2. Метаболизм микроорганизмов

Все реакции жизнеобеспечения, происходящие в микробной клет­ке составляют обмен веществ, или ме­таболизм. Промежуточные или конечные продукты, образующиеся результате этих превращений называют метаболитами.

В метаболизме микроорганизмов непрерывно осуществляются два противоположных и вместе с тем единых процесса: анаболизм и катаболизм.

анаболизм - поглощение химических веществ, преобразование их в структурные элементы организма.

катаболизм - процессы, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия.

По механизму питания живые существа делятся на две группы: голозойные и голофитные. Голозойный тип питания характерен для живо­тных (от высших до простейших). Микробы относятся к голофитному типу питания. Они не имеют органов для принятия пищи, и питатель­ные вещества у них проникают через всю поверхность тела. Питательные вещества могут поступать из внешней среды в микробную клетку через клеточную стенку, капсулу, слизистые слои и цитоплазматическую мембрану. Через эти же структуры выделяются и продукты обмена, т. е. ненужные и вредные для микроорганизмов вещества. В основе механизма такого питания лежит осмотическое явление, основанное на разнице концентрации питательных веществ в теле микроба и питательном растворе.

Различают несколько механизмов питания микробных клеток.

1. Проникновение питательных веществ в клетку с помощью активной или пассивной диффузии. При пассивной диффузии питательные вещества проникают с током жидкости в клетку и только тогда, когда проникаемое вещество способно растворяться в клеточной стенке бактериальной клетки. При активной диффузии наблюдается проникновение питательных веществ в бактериальную клетку нерастворенными в клеточной стенке.

2. Проникновение питательных веществ в клетку с помощью специфического переноса питательных веществ. Роль переносчика выполняет пермеаза — белковый компонент. В этот период питательные вещества среды активно транспортируются в клетку, осуществляя конструктивный и энергетический обмены.

Типы питания микробов. По типу питания микробы принято делить на аутотрофы и гетеротрофы.

Аутотрофы (греч. autos — сам, trophe — пища) — микроорганизмы, способные воспринимать углерод из угольной кислоты (СОг) воздуха. К ним относят нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др. Аутотрофы превра­щают воспринятую углекислоту в сложные органические соединения путем хемосинтеза, т. е. путем окисления химических соединений (аммиак, нитриты, сероводород и др.). Таким образом, аутотрофные микробы обладают способностью создавать органические вещества из неорганических, таких как угольная кислота, аммиак, нитриты, сероводород и др. Поскольку такие микробы не нуждаются в органических соединениях углерода, входящего в состав животных и человека, они не являются болезнетворными.

Гетеротрофы (heteros — другой) в противоположность аутотрофным микробам получают углерод главным образом из готовых органических соединений. Гетеротрофы — возбудители различного рода брожений, гнилостные микробы, а также вес болезнетворные микроорганизмы: возбудители туберкулеза, бруцел­леза, листериоза, сальмонеллеза, гноеродные микроорганизмы — стафилококки, стрептококки, диплококки и ряд других патогенных для животного организма возбудителей.

Гетеротрофы включают в себя две подгруппы микроорганизмов. Метатрофы, или сапрофиты, жи­вут за счет использования мертвых субстратов. Сапрофиты (sapros — гнилой, fhyton — растение) — гнилостные микробы. Паратрофы (греч. parasitos — нахлебник) паразиты, живущие на поверхности или внутри организма хозяина и питающиеся за его счет.

В качестве источника углерода гетеротрофы чаще всего используют сахара, многоатомные спирты, различные органические кислоты.

При изменении условий среды (например, питания) обмен веществ у микробов может меняться.

Типы дыхания микроорганизмов

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: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ -*■ 6СО₂ + 6Н₂О + 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:

СН₃СН₂ОН + О₂ -* СН₃СООН + Н₂О + 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.