Микробиология и основы биотехнологии

Рис. 3.1. Пассивный перенос веществ в клетку: à, á — в результате градиента концентрации; â — проникновение вещества в клетку вместе с растворителем; ã — перенос веществ, вызванный разностью потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны; • — растворенное вещество; — растворитель

сила вызывает движение — градиент концентраций, градиент потенциала или эффект втягивания,— движение всегда происходит в «нисходящем» направлении, и мембрана служит пассивной преградой.

3.2. Современное представление об активном переносе веществ в клетку. Модель Шоу

В цитологии известно много примеров, когда не удается объяснить перенос веществ через мембрану пассивным путем. В этом случае движение осуществляется в «восходящем» направлении, т. е. против сил, вызывающих пассивный перенос, поэтому оно должно происходить за счет энергии, освобождающейся в результате процессов метаболизма, совершающихся в клетке. При активном переносе мембрана не представляет собой пассивную преграду, а действует как некий динамичный орган. Многие вещества способны растворяться в жирах и легко проходить сквозь цитоплазматическую мембрану, что предполагает наличие в мембране слоя липидов. Однако и водорастворимые молекулы проходят сквозь цитоплазматическую мембрану, в этом случае клеточная мембрана должна представлять собой сито, т. е. должна быть снабжена порами или же иметь одновременно липидные и нелипидные участки. Эти наблюдения легли в основу модели клеточной мембраны, предложенной Дж. Даниэлли, в соответствии с которой мембрана состоит из белкового и липидных слоев.

51

Для объяснения активного переноса веществ Т. Шоу была предложена модель, которая дает возможность объяснить не только перенос ионов через цитоплазматическую мембрану на примере переноса ионов калия и натрия, но и позволяет установить связь между ионами. Согласно модели Т. Шоу, ионы калия и натрия переносятся через мембрану жирорастворимыми переносчиками, специфичными для ионов. Образующиеся при этом соединения способны диффундировать сквозь мембрану, тогда как для свободных переносчиков мембрана непроницаема. На наружной поверхности мембраны переносчики натрия превращаются в переносчиков калия, теряя при этом энергию. На внутренней поверхности мембраны переносчики калия вновь превращаются

âпереносчиков натрия благодаря получению энергии, возникающей

âпроцессе метаболизма клетки. Поставщиками этой энергии служат, по всей вероятности, богатые энергией соединения, в молекуле которых имеются фосфатные связи. Многие допущения, принятые в этой модели, трудно подтвердить экспериментально, и она признается не всеми. Однако эта модель показывает всю сложность явления активного переноса веществ в клетку.

3.3. Типы питания микроорганизмов

Пища должна удовлетворять все потребности микроорганизмов в химических элементах, входящих в состав клеток.

Микроорганизмы отличаются большим разнообразием типов питания. Одни питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ более сложные компоненты клетки. Другие, подобно животным организмам, нуждаются в готовых органических соединениях. Требования различных микроорганизмов в отношении питательных веществ (особенно углерода и азота) разнообразны и специфичны.

Углеродное питание

Углерод относится к числу важнейших органогенов и составляет около 50 % сухой массы клеток. По источнику углеродного питания микроорганизмы можно разделить на две группы: автотрофные è гетеротрофные. Однако эта терминология не характеризует все многообразие способов питания, а относится только к источнику углерода. Для характеристики способа питания микроорганизмов необходимо знать: èñ-

52

точник энергии, донора электронов, источник углерода. Описание типов питания (трофии) представлено в табл. 3.1.

Автотрофы (ãðå÷. autos — ñàì, trophe — пища). В качестве единственного источника углерода микроорганизмы используют углекислоту и ее соли. Синтез органического вещества из минеральных соединений требует затрат солнечной энергии или энергии химических связей. Среди автотрофов выделяют фотосинтезирующие и хемосинтезирующие микроорганизмы.

