книги из ГПНТБ / Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник

Органами движения ветвистоусых рачков (Daphnia) служат антенны, оперенные плавательными щетинками (см. рис. 12).

Низшие ракообразные питаются процеживая воду через специальные органы. Отфильтрованная взвесь сжимается в комочки и поступает в рот. По способу до­ бычи пищи рачков относят к активным фильтраторам, так как они создают токи воды либо с помощью антенн (циклопы), либо грудными ножками (дафнии). Пищей тем и другим служат бактерии, микроскопические водо­ росли, органическая взвесь. Сами рачки служат пищей

текают в водной среде. Вследствие этого личинки и ку­ колки насекомых составляют значительную часть насе­ ления больших и малых водоемов. Развиваются они в определенные периоды и на очистных сооружениях, в ча­ стности в биофильтрах (см. рис. 12).

Личинки насекомых населяют илистое дно водоемов, обитают в водной среде, роют ходы в берегах рек. Раз­ виваясь в больших количествах, они служат пищей ры­ бам многих пород и играют важную роль в минерализа­ ции органических веществ. Одни виды личинок собира­ ют детрит со дна, другие питаются фильтруя воду через специальные органы либо строя для этой цели яовчие сети-домики, третьи соскребают пищевые частицы с по­ верхности водных растений и их остатков.

К числу самых распространенных донных организмов пресных вод относятся личинки Chironomidae. Они оби­ тают в лужах, болотах, больших реках и озерах. Боль­ шинство из них питаются детритом, но,есть и хищные формы, нападающие на тубифицидов, низших рачков и более мелких личинок.

Двустворчатые моллюски благодаря работе ресничек мантии и жабер загоняют воду в мантийную полость. Взвешенные в воде частички оседают на поверхности

50

жабр и других частей тела, чему способствует слизь, вы­ деляемая моллюском. Осевший пищевой материал рес­ ничками подается к ротовому отверстию, а непригодные для питания частички собираются в комочки и в виде псевдофекалий выбрасываются наружу. Пищей служат простейшие, низшие рачки и водоросли.

Г л а в а V

ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология — наука, изучающая процессы, протекающие в живом организме, и их взаимосвязь с ус­ ловиями окружающей среды.

§ 22. Обмен веществ

Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельно­ сти выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических пре­ вращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Вещества, из ко­ торых состоит клетка, также не остаются неизменными, они постоянно обновляются. Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождаю­ щихся постоянным ее обновлением, и называется обме­ ном веществ.

Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется ассимиля­ цией— это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции, т. е. процес­ сы разложения и окисления органических веществ, в ре­ зультате которых клетка получает энергию, — это энер­ гетический обмен. Конструктивный и-энергетический ме­ таболизм составляют единое целое.

Живые организмы могут использовать только хими­ чески связанную энергию. Каждое вещество, входящее в состав клетки, обладает определенным запасом потен­ циальной энергии, за счет которой и могут осуществ­ ляться разнообразнейшие биохимические реакции. Эта

энергия носит название свободной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к- освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину порядка 3000 кал/моль. Такие связи называются нормальными. В других связях за­

связи. Почти все известные соединения, обладающие та­ кими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в метаболизме клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Именно та энергия, которая высвобож­ дается при разрыве макроэргических связей АТФ, погло­ щается в реакциях синтеза и в других эндотермических процессах. АТФ, таким образом, выполняет роль постав­ щика энергии для эндотермических реакций.

Вживом организме непрерывно происходит перерас­ пределение энергии между веществами. В конечном ито­ ге энергия питательных веществ превращается в энер­ гию, потребляемую организмом в процессе развития, раз­ множения, в энергию движения, частично рассеивается в виде тепла.

Впростейшей бактериальной клетке находится око­ ло 40 млн. различных органических молекул, огромное число молекул воды, минеральные соли. В клетке одно­ временно протекает большое количество разнообразных реакций, идущих с высокой скоростью и в строгой по-> следовательности. Согласованность и быстрота всех хи­ мических реакций в клетке объясняется наличием в ней особых соединений — катализаторов, называемых фер­ ментами.

§23. Ферменты

Ферментами (или энзимами) называются сложные белковые соединения, выполняющие роль ка­ тализаторов в биохимических реакциях. Ферменты син­ тезируются самой клеткой.

