Химия воды и микробиология. Учебное пособие

41

Низшие ракообразные, характерные обитатели пресноводных водоемов, - это веслоногие, или циклоп (рис. 4.19, а) и ветвистоусые рачки, или дафнии (рис. 4.19, б). Пищей для низших ракообразных служат бактерии, простейшие, микроскопические водоросли и мелкие частички органического детрита. Пища подает в рот рачков после процеживания воды через специальные органы. Веслоногие рачки передвигаются в воде с помощью нескольких пар грудных ног, а ветвистоусые – с помощью антеноподобных органов, оперенных плавательными щетинками.

Рис. 4.19. Низшие ракообразные:

а – циклоп, б - дафния

Личинки некоторых насекомых, обитающих вблизи водоемов, являются обитателями как этих водоемов. Так и сооружений естественной (поля орошения и биологические пруды) и искусственной биологической очитски сточных вод (аэротенков, и особенно биологических фильтров). Самыми массовыми обитателями очистных сооружений являются личинки Chironomida, мушки Psychoda и насекомых Podura (рис. 4.20).

42

Рис. 4.20. а – Chironomida, б – Psychoda, в - Podura

Пищей для личинок служит органический детрит, но личинки-хищники питаются мелкими червями, низшими рачками и более мелким личинками. Сами личинки служат пищей для стрекоз, крупных водяных жуков, рыб и земноводных.

43

5. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология – наука о процессах, протекающих в живом организме, и их взаимосвязи с условиями окружающей среды.

При всем многообразии микроорганизмов их клетки, как и клетки высших животных и растений, состоят их одних и тех же химических соединений. Важнейшим из них являются вода, белки, жиры, углеводы.

Функции, которые выполняют в клетке вода и перечисленные классы органических веществ, также идентичны для всех организмов. Вода являются дисперсионной средой для коллоидов цитоплазмы и растворителем для ряда органических и неорганических соединений. Она служит не только средой для разнообразных биохимических процессов. Но и сама принимает участие в таких реакциях, как гидролиз, окисление и т.д. Обладая низкой вязкостью и способностью растворять различные вещества, вода выполняет транспортные функции: обеспечивает поступление питательных веществ внутрь клетки и вывод продуктов жизнедеятельности из нее. Часть воды в клетке связана с коллоидами цитоплазмы и входит в состав рибосом, митохондрий и других органелл.

Белки являются главной составной частью всех внутриклеточных структур, основной жизни клеток. Универсальная функция нуклеиновых кислот – хранение и передача наследственных признаков. Жиры и углеводы в связанном состоянии входит в состав структурных компонентов клетки, в свободном состоянии они играют роль запасных веществ и являются источниками энергии.

В клетке одновременно протекает множество разнообразных реакций, идущих с высокой скоростью и в строгой последовательности. Согласованность и быстрота всех химических реакций в клетке объясняются наличием в ней особых соединений – катализаторов, называемых ферментами.

Структура и свойства ферментов. Ферментами (или энзимами) называются сложные белковые соединения, выполняющие роль катализаторов в биохимических реакциях. Ферменты синтезируются самой клеткой. Все ферменты по своей химической природе относятся к белковым соединениям. На поверхности из гигантских молекул и протекают каталитические реакции.

По строению молекулы-ферменты подразделяются на одно- и двухкомпонентные. Первые представляют собой простые белки – протеины. На отдельных участках молекулы ферментов-протеинов в результате определенного пространственного расположения остатков аминокислот создаются так называемые активные центры, в которых протекают каталитические реакции. Активные центры реагируют только с тем субстратом, пространственная конфигурация которого совпадает со структурой центра. Большинство ферментов является сложными белками – протеидами.

Как и неорганические катализаторы, ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малыми скоростями. В то же

44

время ферментативный катализ значительно отличается от неферментативного. Одной из основных особенностей ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами являются их способностью действовать в “ мягких” условиях, т.е. при достаточно низких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Каталитическая активность ферментов при этом чрезвычайно высока. Например, ионы железа каталитически ускоряют реакцию разложения перекиси водорода, а атомы того же железа в составе фермента катализы проводят ту же реакцию в 10 млрд. раз быстрее. Вторая особенность ферментов заключается в строгой специфичности их действия и проявляется в способности ферментов реагировать лишь с определенным химическим соединениям, классом соединений или действовать на определенную химическую связь.

