodpovedajúce chemické procesy, pričom samy o sebe veľa nezmenia.

Bez enzýmov by procesy výživy a dýchania mohli prebiehať, ale veľmi pomaly. Enzýmy sa produkujú iba v živých bunkách. Jedna skupina enzýmov nie je spojená s mikrobiálnou bunkou a baktérie ich uvoľňujú do prostredia. Funkciou tejto skupiny je, že enzýmy pomáhajú rozkladať zložité zlúčeniny na jednoduchšie, ktoré sa dajú stráviť. Ďalšia skupina enzýmov (tých je väčšina) sa nachádza vo vnútri bakteriálnej bunky a je s ňou spojená.

Okrem toho existujú enzýmy, ktoré sa objavujú v baktériách v procese adaptácie na zmenené nutričné ​​podmienky.

Charakteristickým znakom enzýmov je, že látky určitého zloženia alebo skupín sú ovplyvňované vlastným enzýmom. Existujú teda enzýmy na spracovanie komplexných zlúčenín uhlíka (cukrov), bielkovín, tukov atď.

Rast a reprodukcia baktérií. Proces rastu bakteriálnej bunky sa prejavuje zväčšením jej veľkosti. Tento proces prebieha veľmi rýchlo - v priebehu niekoľkých minút.

Po dosiahnutí dospelosti baktérií začína proces rozmnožovania jednoduchým priečnym delením. Za priaznivých podmienok (dostatočná výživa, priaznivá teplota) sa bakteriálna bunka delí každých 50-30 minút. Bolo vypočítané, že ak by sa baktérie množili bez prekážok, do 5 dní by sa z jednej bunky vytvorila živá hmota, ktorá by zaplnila všetky moria a oceány. Takáto reprodukcia si však vyžaduje, ako je uvedené vyššie, množstvo priaznivých podmienok, ktoré vo vonkajšom prostredí neexistujú.

Chemické zloženie baktérií. Bakteriálna bunka obsahuje veľké množstvo vody - 75-85% bunkovej hmoty. Zvyšných 15% je suchý zvyšok, ktorý zahŕňa bielkoviny, sacharidy, tuky, soli a ďalšie látky.

Bakteriálne proteíny sú komplexné proteíny tvorené rôznymi chemickými zlúčeninami. Tieto chemikálie sú nevyhnutné pre život bakteriálnej bunky.

Suché zvyšky baktérií okrem bielkovín zahŕňajú sacharidy (12-28%) a nukleové kyseliny.

Množstvo tuku obsiahnutého v sušine sa môže líšiť. V niektorých formách baktérií dosahuje obsah tuku 1/3 sušiny.V podstate sú tuky súčasťou škrupiny, ktorá určuje množstvo jej vlastností.

Nevyhnutnou zložkou bakteriálnej bunky sú minerálne soli, ktoré tvoria asi polovicu celej hmoty bunky.Zloženie bakteriálnych buniek zahŕňa aj dusík, kyslík, vodík, uhlík, fosfor, draslík, sodík, horčík, vápnik , kremík, síra, chlór a železo.

V závislosti od podmienok prostredia sa chemické zloženie baktérií môže meniť kvantitatívne aj kvalitatívne.

Výživa baktérií. Výživa baktérií je veľmi zložitý proces, ku ktorému dochádza v dôsledku nepretržitého prenikania určitých živín cez polopriepustnú membránu a uvoľňovania metabolických produktov z bunky.

Keďže bakteriálna membrána je nepriepustná pre proteíny a iné komplexné zlúčeniny potrebné na výživu bunky, tieto látky sú po strávení enzýmami absorbované.

Správny pomer koncentrácií solí vo vnútri buniek a v prostredí má veľký význam pre normálnu výživu baktérií. Najpriaznivejšie podmienky výživy sa vytvárajú, keď sa koncentrácia solí v prostredí rovná 0,5% roztoku chloridu sodného.

Pri pôsobení 2-10% roztoku chloridu sodného sa bakteriálna bunka zmenšuje – dehydratácia, čím sa nedokáže rozmnožovať. To je základ pre metódu konzervovania potravín pomocou solenia.

Baktérie potrebujú kyslík, vodík, uhlík a dusík, aby sa živili. Zdrojmi zásobovania týmito látkami môže byť voda, vzduch atď.

Okrem bežných živín uvedených vyššie sú pre rast baktérií potrebné špeciálne chemické zlúčeniny.

Zistilo sa, že niektoré druhy streptokokov pri nedostatku vitamínu B vôbec nerastú.

Tvorba pigmentu. Niektoré druhy baktérií a húb majú schopnosť vytvárať rôzne farbiace látky – pigmenty. Väčšinu tejto schopnosti majú baktérie nachádzajúce sa v pôde, vzduchu a vode. Táto kvalita mikróbov je obzvlášť jasne zistená v laboratórnych podmienkach. Baktérie pri množení na pevných živných pôdach vytvárajú kolónie, ktoré sú vďaka rôznym pigmentom sfarbené: červené, biele, fialové, zlaté atď.

Zistilo sa, že najlepšie podmienky na tvorbu pigmentu sú dostatočný prístup kyslíka, svetla a izbovej teploty.

Predpokladá sa, že pigmenty v mikróboch vykonávajú ochrannú funkciu pred škodlivými účinkami slnečného žiarenia; okrem toho zohrávajú určitú úlohu v procesoch dýchania.

Žiariť. V prírode existujú mikróby vrátane baktérií, ktoré v priebehu svojej životnej činnosti vytvárajú látky, ktoré môžu žiariť v kombinácii s kyslíkom vo vzduchu. Vývojom takýchto mikróbov sa vysvetľujú javy žiariacich zhnitých húb, hladiny mora atď. Takéto svetelné mikróby nie sú pre človeka patogénne.

Tvorba pachov. Schopnosť mikróbov vytvárať zápach (tvorba arómy) sa vysvetľuje prítomnosťou špeciálnych prchavých látok, ktoré sú svojou chemickou povahou blízke éterom (látkam podobným éterom). Na výrobu syra, masla, vína a iných produktov sa v potravinárskom priemysle používajú rôzne baktérie produkujúce chuť.