Как и неорганические катализаторы, ферменты ус­ коряют только те реакции, которые протекают самопро­ извольно, но с очень малыми скоростями. В то же время ферментативный катализ значительно отличается от

52

неферментативного. Одной из основных особенностей ферментов по сравнению с химическими катализатора­ ми является, их способность действовать в «мягких» ус­ ловиях, т. е. при достаточно низких температурах, нор­ мальном давлении и реакции среды, близкой к нейтраль­ ной. Каталитическая активность ферментов при этом чрезвычайно высока. Например, ионы железа каталити­ чески ускоряют реакцию разложения перекиси водорода, а атомы того же железа в составе фермента каталазы проводят эту реакцию в 10 млрд. раз быстрее.

Вторая особенность ферментов заключается в стро­ гой специфичности их действия и проявляется в их спо­ собности реагировать лишь с определенным химическим соединением, классом соединений или действовать на оп­ ределенную химическую, связь.

Процесс превращения веществ в клетке представля­ ет собой целую серию последовательных биохимических реакций, каждую из которых катализирует соответст­ вующий фермент. При этом продукт одной реакции слу­ жит субстратом для следующей. Такая кооперативность и строгая последовательность в действии ферментов яв­ ляется их самым существенным отличием от катализа­ торов иной природы.

Все ферменты по своей химической природе относят­ ся к белковым соединениям и имеют высокий молекуляр­ ный вес, достигающий сотен тысяч и миллионов. На по­ верхности их гигантских молекул и протекают каталити­ ческие реакции.

По строению молекулы ферменты подразделяются на одно- и двухкомпонентные. Первые представляют собой простые белки — протеины. На отдельных участках мо­ лекулы ферментов-протеинов в результате определен­ ного пространственного расположения остатков амино­ кислот создаются так называемые активные центры, в которых протекают каталитические реакции. Активные центры реагируют только с тем субстратом, пространст­ венная конфигурация которого совпадает со структурой центра. Этим и обусловлена специфичность действия' ферментов.

Большинство ферментов являются сложными белка­ ми— протеидами. Их молекула состоит из двух частей: 1) белковая часть — называется носителем или апоферментом; 2) небелковый компонент, обладающий катали­ тической активностью, — называется коферментом или

53

простетической группой. Активность этой группы,,, отде­ ленной от апофермента, невелика. Белковый носитель увеличивает активность кофермента и определяет специ­ фичность его действия. Роль коферментов часто выпол­ няют витамины или соединения, содержащие их.

По месту действия' ферменты подразделяются на внутриклеточные ферменты (эндоферменты) и ферменты, которые клетка может выделять во внешнюю среду (экзоферменты). К последним относятся главным образом гидролитические ферменты, катализирующие расщепле­

ние сложных субстратов до более простых веществ, способных про­ никать в клетку.

тзависит от температуры, величи-

синильная кислота, антибиотики резко снижают актив­ ность ферментов и являются ингибиторами, которые блокируют активные центры фермента, препятствуя его реакции с субстратом.

Белковая природа ферментов обусловливает их неус­ тойчивость (лабильность), выражающуюся в том, что ферменты теряют активность в неблагоприятных, услови­ ях среды. Одним из важнейших факторов внешней сре­ ды является температура. Зависимость активности фер­ мента от температуры носит сложный характер (рис. 13). С повышением температуры скорость ферментатив­ ного процесса, как и большинства химических реакций, возрастает, но в отличие от них в довольно узких преде­ лах. По достижении определенной температуры, харак­ терной для 'Каждого фермента, наблюдается падение скорости ферментативной реакции. Уменьшение скоро­ сти связано с деструкцией белковой части фермента при повышенных температурах и потерей в результате этого каталитической активности.

54

Клетки каждого вида микробов имеют совершенно оп­ ределенный набор ферментов, характерный для данного вида. В некоторых случаях в клетке под воздействием каких-либо факторов, например изменения состава пи­ тания, синтезируются ферменты, не свойственные дан­ ной клетке в обычных условиях. Появление таких фер­ ментов связано со стремлением организма приспособить­ ся (адаптироваться) к изменившимся условиям. Поэто­ му и ферменты, эти носят название адаптивных.

