Физиология и биохимия микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 06.01.03 – «Биология» высших учебных заведений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Чеченский государственный

университет имени Ахмата Абдулхамидовича Кадырова»

Кафедра «Клеточная биология, морфология и микробиология»

Ф.С. Турлова, Я.С. Усаева, Ф.Х. Аматханова

Учебное пособие

для студентов специальности 06.01.03 – «Биология»

высших учебных заведений

Физиология и биохимия микроорганизмов

Грозный – 2024

1

Печатается по решению Ученого совета ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет

им. А.А. Кадырова» (протокол № 7 от 30.05.2024 г.)

и по решению УМС ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова» (протокол № 7 от 28.05.2024 г.)

УДК 579

ББК 52.9

Рецензенты:

Ш.С. Кушалиева – канд. биол. наук., заведующий кафедры биологии и методики ее преподавания ФГБОУ ВО «Чеченский государственный педагогический университет»

А.М. Умаева – доцент кафедры ботаники, зоологии, и биоэкологии

ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»

Турлова Ф.С., Усаева Я.С., Аматханова Ф.Х. Физиология и биохимия микроорганизмов: учебное пособие для студентов специальности 06.01.03– «Биология» высших учебных заведений / Ф.С. Турлова, Я.С. Усаева, Ф.Х. Аматханова [Эленктронное издание]. – Грозный: издательство Чеченского государственного университета им. А.А. Кадырова. 2024. – 90 с.

В настоящем учебном пособии содержатся основные сведения по

физиологии и биохимии микроорганизмов. В пособие включены тесты для

самоконтроля знаний студентов. Данное учебное пособие предназначено

специальностей, школьным учителям биологии.

©Турлова Ф.С., Усаева Я.С., Аматханова Ф.Х.

©ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет имени А.А. Кадырова», 2024

2

3

Введение

Цель настоящего учебного пособия – помочь студентам вузов,

обучающимся по специальности 06.01.03 – «Биология», а также экологических и сельскохозяйственных специальностей, овладеть знаниями по физиологии и биохимии микроорганизмов. Пособие будет способствовать лучшему усвоению программы курсов «Микробиология», «Почвенная микробиология», «Физиология роста микроорганизмов» в соответствии с действующими Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования для данных специальностей, также будет полезно школьным учителям биологии.

Пособие познакомит студентов с метаболизмом микроорганизмов,

дыханием микроорганизмов. Мы надеемся, что данное пособие встретит хороший прием со стороны преподавателей, аспирантов, студентов,

интересующихся проблемами физиологии и биохимии микроорганизмов, а

также со стороны преподавателей, аспирантов и студентов в смежных областях биохимии, ботаники, зоологии и просто желающих ознакомиться с основами метаболизма микроорганизмов.

4

Основы метаболизма

Метаболизм клетки или организма определяется суммой общих реакций,

катализируемых ферментами клетки или данного организма. Метаболизм любого организма направлен на обеспечение роста и размножения. Общий метаболический процесс может быть суммирован следующим образом:

питательные вещества = клеточный материал + продукты отходов + энергия.

Клеточный материал – это источник белковых веществ, липидов,

каратиноидов, витаминов, к продуктам отхода относятся: этанол, ацетон,

бутанол, глицерин и другие вещества. Зная пути метаболизма, можно изменить не только общий выход, соотношение продуктов, но и их состав. Например,

ацетонобутиловые клостридии при нейтральном значении рН образуют уксусную и масляную кислоты, а в кислой среде – ацетон и бутанол.

В аэробных условиях пекарские дрожжи накапливают много биомассы и мало этанола, а в анаэробных условиях – наоборот.

Метаболизм состоит из процессов двух типов – катаболизма

(диссимиляция), или расщепления питательных веществ для получения энергии, анаболизма (ассимиляции), или использования питательных веществ для синтеза соединений, из которых построена клетка. Катаболические

(энергетические) реакции обеспечивают клетки энергией, а во многих случаях также строительными блоками и источником углерода, такие реакции называются амфиболическими.

В результате анаболических реакций осуществляется биосинтез клеточного материала из простых органических или неорганических соединений. Эти общие положения о метаболизме относятся ко всем живым организмам – от прокариот до животных, в том числе и человека.

Микроорганизмы используют большое разнообразие веществ как источников энергии и углерода.