Medzi baktérie, ktoré sú pre človeka patogénne a pri pestovaní v laboratórnych podmienkach vydávajú zápach, možno pomenovať bacil tuberkulózy, ktorého vôňa je blízka vôni medu atď.

Mikrobiálne jedy. Mikróby, ktoré sa dostanú do ľudského tela a množia sa tam, produkujú látky, ktoré majú negatívny vplyv na nervový systém, srdce a vnútorné orgány. Tieto škodlivé látky sa nazývajú toxíny. Mikrobiálne toxíny sú najsilnejšie známe jedy. Aj malé množstvo z nich môže pôsobiť na organizmus toxicky. Lézie pozorované pri mnohých infekčných ochoreniach sú spojené s pôsobením mikrobiálnych toxínov. Takmer všetky patogénne mikróby majú toxíny. Existujú dva typy toxínov: exotoxíny a endotoxíny.

Exotoxíny sú jedy, ktoré ľahko unikajú z mikrobiálnych buniek do prostredia.

Exotoxíny sa vyznačujú relatívne nízkou stabilitou a ľahko sa ničia vplyvom tepla, svetla a rôznych chemikálií. Charakteristickou vlastnosťou exotoxínov je ich pôsobenie v extrémne malých dávkach.

Mikrobiálne exotoxíny sú jedny z najsilnejších. Napríklad 0,00001 ml tetanového toxínu spôsobuje u bielej myši leukoreu a v menšej dávke pôsobí toxín mikróba botulizmu.

Endotoxíny sú pevne viazané na telo mikrobiálnej bunky a uvoľňujú sa až po deštrukcii mikrobiálneho tela. Na rozdiel od exotoxínov spôsobujú endotoxíny v tele nasledujúce príznaky otravy: bolesť hlavy, slabosť, dýchavičnosť atď. Endotoxíny sú stabilnejšie ako exotoxíny, niektoré znesú aj varenie. Ich toxicita pre organizmy je výrazne nižšia ako toxicita exotoxínov.

Všetky patogénne mikróby majú endotoxíny; exotoxíny produkujú len niektoré z nich - bacil záškrtu, stafylokok, baktéria botulizmu.

Mikrobiálna variabilita. V prírodných podmienkach sú mikróby neustále ovplyvňované mnohými faktormi, ktoré určujú proces variability. Medzi tieto faktory okrem výživy a teploty patrí fenomén mikrobiálneho antagonizmu a vplyv vnútorného prostredia ľudského a zvieracieho tela.

Vďaka úzkemu kontaktu s prostredím a intenzívnemu rozmnožovaniu sa mikroorganizmy rýchlo prispôsobujú novým podmienkam a podľa toho sa menia aj ich pôvodné vlastnosti. Napríklad horúca voda gejzírov obsahuje baktérie, ktoré sa ako druh vytvorili pod vplyvom podmienok prostredia. Niektoré patogénne mikróby sa pri interakcii s liečivými látkami môžu voči nim stať odolnými. Pre život organizmu majú teda veľký význam podmienky existencie, ktorých zmenou (výživa, teplota, vlhkosť atď.) možno spôsobiť zodpovedajúce zmeny v povahe mikroorganizmu.

Variabilita je charakteristická pre všetky typy mikroorganizmov. Jedným z dôvodov variability mikróbov je bakteriofág.

Bakteriofágy sú živé organizmy, ktoré sa rozmnožujú len vtedy, keď preniknú zvonku do mikrobiálnej bunky. Mimo organizmus mikróbov sa bakteriofágy nemnožia, ale sú v nečinnom stave. Účinok bakteriofága na mikrobiálnu bunku je nasledujúci: po obklopení mikrobiálnej bunky bakteriofágy postupne prenikajú dovnútra a množia sa. Rýchlosť rozmnožovania bakteriofága závisí od mnohých podmienok: od povahy mikróba, podmienok jeho existencie atď. Po 1-3 hodinách sa vo vnútri mikrobiálnej bunky vytvorí veľa nových bakteriofágov, obal tejto bunky sa zlomí a vypadne z nej celá masa bakteriofágov.

Keď bakteriofág interaguje s mikróbom, ten vždy zomrie. Ak je aktivita bakteriofága nedostatočná, jednotlivé mikrobiálne bunky prežívajú a spôsobujú rast nových mikrobiálnych buniek, ktoré sú už voči tomuto bakteriofágu rezistentné.

Pod vplyvom bakteriofága menia mikróby svoje vlastnosti: strácajú svoju patogénnu schopnosť, strácajú kapsulu atď.

Pre každý typ patogénneho mikróbu existuje vlastný bakteriofág, napríklad úplavica, týfus, stafylokoky.

Pod vplyvom svetla, vzdušného kyslíka, tepla stráca bakteriofág aktivitu v priebehu 1-2 mesiacov. Ultrafialové lúče zničia bakteriofágy za 15 minút. Rýchla deštrukcia bakteriofágov nastáva v kyslom prostredí.

Bakteriofágy sa nachádzajú všade tam, kde sú baktérie. V odpadových vodách, riečnych vodách, ľudských a zvieracích sekrétoch a iných predmetoch možno nájsť rôzne bakteriofágy.

Dýchanie mikroorganizmov

Vyššie opísané procesy asimilácie potravy sa vyskytujú pri výdaji energie. Potrebu energie zabezpečujú procesy energetického metabolizmu, ktorých podstatou je oxidácia organických látok, sprevádzaná uvoľňovaním energie. Výsledné produkty oxidácie sa uvoľňujú do životného prostredia.

Schematicky možno oxidačno-redukčnú reakciu za účasti enzýmu dehydrogenázy znázorniť takto:

AN 2 + V - A + VN 2 + energie

Spôsoby, akými mikroorganizmy získavajú energiu, sú rôzne.

V roku 1861 francúzsky vedec L. Pasteur prvýkrát upozornil na jedinečnú schopnosť mikroorganizmov vyvíjať sa bez prístupu kyslíka, pričom všetky vyššie organizmy – rastliny a živočíchy – môžu žiť len v atmosfére obsahujúcej kyslík.

Na základe tohto kritéria (typy dýchania) rozdelil L. Pasteur mikroorganizmy do dvoch skupín - aeróby a anaeróby.