§24. Классификация ферментов

Впериод открытия первых ферментов назва­ ния им давались по случайным признакам. Например, пепсин, обнаруженный в желудочном соке, получил свое название от греческого слова пепсис — пищеварение. Позднее Дюкло предложил ввести рациональную номен­ клатуру, где ферментам давалось название по названию субстрата, на который, он действует, с прибавлением суффикса «аза». Так, фермент, разлагающий сахарозу,

назывался сахараза. Эта номенклатура получила наи-

•большее распространение.

В1961 г. V Международный биохимический конгресс

принял новую номенклатуру, построенную на строго на: учных принципах. Согласно этой номенклатуре все фер­ менты делятся на шесть классов по типу катализируе­ мой реакции.

1. Оксидоредуктазы ускоряют окислительно-восста­ новительные реакции. Для огромного большинства мик­ роорганизмов характерно окисление субстрата путем де­ гидрирования. Это так называемое непрямое окисление. Дегидрируемый субстрат, отдавая водород, является до­ нором водорода в окислительно-восстановительной ре­ акции. Процесс этот катализируют оксидоредуктазы, носящие название первичных дегидрогеназ. В качестве кофермента чаще всего они имеют никотинамид-аденин- динуклеотид (НАД). Если обозначить окисляемый суб­ страт через АН2 , то первая стадия его окисления запи­ шется так: АН 2 +НАД==НАДН 2 Н -А.

У некоторых видов микроорганизмов первичные дегидрогеназы передают водород на молекулу другого ор­ ганического соединения:

55

На этом процесс заканчивается: вещество А окис­ лилось, вещество В восстановилось.

У других видов водород передается конечному акцеп­ тору (кислороду) через ряд промежуточных акцепторов, которые являются ферментами.

Особенностью оксидоредуктаз является их способ­ ность образовывать в клетке цепи ферментов, в которых осуществляется перенос водорода (электрона) от пер­ вичного субстрата к конечному акцептору. Длина этой дыхательной цепи и количество входящих в нее оксидо­ редуктаз зависит от вида микроорганизмов (рис. 14).

А Н 2 + Н А Д — - А + Н А Д - н 2 + Ф А П

Рис. 14 Схема передачи водорода в дыхательной цепи ферментов

Кроме первичных дегидрогеназ в дыхательную цепь входят вторичные дегидрогеназы (флавиновые фермен­ ты — ФАД) и цитохромная система, включающая не­ сколько ферментов — цитохромов, в состав простетической группы которых входят атомы железа. Цитохром­ ная система не принимает атомов водорода с ФАДН2 , но способна принимать электроны, снятые с атомов во­ дорода. Электрон передается по цепи цитохромов за счет изменения валентности атома железа. Последний фер­ мент в цитохромной системе носит название цитохромоксидазы. Только он способен передавать электрон его ко­ нечному акцептору кислороду. Одновременно через рас­ твор передаётся кислороду ионизированный атом водо­ рода.

Оксидоредуктазы катализируют биохимические про­ цессы, сопровождающиеся выделением энергии.

2. Гидролазы катализируют реакции гидролитиче­ ского расщепления сложных органических соединений.

56

В общем виде реакция гидролиза вещества AiA 2 записы­ вается следующим образом:

В зависимости от химической природы гидролизуе* мого субстрата гидролазы подразделяются на несколько групп:

эстеразы — ускоряют гидролитическое расщепление и синтез сложных эфиров; к этой группе относятся липа­ зы, гидролизующие п синтезирующие жиры;

глюкозидазы — катализируют гидролиз и синтез сложных углеводов;

пептидазы — ускоряют гидролиз пептидных связей в белковых молекулах.

3. Трансферазы ускоряют реакции переноса молеку­ лярных остатков и атомных групп. Ферменты этого клас­ са подразделяются по характеру переносимой группы. К трансферазам относятся очень распространенные и не­ обходимые для клетки ""ферменты фосфоферазы, пере­ носящие остаток фосфорной кислоты. Благодаря этой реакции целый ряд органических соединений в клетке превращается в фосфорные эфиры, обладающие повы­ шенной химической активностью и поэтому легко всту­ пающие в последующие реакции.

