3. Дыхание микробов

Дыхание представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. Прокариоты окисляют восстановленные вещества с относительно низким окислительно-восстановительным потенциалом, возникающие в реакциях промежуточного метаболизма или являющиеся исходными субстратами, например, сукцинат, H₂S и др.

Окисление происходит в результате переноса электронов через локализованную в мембране дыхательную электронтранспортную цепь, состоящую из набора переносчиков, и приводит в большинстве случаев к восстановлению молекулярного кислорода до H₂O.

Наиболее широко распространена среди прокариот способность окислять органические субстраты. Обнаружены также весьма специализированные группы прокариот, способные окислять различные неорганические субстраты (H₂, NH₄⁺, NO₂^–, H₂S, S⁰, S₂O₃^2–, Fe²⁺ и др.) с соответствующим восстановлением O₂. Наконец, прокариоты могут окислять органические и неорганические вещества с использованием в качестве конечного акцептора электронов не молекулярного кислорода, а целого ряда органических и неорганических соединений (фумарат, CO₂, NO₃^–, S⁰, S0₄^2–, S0₃^2– и др.).

По типу дыхания микробов делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов. Аэробы живут при более высоком окислительно-восстановительном потенциале (гН₂ 14—35), анаэробы — при более низком (гН₂ 0—12). Факультативные анаэробы могут разви­ваться при окислительно-восстановительном потенциале (гН₂ 0—20) и выше.

Аэробное дыхание микроорганизмов - это окислительно-восстановительный про­цесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет через образование пировиноградной кислоты с участием цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) и дыхательной цепи до конца — до образования диоксида углерода и воды:

Неполное окисление. 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. Например, окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями до уксусной кислоты.

СН₃СН₂ОН + О₂ = СНзСООН + Н₂О (∆G = -494 кДж/моль)

Анаэробное дыхание микроорганизмов это процесс, осуществляемый без участия молеку­лярного кислорода, при котором акцептором водорода яв­ляются окисленные неорганиче­ские соединения, легко отдающие кислород и превращающиеся в более восстановлен­ные формы.

Нитратное дыхание — восстановление нитратов до молекулярного азота (денитрификация):

5ГЛЮ + 24KNO₃ = 24КНСО₃ + 18Н₂О + 12N₂ + 6СО₂ (∆G = -1760 кДж/моль)

Сульфатное дыхание — восстановление сульфатов до сероводорода, сопровождаю­щееся выделением такого же количества энергии.

ГЛЮ + 3K₂SO₄ = ЗК₂СОз + ЗСО₂ + ЗН₂О + 3H₂S (∆G = -1760 кДж/моль)

Гликолиз – общая стадия для аэробного и анаэробного дыхания и брожения.

Фотосинтез процесс, при котором происходит превращение световой энергии в химическую. Специальные пигменты микроорганизмов (цианобактерии) с помощью солнечной энергии из диоксида углерода СО₂ и воды Н₂О образуют органическое вещество и кислород, благодаря чему поддерживается жизнь на Земле. Фотосинтез может быть оксигенным и аноксигенным. Оксигенный осуществляют цианобактерии и прохлорофиты, при этом из воды образуется кислород, который выделяется во внешнюю среду, пигмент - хлорофилл. Аноксигенный зависимый от бактериохлорофилла бескислородный фотосинтез осуществляют зеленые, пурпурные бактерии и гелиобактерии; зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез, найден у экстремально галофильных архебактерий. В случае аноксигенного фотосинтеза донором электронов является не вода, а другие вещества (H₂S, S, Н₂, органика).

Лекция 3.2. МЕТАБОЛИЗМ Страница 5