Aeróby Na získanie energie sa organický materiál oxiduje vzdušným kyslíkom. Patria sem plesne, niektoré kvasinky, mnohé baktérie a riasy. Mnohé aeróby úplne oxidujú organické látky, pričom ako konečné produkty sa uvoľňujú CO 2 a H 2 O. Tento proces možno vo všeobecnosti znázorniť nasledujúcou rovnicou:

C6H1206 + 602 = 6 CO2 + 6 H20 + 2822 kJ.

Anaeróby sú mikroorganizmy schopné dýchania bez použitia voľného kyslíka. Anaeróbny proces dýchania v mikroorganizmoch nastáva v dôsledku odstraňovania vodíka zo substrátu. Typické anaeróbne dýchacie procesy sú tzv fermentácie. Príklady tohto typu výroby energie zahŕňajú alkoholové, mliečne a maslové fermentácie. Pozrime sa na príklad alkoholovej fermentácie:

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 + 118 kJ.

Pomer anaeróbnych mikroorganizmov ku kyslíku sa mení. Niektoré z nich vôbec neznášajú kyslík a sú tzv povinný, alebo prísny, anaeróbov. Patria sem patogény fermentácie kyseliny maslovej, tetanus bacil a patogény botulizmu. Iné mikróby môžu rásť za aeróbnych aj anaeróbnych podmienok. Nazývajú sa - voliteľné, alebo podmienené anaeróby; ide o baktérie mliečneho kvasenia, Escherichia coli, Proteus atď.

Enzýmy mikroorganizmov

Enzýmy- látky, ktoré môžu katalyticky ovplyvňovať rýchlosť biochemických reakcií. Zohrávajú dôležitú úlohu v živote mikroorganizmov. Enzýmy objavil v roku 1814 ruský akademik K.S. Kirchhoff.

Podobne ako iné katalyzátory, aj enzýmy sa zúčastňujú transformačných reakcií látok len ako sprostredkovatelia. Pri reakciách sa kvantitatívne nespotrebúvajú. Enzýmy mikroorganizmov majú množstvo vlastností:

1) Pri teplotách do 40-50°C sa rýchlosť enzymatickej reakcie zvýši, ale potom rýchlosť klesne a enzým prestane pôsobiť. Pri teplotách nad 80°C sú takmer všetky enzýmy nevratne inaktivované.

2) Chemickou povahou sú enzýmy jednozložkové, pozostávajúce iba z bielkovín, a dvojzložkové, pozostávajúce z bielkovinových a nebielkovinových častí. Nebielkovinová časť množstva enzýmov je zastúpená jedným alebo druhým vitamínom.

3) Aktivitu enzýmu vo veľkej miere ovplyvňuje pH prostredia. Pre niektoré enzýmy je najvhodnejšie kyslé prostredie, pre iné neutrálne alebo mierne zásadité.

4) Enzýmy sú vysoko aktívne. Molekula katalázy teda zničí 5 miliónov molekúl peroxidu vodíka za minútu a 1 g amylázy za priaznivých podmienok premení 1 tonu škrobu na cukor.

5) Každý enzým má prísnu špecifickosť účinku, t.j. schopnosť ovplyvňovať len určité väzby v zložitých molekulách alebo len určité látky. Napríklad amyláza spôsobuje rozklad iba škrobu, laktázy - mliečneho cukru, celulázy - celulózy atď.

6) Enzýmy vlastné danému mikroorganizmu a zahrnuté v zložkách jeho bunky sa nazývajú konštitutívny. Existuje ďalšia skupina - enzýmy indukovateľný(adaptívne), ktoré bunka produkuje len vtedy, keď sa do média pridá látka (induktor), ktorá stimuluje syntézu tohto enzýmu. Za týchto podmienok mikroorganizmus syntetizuje enzým, ktorý nemá.

7) Podľa charakteru pôsobenia sa enzýmy delia na exoenzýmy, ktoré sú uvoľňované bunkou do vonkajšieho prostredia, a endoenzýmy, ktoré sú pevne spojené s vnútornými štruktúrami bunky a pôsobia v jej vnútri.

8) Hoci enzýmy produkuje bunka, aj po jej smrti dočasne zostávajú v aktívnom stave a môžu sa vyskytnúť autolýza(z gréc. autos - sám, lysis - rozpustenie) - samorozpustenie alebo samostrávenie bunky pod vplyvom vlastných vnútrobunkových enzýmov.

V súčasnosti je známych viac ako 1000 enzýmov. Enzýmy sú rozdelené do 6 tried:

1. trieda- oxidoreduktázy - hrajú dôležitú úlohu v procesoch fermentácie a dýchania mikroorganizmov, teda v energetickom metabolizme.

2. trieda- transferázy (transferové enzýmy) katalyzujú reakcie, ktoré prenášajú skupiny atómov z jednej zlúčeniny na druhú.

3. ročník - hydrolázy (hydrolytické enzýmy). Katalyzujú rozkladné reakcie komplexných zlúčenín (bielkoviny, tuky a sacharidy) s povinnou účasťou vody.

4. ročník - lyázy zahŕňajú dvojzložkové enzýmy, ktoré odstraňujú určité skupiny zo substrátov (CO 2, H 2 O, NH 3 atď.) nehydrolytickým spôsobom (bez účasti vody).

5. trieda- izomerázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú reverzibilné premeny organických zlúčenín na ich izoméry.

6. trieda - Ligáza (syntetázy) sú enzýmy, ktoré katalyzujú syntézu zložitých organických zlúčenín z jednoduchších. Ligázy hrajú dôležitú úlohu v metabolizme sacharidov a dusíka mikroorganizmov.