Фотосинтезирующие микроорганизмы, или фототрофы (фотосинтетики),— микроорганизмы, которые подобно зеленым растениям ассимилируют углекислый газ за счет использования солнечной энергии. Источником углерода для этих микроорганизмов является углекислота, источником энергии — свет (электромагнитное излучение), источником электронов — водород. К фототрофам относятся микроскопические водоросли, имеющие хлорофилл, зеленые и пурпурные серобактерии.

Хемосинтезирующие микроорганизмы, или хемотрофы,— автотрофные микроорганизмы, использующие в процессе синтеза органических соединений энергию химических реакций окисления некоторых минераль-

53

ных веществ. К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотную кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород в серную кислоту (бесцветные серобактерии), а также закисное железо в окисное (железобактерии). Хемосинтез был открыт С. Н. Виноградским.

Многообразие автотрофных организмов обусловливается теми энергетическими реакциями, которые они осуществляют. Если в этих реакциях окисляется внешний неорганический донор электрона, то организмы называют литотрофами. Термин «литотрофия» более точно определяет тип питания, чем термин «хемотрофия» [16]. Среди литотрофных организмов выделяют органогенные, использующие в качестве доноров электронов органические соединения.

Микроорганизмы, использующие в качестве источника углерода для построения собственных веществ клеток готовые органические соединения, называются гетеротрофными. К таким микроорганизмам относятся многочисленные бактерии, грибы, дрожжи. Большинство этих микроорганизмов используют органические вещества различных субстратов растительного и животного происхождения и называются сапрофитами (ãðå÷. sapros — гнилой, phóton — растение).

Сапрофиты разлагают органические вещества в почве, воде, вызывают порчу продуктов и используются в процессах переработки растительного и животного сырья. Многие сапрофиты «всеядны», т. е. способны использовать в качестве источника углерода разнообразные органиче- ские соединения — углеводы, спирты, органические кислоты, белки и др. Некоторые проявляют резко выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода и используют только определенные вещества или одно из них. Такие микроорганизмы называются субстратспецифичными, например, для целлюлозных бактерий источником углерода служит клетчатка, для дрожжей — сахар.

Некоторые гетеротрофы являются паразитами (паратрофами). Они способны развиваться только в теле других организмов, используя органические вещества хозяина. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений. Гетеротрофы наряду с органическими соединениями используют СО2, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ тела.

Специфичность отношений микроорганизмов к источнику углерода определяет круговорот его в природе.

54

Исследования последнего времени показали, что резкой грани между автотрофами и гетеротрофами провести нельзя, т. к. существуют промежуточные формы, которые могут переключаться с автотрофного типа питания на гетеротрофный. Например, несерные пурпурные бактерии наряду с углекислотой способны использовать органические соединения; для метаногенных бактерий источниками углерода являются метан и углекислый газ, но они могут жить, как гетеротрофы, на субстратах с различными органическими веществами.

Азотное питание

Азот необходим микроорганизмам для синтеза белка, нуклеиновых кислот и других азотсодержащих веществ. Паразиты (паратрофы) развиваются за счет органических азотсодержащих веществ организма, в котором они паразитируют. Одни сапрофиты (молочнокислые и некоторые гнилостные бактерии) не могут синтезировать белки из простых азотсодержащих соединений, а синтезируют их только из сложных органиче- ских форм азота (пептонов, пептидов) или полного набора аминокислот, входящих в состав их клеток. Другие сапрофиты развиваются на субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты, иногда одну или две, а все остальные синтезируют сами. Используемые аминокислоты подвергаются в клетке процессам дезаминирования (распада с потерей аммиака в результате реакций восстановления, окисления, гидролиза). Образующийся аммиак участвует в реакциях аминирования (присоединения аммиака) окси- и кетокислот. Синтез новых аминокислот может протекать без дезаминирования путем их переаминирования — переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту при участии ферментов. Многие сапрофиты (преимущественно грибы, актиномицеты, реже бактерии) используют в качестве источника азота нитраты, реже нитриты. Окисленные формы азота предварительно восстанавливаются с образованием аммиака. Имеются микроорганизмы (азотобактер, клубеньковые бактерии), усваивающие свободный азот атмосферы. Они переводят азот в связанное состояние, восстанавливают его до аммиака, который используют для синтеза аминокислот.