5

Первое место в этом отношении занимают бактерии, затем нитчатые грибы и дрожжи. Бактерии-литотрофы способны к извлечению энергии из восстановленных неорганических веществ: Fe, S, H2S, H2, NH3, NO2-, CO и др.

Бактерии могут использовать все существующие на планете органические вещества – от G1 до полимеров, особенно, если полимеры имеют природное происхождение. Только бактерии могут утилизировать метан.

Энергия в виде радиации или извлеченная из разных веществ,

преобразуется организмами в доступную для них форму.

Бактерии имеют три различных механизма фиксации углекислого газа: у

большинства бактерий цикл Кальвина, как у растений, цикл Арнона у зеленых фототрофных бактерий и своеобразный способ фиксации углекислого газа у метаногенов. Некоторые бактерии и мицелиальные грибы расщепляют, также используют трудноутилизируемые вещества, такие как лигнин, целлюлоза,

гемицеллюлоза.

Углеводы – самая распространенная группа органических соединений на Земле, из них больше всего целлюлозы, другой широко распространенный и трудноутилизируемый углевод – это хитин. Хитин, кератин и даже латекс способны разлагать некоторые актиномицеты.

Хемосинтетический механизм преобразования энергии свойствен всем бактериям. В состав цитоплазматической мембраны, в том числе и анаэробных бактерий, входит АТФ-синтетаза. У анаэробов АТФ-синтетаза гидролизует часть образованной АТФ и на цитоплазматической мембране создается протондвижущая сила, приводящую в действие АТФ-синтетазу,

синтезирующую у них АТФ, создает цепь переноса электронов.

Градиент протонов участвует в транспорте веществ через мембрану против градиентов их концентраций, в выделении ионов Na+ наружу, в

движении бактериальных жгутиков.

Ионы Na+ из бактериальной клетки по механизму Na+- Н+- антипорта,

заменяющего Na+- К+- АТФ-синтетазу эукариотических клеток.

6

Поглощение питательных веществ у бактерий происходит по механизму Н+- симпорта. Необходимые клетке метаболиты поступают вместе с одним или несколькими протонами при участии специальных белков-переносчиков: так транспортируется большинство сахаров и аминокислот.

Метаболизм микробов характеризуется высокой интенсивностью. Из-за маленьких размеров микробных клеток создается высокое отношение поверхности к объему, в результате чего происходит активное поступление веществ в микробную клетку.

Так как клеточная стенка, содержащая пептидогликан, противодействует огромному осмотическому давлению, субстраты и питательные вещества аккумулируются в бактериях в высоких количествах, что обуславливает высокие скорости метаболических реакций, что выражается в активном дыхании или брожении, высокой скорости деления клеток, чему способствует также наличие одной хромосомы и коротких циклов деления.

В метаболизме микроорганизмов различают первичные и вторичные метаболиты. Микробный метаболит – молекула, которая участвует в метаболизме, это относится к СО2, H2, N2, с одной стороны, или к ДНК, белкам,

ферментам – с другой.

Первичные метаболиты – факторы роста, они необходимы не только для роста, но и для размножения микробов, первичные метаболиты имеются у всех микроскопических организмов.

После того, как микроб перестает расти, образуются вторичные метаболиты. От состава среды, возраста культуры, условий выращивания зависит синтез вторичных метаболитов.

Механизм регуляции образования вторичных метаболитов значительно отличается от механизма регуляции продуцирования первичных метаболитов.

Вторичные метаболиты – высокомолекулярные соединения.

К первичным метаболитам анаболизма относятся, например, липиды,

витамины, биомасса, полисахариды, нуклеотиды и аминокислоты. Из

7

вторичных метаболитов наиболее важными являются токсины, антибиотики,

алкалоиды.

Первичными продуктами катаболизма являются этанол, уксусная кислота, СО2, АТФ. Вторичные метаболиты катаболизма – ацетон и бутанол.

Главные внутриклеточные функции у бактерий контролируются ферментами.

Генетические системы позволяют изменить уровень образования продуктов путем воздействия на активность и синтез ферментов. Некоторые бактерии синтезируют феромоны подобно высшим организмам. Бактериальные феромоны называют индукторами, ауторегуляторами, факторами d и А.

Феромоны синтезируются в очень малых количествах, используются в дифференциации клеток и циклах деления бактерий. Феромоны обнаружены у псевдомонад, бацилл, миксобактерий, стрептококков, люминесцирующих бактерий, стрептомицетов, с участием фактора А связан синтез стрептомицина.