Využitím mikrobiálnych enzýmov v potravinárskom a ľahkom priemysle možno výrazne zintenzívniť technologický proces, zvýšiť výťažnosť a zlepšiť kvalitu hotových výrobkov. Amylolytické enzýmové prípravky sa používajú pri výrobe etylalkoholu zo surovín obsahujúcich škrob namiesto obilného sladu a v pekárskom priemysle namiesto sladu pri príprave vareného ražného chleba; Do pšeničného cesta sa pridávajú aj hubové amylázy. Keďže tento prípravok obsahuje okrem amylázy, aj keď v malom množstve, ďalšie enzýmy (maltáza, proteázy), urýchli sa proces výroby cesta, zväčší sa objem a pórovitosť chleba, zlepší sa jeho vzhľad, vôňa a chuť. Použitie týchto enzýmových prípravkov v pivovarníctve umožňuje čiastočne nahradiť slad jačmeňom. Pomocou hubovej glukoamylázy sa zo škrobu získa glukózový sirup a kryštalická glukóza. Prípravky z húb s pektolytickým enzýmom sa používajú pri výrobe štiav a ovocia a pri výrobe vína. V dôsledku deštrukcie pektínu týmito enzýmami sa zrýchľuje proces extrakcie šťavy, zvyšuje sa jej výťažnosť, filtrácia a čírenie. Enzýmové prípravky s obsahom mikrobiálnych proteáz sa používajú na zvýšenie stability (ochrana pred zakalením bielkovín) vína a piva a pri výrobe syrov - ako náhrada (čiastočne) syridla. Mikrobiálne proteázy je vhodné použiť na zmäkčenie mäsa, urýchlenie dozrievania mäsa a sleďov, získavanie potravinových hydrolyzátov z odpadov z rýb a mäsového priemyslu a pre ďalšie technologické procesy spracovania živočíšnych a rastlinných surovín.

Chemické zloženie mikroorganizmov

Z hľadiska zloženia látok sa mikrobiálne bunky len málo líšia od živočíšnych a rastlinných buniek. Obsahujú 75 – 85 % vody, zvyšných 16 – 25 % tvorí sušina. Voda v bunke je vo voľnom a viazanom stave. Viazaná voda je súčasťou bunkových koloidov (bielkoviny, polysacharidy a pod.) a ťažko sa z nich uvoľňuje. Voľná ​​voda sa zúčastňuje chemických reakcií a slúži ako rozpúšťadlo pre rôzne zlúčeniny vznikajúce v bunke počas metabolizmu.

Suchá bunková hmota pozostáva z organických a minerálnych látok.

bielkoviny - až 52%,

polysacharidy - až 17%,

nukleové kyseliny (RNA do 16%, DNA do 3%),

lipidy - až 9%

Tieto zlúčeniny sú súčasťou rôznych bunkových štruktúr mikroorganizmov a vykonávajú dôležité fyziologické funkcie. Bunky mikroorganizmov obsahujú aj ďalšie látky – organické kyseliny, ich soli, pigmenty, vitamíny atď.

Kontrolné otázky

1. Čo je turgor?

2. Čo je disimilácia?

3. Ktoré mikroorganizmy sa nazývajú autotrofné?

4. Čo je osmóza?

5. Ktoré mikroorganizmy sa nazývajú fakultatívne?

6. Čo je plazmolýza?

7. Na akých procesoch sa podieľajú lipázy?

8. Koľko vody obsahujú mikroorganizmy?

10. Aké mikroorganizmy sa nazývajú anaeróbne?

Existujú dva typy dýchania mikróbov - aeróbne a anaeróbne.

Aeróbne dýchanie mikroorganizmov je proces, pri ktorom je akceptorom vodíka (protónov a elektrónov) molekulárny kyslík. V dôsledku oxidácie najmä zložitých organických zlúčenín vzniká energia, ktorá sa uvoľňuje do prostredia alebo sa akumuluje vo vysokoenergetických fosfátových väzbách ATP. Rozlišuje sa úplná a neúplná oxidácia.

Kompletná oxidácia. Hlavným zdrojom energie pre mikroorganizmy sú sacharidy. Pri ich rozklade, ku ktorému dochádza rôznymi spôsobmi, vzniká dôležitý medziprodukt – kyselina pyrohroznová. K úplnej oxidácii kyseliny pyrohroznovej dochádza v cykle trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus) a dýchacom reťazci. V dôsledku rozkladu glukózy za aeróbnych podmienok prebieha oxidačný proces do konca - až do vzniku oxidu uhličitého a vody s uvoľnením veľkého množstva energie: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -*■ 6C02 + 6H20 + 2874,3 kJ.

Neúplná oxidácia. Nie všetky aeróby dokončia oxidačné reakcie. Pri prebytku sacharidov v prostredí vznikajú produkty neúplnej oxidácie, ktoré obsahujú energiu. Konečnými produktmi neúplnej aeróbnej oxidácie cukru môžu byť organické kyseliny: citrónová, jablčná, šťaveľová, jantárová a iné, tvoria ich plesňové huby. Napríklad aeróbne dýchanie vykonávajú baktérie kyseliny octovej, v ktorých sa kyselina octová a voda tvoria počas oxidácie etylalkoholu:

CH 3 CH 2 OH + O 2 -* CH 3 COOH + H 2 O + 494,4 kJ.

Niektoré baktérie oxidujú anorganické zlúčeniny počas dýchania. Príkladom oxidácie anorganických zlúčenín je proces nitrifikácie, pri ktorom nitrifikačné baktérie oxidujú najskôr amoniak na kyselinu dusitú a potom na kyselinu dusičnú. V každom prípade sa uvoľňuje energia: v prvej fáze 274,9 kJ, v druhej - 87,6 kJ.

Anaeróbne dýchanie prebieha bez účasti molekulárneho kyslíka. Existujú anaeróbne dýchanie dusičnanov, anaeróbne dýchanie síranov a fermentácia. Pri anaeróbnom dýchaní sú akceptorom vodíka oxidované anorganické zlúčeniny, ktoré sa ľahko vzdávajú kyslíku a premieňajú sa na viac redukované formy, čo je sprevádzané uvoľňovaním energie.

1. anaeróbne dýchanie dusičnanov - redukcia dusičnanov na molekulárny dusík

2. anaeróbna sulfátová respirácia – redukcia síranov na sírovodík.