4.Лиазы — ферменты, ускоряющие отщепление атом­ ных группировок с образованием двойных связей или присоединение по месту этих связей. Одной из важней­ ших групп ферментов этого класса являются декарбоксилазы, с участием которых протекают реакции декарбоксилирования —отщепления СОг-

5.Изомеразы катализируют внутримолекулярные превращения, например реакции превращения одного изомера в другой.

6.Лигазы ускоряют реакции синтеза сложных орга­ нических соединений, поэтому их иногда называют синтетазами. Реакции, ускоряемые ферментами этого класса, протекают сопряженно с реакциями распада АТФ. Энер­ гия молекулы АТФ используется для активирования ис­ ходных реагирующих веществ. Эти ферменты играют значительную роль в биосинтезе белков, нуклеиновых и жирных кислот и других соединений.

57

§ 25. Типы питания микроорганизмов

Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элемен­ тарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растений. Основными органоге­ нами являются углерод, азот, кислород и водород. По­ требность в кислороде и водороде микроорганизмы удо­ влетворяют за счет воды и воздуха, кроме того, эти эле­

способны в качестве единственного источника углерода использовать углекислоту или карбонаты и из этих про­ стых неорганических соединений синтезировать сложные органические компоненты своего тела. Автотрофы — в основном представители растительного мира: водоросли и некоторые виды бактерий. Из простейших к автотрофам относятся окрашенные жгутиковые.

2. Гетеротрофы (от греч. heteros — другой) нужда­ ются в органических соединениях углерода. В свою оче­ редь, гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на сапрофитов (сапро— гнилой, фит — растение) и па­ разитов.

Сапрофиты питаются мертвой органикой. Число ор­ ганических соединений, используемых ими в качестве ис­ точников углерода, чрезвычайно велико — это углеводы, аминокислоты, спирты, жирные кислоты и т. д. Некото­ рые сапрофиты способны усваивать разнообразные веще­ ства, другие используют углерод только совершенно опре- ' деленных соединений. Например, клетчатка служит единственным источником углерода для целлюлозных бактерий, а углеводороды — для бактерий, населяющих нефтяные залежи.

Паразиты развиваются в живых организмах, питаясь органическими веществами, входящими в состав тела хозяина. Паразиты нарушают равновесие биохимиче­ ских процессов в организме, т. е. вызывают его заболе­ вание. Микробов, ведущих паразитический образ жизни,

58

называют болезнетворными или патогенными. Некото­ рые из патогенных микроорганизмов в зависимости от условий могут существовать либо как паразиты, либо как сапрофиты. Их называют условными или факульта­ тивными паразитами. К их числу относятся возбудители многих кишечных инфекций. Другие,- например вирусы, могут развиваться только в живых клетках — это стро­ гие, или облигатные, паразиты.

Некоторые виды микроорганизмов способны, пере­ ключаться с автотрофного типа питания на гетеротроф­ ный, и наоборот. Например, эвглена зеленая питается на свету как растение, т. е. ведет автотрофный образ жизни, а в темноте энергично поглощает органические вещества,, т. е. существует как гетеротрофный организм.

Азот — элемент, входящий в состав белков. По отно­ шению к источникам азотного питания среди микроор­ ганизмов также можно выделить автоаминотрофов и гетероаминотрофов.

Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простей­ шие формы органического (мочевина) и из этих соеди­ нений строить разнообразнейшие белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммоний­ ную. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу.

Гетероаминотрофы нуждаются в органических фор­ мах азота — белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие способны из-одной-двух аминокислот путем их преобразования создавать необходимые белковые вещества.

Многие гетеротрофные микроорганизмы являются, автоаминотрофами.

§ 26. Потребность микроорганизмов в минеральных веществах и витаминах

Помимо основных органогенов для нормаль­ ного развития организмов необходим целый ряд эле­ ментов: Р, S, К, Fe, Са, Mg. Потребность в них невелика, но присутствие их в питательной среде обязательно. Большинство микроорганизмов получают эти элементы из минеральных соединений К2НРО4, MgS04 , FeCl3 и т. д. Кроме того, для нормального развития микробов необходимы микроэлементы — Zn, Со, Си, Ni и неко-

59