Микроорганизмы выделяют в окружающую среду не только конечные продукты обмена, но и некоторые промежуточные метаболиты, например,

аминокислоты; гидролитические ферменты опять вовлекаются в метаболизм и имеют практическую ценность.

Катаболические процессы. Роль О2 в метаболизме микроорганизмов.

Молекулярный кислород разделил живые существа на две части:

анаэробы и аэробы. Анаэробов немного, аэробов очень много.

По современным представлениям, функции молекулярного кислорода далеко не ограничены его ролью терминального акцептора электронов. Для аэробов О2 служит субстратом для большого класса ферментов, известных как оксигеназы.

Эти ферменты включают молекулярный кислород в различные органические молекулы с образованием продуктов, которые затем легко вовлекаются в центральные метаболические процессы. Например, после включения молекулярного кислорода в такие субстраты, как алканы,

8

циклоалканы, ароматические углеводороды и многочисленные родственные соединения, начинается их микробная деградация.

Оксигеназные реакции аэробов, анаэробы замещают реакциями гидроксилирования: комбинация дегидрогенирования и гидратации; например,

происходит синтез малата из сукцината.

Почти все катаболические и анаболические реакции в организмах происходят главным образом в анаэробных условиях, и прямое вовлечение молекулярного кислорода в метаболический процесс – исключение.

В анаболических реакциях молекулярный кислород не может быть заменен другим соединением, поэтому анаэробы не синтезируют стеролы,

эпоксиксантофилы, а их жирные кислоты содержат не более одной двойной связи.

Процессы восстановления кислорода, протекающие в живых клетках,

приводят к образованию трех различных продуктов: воды больше всего,

перекиси водорода и синглентного кислорода (синглентный кислород вызывает разрушение клеточных мембран и даже гибель клеток). Перекись водорода и синглентный кислород токсичны для бактериальных клеток.

Оксигеназы аэробов, включающие кислород в органические молекулы,

позволяют избежать образование свободных реактивных форм кислорода.

Облигатные анаэробы содержат много рибофлавина, который реагирует с молекулярным кислородом, образуя перекись водорода и О2-.

Категории микроорганизмов в связи с отношением к кислороду Анаэробы не могут использовать О2, облигатные (обязательные) анаэробы не растут в кислородной среде, на облигатные анаэробы О2 не действует губительно, а на оксилабильные анаэробы действует губительно, Также существуют аэротолерантные анаэробы, которые растут и в присутствии О2, но не могут его использовать.

Облигатные (обязательные) аэробы не растут без О2, факультативные аэробы растут без присутствия кислорода, микроаэрофильные микробы при

9

низкой концентрации кислорода лучше растут. Некоторые облигатные анаэробы могут расти при низком давлении кислорода в окружающей среде,

поглощая его.

Главные типы микробного метаболизма

У бактерий главных типа метаболизма 4 или 5: бродильный,

дыхательный, метаногенный, фотометаболизм. Тип метаболизма в основном определяется энергетикой микроба. При бродильном типе источником энергии и углерода являются частично окисленные органические соединения, «бродильщиками» являются хемоорганотрофы.

При трех остальных типах метаболизма бактерии могут использовать как органические, так и неорганические вещества в качестве источников энергии и углеводов.

Поэтому среди этих бактерий встречаются органотрофы, литотрофы и фототрофы. У эукариотных микроорганизмов известны брожение, аэробное дыхание, фотосинтез

У бактерий насчитывается более 30 различных брожений, главные из них следующие: спиртовое, молочнокислое, смешанное, бутиленгликолевое,

маслянокислое, бутанолацетоновое, пропионовокислое брожения.

У цианобактерий и прохлорофита работает оксигенный фотосинтез, у

зеленых и пурпурных бактерий – аноксигенный фотосинтез, у галобактерий – фотохимическое превращение света с участием пигмента бактериородопсина.

Метаболизм галобактерий относится к дыхательному типу.

Почти все эукариоты - аэробы. Только некоторые простейшие и дрожжи могут получать энергию, осуществляя спиртовое брожение, но считают, что главным способом жизни дрожжей является аэробное дыхание, брожение – это способ перенесения неблагоприятных условий.

В анаэробных условиях дрожжи не способны синтезировать ненасыщенные жирные кислоты и стеролы. Образуются дегенеративные

10