3. Fermentácia – rozklad organických zlúčenín obsahujúcich uhlík za anaeróbnych podmienok. Vyznačuje sa tým, že posledným akceptorom vodíka je molekula organickej látky s nenasýtenými väzbami. Látka sa rozkladá len na medziprodukty, ktorými sú zložité organické zlúčeniny (alkoholy, organické kyseliny). Energia v nich obsiahnutá sa v malom množstve uvoľňuje do životného prostredia. Počas fermentácie sa uvoľňuje menej energie. Napríklad pri fermentácii glukózy sa uvoľní 24,5-krát menej energie ako pri jej aeróbnej oxidácii.

Všetky druhy fermentácie pred tvorbou kyseliny pyrohroznovej prebiehajú rovnakým spôsobom. Ďalšia premena kyseliny pyrohroznovej závisí od vlastností mikróba. Homofermentatívne baktérie mliečneho kvasenia ju premieňajú na kyselinu mliečnu, kvasinky na etylalkohol atď.

Klasifikácia mikróbov podľa typu dýchania.

Podľa typu dýchania sú mikroorganizmy rozdelené do štyroch skupín.

1. Obligátne (bezpodmienečné) aeróby rastú s voľným prístupom kyslíka. Patria sem baktérie kyseliny octovej, patogény tuberkulózy, antrax a mnohé ďalšie.

2. Mikroaerofilné baktérie sa vyvíjajú pri nízkej (do 1 %) koncentrácii kyslíka v okolitej atmosfére. Takéto podmienky sú priaznivé pre aktinomycéty, Leptospira a Brucella.

3. Fakultatívne anaeróby sa vyvíjajú s prístupom kyslíka aj bez neho. Majú dve sady enzýmov, resp. Ide o enterobaktériu, pôvodcu erysipelu u ošípaných.

4. Obligátne (bezpodmienečné) anaeróby sa vyvíjajú v úplnej neprítomnosti kyslíka v prostredí. Anaeróbne podmienky (nevyhnutné pre baktérie kyseliny maslovej, patogény tetanu, botulizmu, plynatej gangrény, emfyzematózneho karbunkulu, nekrobakteriózy.

Úvod

baktérie dýchajúce potraviny mikroorganizmy

Ako je známe, mikroorganizmy získavajú energiu potrebnú na udržanie svojich životných funkcií prostredníctvom rôznych oxidačných procesov organických (a niekedy aj anorganických) látok. V tomto prípade dochádza k oxidácii odstránením vodíka (alebo elektrónov) zo substrátov. Vodík sa prenáša reťazcom enzýmov a nakoniec sa spojí s kyslíkom za vzniku vody. Anaeróbny spôsob získavania energie sa vyznačuje tým, že sa na ňom nezúčastňuje voľný kyslík a organické substráty sa oxidujú len vďaka eliminácii vodíka. Uvoľnený vodík sa buď spája s produktmi rozpadu tej istej organickej látky, alebo sa uvoľňuje v plynnom stave.

Druhy dýchania mikroorganizmov

Mikrobiálne dýchanie je biologická oxidácia rôznych organických zlúčenín a niektorých minerálov. V dôsledku redoxných procesov a fermentácie vzniká tepelná energia, z ktorej časť mikrobiálna bunka využije a zvyšok sa uvoľní do okolia.

V súčasnosti je oxidácia definovaná ako proces odstraňovania vodíka (dehydrogenácia) a redukcia je jeho pridávanie. Rovnaké termíny sa aplikujú na reakcie zahŕňajúce prenos protónov a elektrónov alebo iba elektrónov. Pri oxidácii látky sa elektróny strácajú a pri redukcii sa pridávajú. Predpokladá sa, že prenos vodíka a prenos elektrónov sú ekvivalentné procesy.

Schopnosť zlúčenín alebo prvkov darovať alebo prijímať elektróny je určená ich redoxným potenciálom. Podľa návrhu M. Clarka sa označuje gH2 (záporný logaritmus parciálneho tlaku plynného vodíka). Toto je stupeň nasýtenia média kyslíkom alebo vodíkom. Rozsah J H2 sa pohybuje od 0 do 42,6. Na P12<.,28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при НТ2,.>28 oxiduje, pričom iil2 sa rovná 28, prostredie je neutrálne.

Aeróby žijú pri vyššom redoxnom potenciáli (ili2 14-35), anaeróby pri nižšom (rH2 0-12). H1 puky (protóny), ktorými v podstate sú, sa prenášajú proti elektrochemickému gradientu, teda z prostredia s nižšou koncentráciou do prostredia, kde ich je veľa. Proces prenosu protónov zahŕňa spotrebu energie. Prenikanie vodíkových iónov cez membránu neprebieha podľa zákonov osmózy, ale aktívne, pomocou pumpy nazývanej vodíková pumpa. Biologické premeny v cytoplazme mikrobiálnej bunky sú teda spojené s pohybom protónov a elektrónov, nejde však o jednoduchý elektrický pohyb, ale o zložitý biochemický proces, ktorý sa uskutočňuje pomocou enzýmov. Tie katalyzujú reakcie, urýchľujú štiepenie kovalentných väzieb a tým znižujú aktivačnú energiu.

Elektrina generovaná mikróbmi môže byť dokonca použitá v niektorých zariadeniach. V súčasnosti boli navrhnuté vysielače, ktoré fungujú na biologickú elektrinu, ktorú vyrábajú mikroorganizmy, ktoré sa živia cukrom rozpusteným v morskej vode. (Aeróbne dýchanie mikroorganizmov je proces, pri ktorom je posledným akceptorom vodíka (protónov a elektrónov) molekulárny kyslík. V dôsledku oxidácie hlavne zložitých organických zlúčenín vzniká energia, ktorá sa uvoľňuje do prostredia alebo sa akumuluje vo vysoko- energie fosfátové väzby ATP.Dochádza k celkovej a neúplnej oxidácii?!

Kompletná oxidácia. Hlavným zdrojom energie pre mikroorganizmy sú sacharidy. Pri ich rozklade, ku ktorému dochádza rôznymi spôsobmi, vzniká dôležitý medziprodukt – kyselina pyrohroznová (pyruvát). K úplnej oxidácii kyseliny pyrohroznovej dochádza v cykle trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus) a dýchacom reťazci (obr. 17). V dôsledku rozkladu glukózy za aeróbnych podmienok prebieha proces oxidácie až do konca - k tvorbe oxidu uhličitého a vody s uvoľnením veľkého množstva energie: C6H12Ob + 602 -* 6C02 4- 6H20 + 2874,3 kJ.