Усвоение зольных элементов

Микроорганизмы усваивают зольные элементы (серу, фосфор, калий, магний, кальций, железо) из минеральных солей K2ÍÐÎ4 è ÌgSO4. Некоторые микроорганизмы получают серу и фосфор из органических

55

Глава 4 ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАБОЛИЗМА.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

4.1. Понятие об обмене веществ

Знание основ физиологии, изучающей жизненные функции организмов и их взаимодействие с внешней средой, позволяет использовать микроорганизмы в практических целях.

Обмен веществ микроорганизмов с внешней средой является неотъемлемым свойством их существования. Процессы роста, развития, размножения сопровождаются значительным расходом энергии и потреблением различных веществ. Микроорганизмы получают энергию в процессе обмена веществ, или метаболизма (ãðå÷. metabole — перемена, обмен веществ). Метаболизм протекает в определенной последовательности, основными процессами его являются питание è дыхание, сопровождающиеся выделением во внешнюю среду различных продуктов жизнедеятельности — метаболитов.

Питание. Процесс состоит из поступления и ассимиляции (усвоения) питательных веществ. Поступившие в клетку вещества подвергаются в ней переработке путем расщепления в процессе катаболизма (распада) на более простые соединения. Сложное вещество не всегда и не сразу расщепляется на простые низкомолекулярные вещества. Вначале образуются промежуточные вещества в процессе амфиболизма. Из разнообразных низкомолекулярных веществ, образовавшихся в процессе катаболизма, синтезируются в процессе анаболизма сложные клеточные вещества, свойственные данному организму.

Дыхание. Процесс дыхания включает процессы диссимиляции (расщепления и окисления) органических веществ, сопровождающиеся освобождением энергии, необходимой для жизнедеятельности и осуществления синтетических процессов.

Поступившие в клетку питательные вещества расходуются по двум основным направлениям: одна часть извлеченной из них энергии

59

используется в биосинтезе веществ тела (конструктивный обмен); другая — в процессах, обеспечивающих организм энергией (энергетиче- ский обмен).

Одно и то же вещество может служить источником энергии и строительным материалом, но нередко в реакциях конструктивного и энергетического обменов используются различные вещества.

Питание и дыхание, являясь противоположными процессами, представляют собой сложный комплекс разнообразных превращений веществ и энергии и находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Они неотделимы друг от друга и обусловливают процессы жизнедеятельности микроорганизмов.

Особенностью микроорганизмов является необычайно интенсивный обмен веществ. В благоприятных условиях одна клетка потребляет питательных веществ в 30–40 раз больше массы своего тела. Основная часть пищи расходуется в энергетическом обмене, при котором в среду выделяется большое количество продуктов обмена (кислот, спиртов, углекислого газа). Эта способность микроорганизмов широко используется в практике переработки различных видов сырья [1, 17].

4.2.Ферментативный катализ и его значение

âжизнедеятельности микроорганизмов

Все разнообразие биохимических процессов, протекающих в клетке микроорганизмов, совершается при участии биологических катализаторов — ферментов, èëè энзимов, вырабатываемых в клетках. Ферменты были открыты в 1814 г. русским химиком К. С. Кирхгофом, изучившим каталитическое превращение крахмала в сахар под действием фермента

диастаза, или солодовой амилазы.

Ферменты — это высокомолекулярные белки, образующие в воде коллоидные (греч. êolla — клей) растворы. Они подразделяются на две группы:

протеины — однокомпонентные системы, состоящие только из белка с каталитическими свойствами;

протеиды — двухкомпонентные системы, состоящие из белка и небелкового компонента, называемого простетической (активной) группой.

В однокомпонентных ферментах роль активной группы выполняют определенные химические группировки в молекуле белка, составляя ак-

60