Zodpovedá rezerve potenciálnej energie hexózy, teda jej množstvu, ktoré sa nahromadilo v molekule cukru počas fotosyntézy z oxidu uhličitého a vody v zelených rastlinách. K prenosu elektrónov z vodíka na kyslík dochádza cez dýchací reťazec alebo reťazec transportu elektrónov. Dýchací reťazec je systém dýchacích enzýmov, ktoré sa nachádzajú v membránach. Membrány, ako je známe, prichádzajú do kontaktu s cytoplazmou bunky, čo vedie k ich interakcii.

Neúplná oxidácia. Nie všetky aeróby dokončia oxidačné reakcie. Pri prebytku sacharidov v prostredí vznikajú produkty neúplnej oxidácie, ktoré obsahujú energiu. Konečnými produktmi neúplnej aeróbnej oxidácie cukru môžu byť organické kyseliny: citrónová, jablčná, šťaveľová, jantárová a iné, tvoria ich plesňové huby.

Anaeróby sú organizmy, ktoré získavajú energiu v neprítomnosti kyslíka fosforyláciou substrátu; konečné produkty neúplnej oxidácie substrátu môžu byť oxidované, aby produkovali viac energie vo forme ATP v prítomnosti konečného akceptora protónov organizmami, ktoré vykonávajú oxidačnú fosforyláciu .

Schéma 1 znázorňuje transport elektrónov počas dýchania a rôzne typy výroby anaeróbnej energie. Vodík a elektróny sa odstraňujú zo substrátov pomocou pyridínových nukleotidových enzýmov (PN). Potom v aeróboch prechádzajú reťazcom enzýmov so zvyšujúcimi sa potenciálmi - flavoproteíny (FP - cytochrómové enzýmy (Cit. oc.) - a pomocou cytochrómoxidázy (Cit. oc.) sa prenášajú na kyslík.Tok elektrónov je usmerňovaný zo systému s nižším (negatívnejším potenciálom) do systému s vyšším (pozitívnejším) potenciálom, od - 0,8 - 0,4 V (potenciál substrátu) do +0,8 V (potenciál kyslíka).

Pri dýchaní je teda konečným akceptorom vodíka kyslík. V anaeróboch pôsobia ako akceptory vodíka buď organické substráty (fermentácia) alebo anorganické látky, ako sú dusičnany alebo sírany („anaeróbne dýchanie“). Diagram ukazuje, že transport elektrónov sa vo väčšine anaeróbov vykonáva najjednoduchšie a primitívne v dôsledku absencie enzýmov reťazca transportu elektrónov schopných prenášať elektróny pozdĺž reťazca až na molekulárny kyslík.

Molekulárny kyslík negatívne ovplyvňuje rast a aktivitu obligátnych anaeróbov. V prítomnosti voľného kyslíka strácajú anaeróbne bunky pohyblivosť. Vďaka tejto reakcii boli anaeróby prvýkrát objavené Pasteurom. Raz pod mikroskopom preskúmal kvapku kvasnej tekutiny (pri fermentácii kyseliny maslovej), umiestnenú medzi dva tenké ploché kúsky skla, a všimol si, že bunky nachádzajúce sa na okrajoch prípravku (kam voľne prenikal vzdušný kyslík) sa náhle znehybnili, a tyče umiestnené v strede prípravku (kam vzduch neprenikol), pokračovali vo veľmi aktívnom pohybe.

Pasteur z toho usúdil, že vzdušný kyslík je pre niektoré mikróby toxický a tie posledné rozdelil na dve skupiny – aeróby a anaeróby. Pasteurovi odporcovia (napríklad Trecule) namietali proti tvrdeniu o existencii baktérií, pre ktoré môže byť vzdušný kyslík smrteľný, a uviedli príklad anaeróbnych spór, ktoré môžu dlhodobo prežiť vo vzduchu. Na to Pasteur odpovedal, že spóry nie sú skutočné živé bytosti, pretože sa nekŕmia ani nerozmnožujú. Následný rozvoj vedy potvrdil Pasteurove pozície. Ukázalo sa teda, že bakteriálne spóry sa vyznačujú mimoriadne výraznou anabiózou a ich metabolizmus je na takej nízkej úrovni, že sa ani nedá zmerať s potrebnou presnosťou. V tomto ohľade nie sú spóry citlivé na mnohé škodlivé faktory a spóry anaeróbov môžu navyše (na rozdiel od vegetatívnych buniek) ľahko prežívať vo vzduchu.

Otázka, prečo je kyslík pre apaeróby toxický, ešte nie je dostatočne objasnená. Niektorí vedci sa domnievajú, že toxický účinok kyslíka je spojený s tvorbou toxických koncentrácií peroxidu vodíka v kultúrach anaeróbnych mikroorganizmov, ktoré sú výsledkom oxidácie substrátu vzdušným kyslíkom. Dôvodom hromadenia peroxidu vodíka je nedostatok enzýmu katalázy (rozkladajúci sa peroxid) v anaeróboch. Existujú správy, že niektoré kmene klostrídií môžu rásť za aeróbnych podmienok, ak sa do média pridá kataláza. Ale na druhej strane veľmi dôležitým faktorom určujúcim vývoj anaeróbov sú redoxné podmienky prostredia. Vyjadrujú sa ako oxidačno-redukčný potenciál (ORP), meraný vo voltoch (napätie na elektróde ponorenej do testovacieho média). Redoxné podmienky možno vyjadriť aj pomocou indexu rH2, ktorý charakterizuje pomer medzi H2 a O2. rH2, v rozsahu od 0 do 40, charakterizuje všetky stupne redukcie alebo oxidácie média v závislosti od jeho nasýtenia kyslíkom alebo vodíkom. Podrobné štúdie podmienok pre vývoj apaeróbov ukázali, že obligátne anaeróby sa nemôžu vyvinúť pri rH2 (alebo ORP) nad určitým limitom. rH2 v médiu je možné merať buď elektrometricky (pomocou potenciometrov) alebo pomocou farbív, ktoré sú redukované a bielené (alebo menia farbu) pri určitých hodnotách rH2. Napríklad farbivo Janusgrün v aeróbnych podmienkach pri rH2 = 20 a viac má v roztoku zelenú farbu, pri rH2 v rozsahu 12-14 má ružovú farbu a pri ešte nižších hodnotách rH2 sa sfarbuje.

Anaeróby sú veľkou skupinou organizmov na mikro a makroúrovni:

Fakultatívne anaeróby

Kapneistické anaeróby a mikroaerofily

Aerotolerantné anaeróby

Stredne prísni anaeróbi

Povinné anaeróby

Ak je organizmus schopný prejsť z jednej metabolickej dráhy na druhú (napríklad z anaeróbneho na aeróbne dýchanie a späť), potom je podmienečne klasifikovaný ako fakultatívne anaeróby

Do roku 1991 mikrobiológia rozlišovala triedu kapneických anaeróbov, ktoré vyžadovali nízku koncentráciu kyslíka a zvýšenú koncentráciu oxidu uhličitého (Bovine Brucella - B. abortus)

Stredne prísny anaeróbny organizmus prežíva v prostredí s molekulárnym O2, ale nerozmnožuje sa. Mikroaerofily sú schopné prežiť a rozmnožovať sa v prostrediach s nízkym parciálnym tlakom O2.

Ak organizmus nie je schopný „prepnúť“ z anaeróbneho na aeróbne dýchanie, ale nezomrie v prítomnosti molekulárneho kyslíka, potom patrí do skupiny aerotolerantných anaeróbov. Napríklad kyselina mliečna a mnohé baktérie kyseliny maslovej

Obligátne anaeróby umierajú v prítomnosti molekulárneho kyslíka O2 – napríklad zástupcovia (rod baktérií a archeí: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Takéto anaeróby neustále žijú v prostredí bez kyslíka. Obligátne anaeróby zahŕňajú niektoré baktérie, kvasinky, bičíkovce a nálevníky.

Glykolýza je zároveň charakteristická iba pre anaeróby, ktoré sa v závislosti od konečných reakčných produktov delia na niekoľko typov fermentácie:

mliečna fermentácia - rod Lactobacillus, Streptococcus, Bifidobacterium, ako aj niektoré tkanivá mnohobunkových zvierat a ľudí. alkoholová fermentácia - sacharomycetes, candida (organizmy z ríše húb)

kyselina mravčia – čeľaď enterobaktérií

kyselina maslová – niektoré druhy klostrídií

kyselina propiónová - propionobaktérie (napríklad Propionibacterium acnes)

fermentácia s uvoľňovaním molekulárneho vodíka - niektoré druhy klostrídií, Stickland fermentácia

metánová fermentácia - napríklad Metanobacterium

Druhy výživy mikroorganizmov

Autotrofy (chemolithotrofy, fotolithotrofy) získavajú uhlík z oxidu uhličitého (CO2) vo vzduchu a vytvárajú organickú hmotu pomocou energie uvoľnenej pri oxidácii niektorých minerálnych zlúčenín (chemosyntéza) alebo slnečnej energie (fotosyntéza). Fenomén chemosyntézy u chemolithotrofov prvýkrát stanovil (1887) ruský mikrobiológ S. N. Vinogradsky pri štúdiu bezfarebných sírnych baktérií, nitrifikačných a iných mikroorganizmov. Energiu generovanú počas oxidačných reakcií potom baktérie využívajú na asimiláciu uhlíka a tvorbu organickej hmoty.

Fotolitotrofy (modrozelené riasy, purpurové sírne baktérie a iné mikróby) majú fotosyntetickú schopnosť, pretože obsahujú pigmenty (farbivá). Pigmenty fotolithotrofov sú svojím zložením blízke chlorofylu zelených rastlín. Fotobaktérie, podobne ako rastliny, vytvárajú organickú hmotu pomocou uhlíka z oxidu uhličitého a energie zo slnka. Autotrofy sa môžu vyvíjať v čisto minerálnom prostredí, nie sú schopné asimilovať zložitejšie zlúčeniny uhlíka, a preto nie sú pre zvieratá patogénne.

Zdroje energie

Najdostupnejšími zdrojmi uhlíka pre baktérie sú sacharidy a aminokyseliny, ktoré sa berú do úvahy pri príprave živných médií.

Autotrofia. Výživové potreby autotrofov [z gréc. auto, self, + trof, bakteriálna výživa obmedzená; Na ich rast stačí pridať do prostredia anorganické zlúčeniny obsahujúce dusík a iné minerálne prvky. Lutotrofné baktérie využívajú ako zdroj uhlíka oxid uhličitý alebo uhličitany. Takéto baktérie sú schopné syntetizovať všetky potrebné zlúčeniny z jednoduchých látok. Patria sem foto- a chemotrofné (chemosyntetizujúce) baktérie, ktoré využívajú ako zdroj energie elektromagnetické žiarenie (svetlo), prípadne energiu redoxných reakcií so substrátmi, ktoré pre ne slúžia ako zdroj výživy. Medzi autotrofmi sa nenašli žiadne medicínsky významné druhy.

Dusík potrebujú baktérie na syntézu aminokyselín (proteínov), purínových a pyriminoidných nukleotidov, ako aj niektorých vitamínov. Keďže dusík je vo všetkých živých organizmoch obsiahnutý v redukovanej forme, musia sa redukovať všetky minerálne formy dusíka s vyšším stupňom oxidácie ako amoniak.

Množstvo mikroorganizmov je schopných využívať dusík len z organických zlúčenín (aminoheterotrofy). Niektoré z mikroorganizmov asimilujú dusík vo forme anorganických foriem (aminoautotrofy). Mnohé mikroorganizmy sú však schopné využívať organický aj minerálny dusík.

Použitie anorganického dusíka

V prírode existujú minerálne dusíkové atómy v rôznych stupňoch oxidácie: od N5+ (N205, anhydrid dusičnatý) po N3- (NH3, amoniak). Stupeň stráviteľnosti minerálnych zlúčenín dusíka baktériami je určený ľahkosťou ich premeny na amoniak, pretože je to najjednoduchší prekurzor vysokomolekulárnych organodusíkových zlúčenín. V tejto skupine baktérií sú možné dva rôzne smerované procesy: asimilácia (naviazanie minerálnych foriem dusíka na organický materiál) a disimilácia (uvoľnenie plynných foriem dusíka).

Asimilačné procesy. K väzbe minerálnych foriem dusíka dochádza pri fixácii dusíka, asimilácii amoniaku a asimilačnej redukcii dusičnanov.

Fixácia dusíka. Baktérie viažuce dusík (napríklad Rhizobiut, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella atď.) sú schopné využiť dusík z atmosférického vzduchu a redukovať ho na amónium pomocou špeciálneho enzýmu (nitrogenázy) v procese nazývanom fixácia dusíka.

Asimilácia amoniaku. Väčšina baktérií absorbuje amoniak počas asimilácie amoniaku. Baktérie rastúce na médiách obsahujúcich amónium ho môžu priamo začleniť do organických zlúčenín. Treba pamätať na to, že po konzumácii anorganických amónnych solí sa v médiu hromadia anióny (SO4, Cl, H3PO4 atď.), ktoré znižujú pH média, čo spomaľuje rast plodín. Amónne soli organických kyselín menej okysľujú prostredie a sú priaznivejšie pre rast baktérií.

Asimilačné zníženie dusičnanov. Prevažná väčšina baktérií a húb, podobne ako rastliny, asimiluje dusičnany v procese asimilačnej redukcie dusičnanov. V prvom stupni sa dusičnany redukujú na dusitany, cyklus týchto premien katalyzuje špecifický enzým - asimilačná nitrátreduktáza B. Druhý stupeň predstavuje komplex redukčných reakcií katalyzovaných dusitanreduktázou, ktoré vedú k tvorbe amoniaku, ktorý sa používa na syntézu aminokyselín a iných zložiek bunky obsahujúcich dusík.

Mechanizmus zásobovania živinami

Exo-enzýmy lokalizované na vonkajšej strane bunkovej membrány. U baktérií sa E. môže uvoľňovať do vonkajšieho prostredia alebo sa môže nachádzať medzi bunkovou stenou a bunkovou membránou.

Klasifikácia enzýmov.

V súčasnosti je známych viac ako 2000 enzýmov, takže je potrebná ich vedecky podložená klasifikácia. Podľa klasifikácie vypracovanej špeciálnou komisiou Medzinárodnej biochemickej únie (1961) sú všetky enzýmy zoskupené do šiestich tried: océnové reduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy, ligázy alebo syntetázy.

Oxidoreduktázy sú redoxné enzýmy. Urýchľujú procesy redukcie a oxidácie rôznych látok a zohrávajú dôležitú úlohu v dýchacích procesoch mikróbov. Táto skupina je početná, zahŕňa viac ako 200 enzýmov. Tu sú niektoré z nich.

Dehydrogenázy sú enzýmy, ktoré vykonávajú proces biologickej oxidácie odstránením vodíka z donorového substrátu a jeho prenosom na kyslík alebo iný akceptor. Existujú aeróbne a anaeróbne dehydrogenázy. Aeróbne dehydrogenázy prenášajú vodík priamo do molekulárneho kyslíka a do iných systémov, nazývajú sa oxidázy. Anaeróbne dehydrogenázy interagujú so substrátom, odoberajú z neho vodík a odovzdávajú ho akceptoru, nie však vzdušnému kyslíku. Cytochrómoxidázy sú enzýmy prenášajúce elektróny. Cytochrómoxidáza aktivuje molekulárny kyslík a s jeho pomocou oxiduje redukovaný cytochróm, ktorého aktívnou skupinou je hemín. Kataláza sa nachádza v bunkách aeróbnych mikróbov a patrí do skupiny hemových enzýmov obsahujúcich vo svojej molekule železité železo, ktoré môže strácať elektróny (oxidovať). Keď kataláza pôsobí na peroxid vodíka, redukuje sa a tvorí sa voda a molekulárny kyslík. Peroxidáza sa nachádza v niektorých mikróboch, aktivuje kyslík z peroxidu vodíka a urýchľuje oxidáciu rôznych organických zlúčenín.

Hydrolýzy sú enzýmy, ktoré urýchľujú hydrolytické reakcie, teda proces štiepenia zložitých látok na jednoduchšie s pridaním molekúl, vody. Nachádzajú sa v mnohých mikroorganizmoch. Hydrolázy obsahujú viac ako 200 enzýmov. Do tejto skupiny patria: esterázy, ktoré štiepia estery tvorené organickými kyselinami a alkoholmi; fosfatázy, ktoré hydrolyzujú estery tvorené alkoholmi a kyselinou fosforečnou; glukozidázy, ktoré štiepia glukozidové väzby v uhlíkoch a ich deriváty; peptidázy; urýchlenie hydrolýzy peptidových väzieb v proteínoch; amidázy, ktoré urýchľujú hydrolýzu amidov, aminokyselín a iných zlúčenín.

Lyázy sú enzýmy, ktoré odštiepia jednu alebo druhú skupinu zo substrátov nehydrolytickým spôsobom (reakcia medzi uhlíkom a kyslíkom, dusíkom, sírou, halogénom). Táto trieda zahŕňa asi 90 enzýmov. Najdôležitejšie z nich sú karboxyláza, aldehydlyáza (aldoláza) atď.

Izomerázy sú enzýmy, ktoré urýchľujú pohyb v molekulách vodíka, fosforu a dvojitých väzieb, čo je dôležité v metabolizme. Táto skupina zahŕňa fosfohexoizomerázu, triózofosfoizomerázu atď.

Ligázy alebo syntetázy sú enzýmy, ktoré urýchľujú syntézu komplexných zlúčenín z jednoduchších v dôsledku rozpadu pyrofosforových väzieb (v ATP alebo iných energeticky bohatých pyrofosfátoch). Ligázy hrajú dôležitú úlohu pri syntéze bielkovín, nukleových kyselín, mastných kyselín a iných zlúčenín. Táto trieda zahŕňa asi 100 enzýmov. Predstaviteľmi tejto skupiny sú asparagínsyntetáza, glutamidsyntetáza atď.