Процесс превращения веществ в клетке представляет собой серию последовательных биохимических реакций, каждую из которых катализирует соответствующий фермент.

5.1. Классификация ферментов

Название фермента составляется из корня слова, обозначающего вещество на которое действует фермент, и окончание «аза». Фермент, действующий на крахмал (amilum) – амилаза, разлагающий мальтозу – мальтаза, мочевину (urea)

– уреза и т.д. Ферменты называют также и по функциям (по химическим процесса), которые они катализируют: ферменты, катализирующие отщепление водорода от субстрата (дегидрогенирование) – дегидрогеназы, а расщепляющие сложные органические соединения путем гидролиза – гидролизы и т.п.

Из этого правила имеются исключения, которые возникли на более ранних этапах исследования ферментов. Например, фермент желудочного сока называется пепсином, фермент, разлагающий крахмал, - диастазом.

Внастоящее время известно более 1000 ферментов, которые из них получены

ввиде белковых кристаллов.

Всоответствии с классификацией, разработанной специальной комиссией Международного биохимического союза, ферменты по типу катализируемой реакции делятся на 6 групп:

- окси(до)редуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции; - трансферазы – катализируют реакции переноса групп;

- гидролазы – катализируют реакции гидролиза; - лиазы – катализируют присоединение групп к двойным связям, или,

наоборот, отщепление группы с образованием двойной связи; - изомеразы – катализируют реакции изомеризации;

- лигазы – катализируют реакции конденсации двух молекул, сопряженные с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле АТФ или аналогичного трифосфата.

45

Классы ферментов подразделяют на подклассы, которые делят на подподклассы. Каждый фермент имеет название и шифр из четырех чисел: первое число обозначает класс, второе – подкласс, третье подподкласс, четвертое – порядковый номер данного фермента. Числа в шифре разделяют точками.

Оксиредуктазы – это окислительно-восстановительные ферменты: дегидрогеназы НАД (никотинамидаденин-нуклеотид), НАДФ (никотинамидаденин-нуклеотидфосфат), цитохромы (a,b,c), цитохромоксидаза. Эти ферменты катализируют окислительно-востановительные процессы дыхания и брожения микроорганизмов.

Дегидрогеназы – ферменты, катализирующие реакцию дегидрогенирования органических соединений – отщепление водорода. Отнятый водород передается дегидрогеназой какому-либо другому веществу (промежуточно-временному или конечному акцептору водорода). Таким образом, одно вещество окисляется, а другое – восстанавливается. Дегидрогеназы специфичны веществу, подвергающемуся дегидрогенированию (к донору), и к акцептору и делятся на анаэробные и аэробные.

Анаэробные дегидрогеназы (первичные) передают отнятый от окисляемого субстрата водород другим дегидрогеназам или молекулам каких-либо органических веществ, но не кислороду воздуха. Эти дегидрогеназы являются двухкомпонентными ферментами. Их простетическая активная группа легко отделяется при диализе в виде кофермента. Анаэробные дегидрогеназы имеются как у анаэробов, так и аэробов.

Аэробные (вторичные) дегидрогеназы предают активированный водород, отнятый от окисляемого вещества или от восстановленной анаэробной дегоидрогеназы, кислороду воздуха непосредственно либо через промежуточных переносчиков. Аэробные дегидрогеназы, передающие водород субстрата непосредственно кислороду, называют оксидазами. К аэробным оксидазами относят также двухкомпонентные флавиновые ферменты, коферментом которых является флавин-аденин-динуклеотид (ФАД). Один из флавиновых ферментов переносят водород непосредственно на кислород (оксидазы), другие передают кислорода от окисляющих веществ через промежуточных переносчиков.

Очень большое значение в процессах аэробного дыхания имеет цитохромная ферментная система, состоящая из цитохрома и цитохромоксидазы.

Цитохромы – это протеиды, простетической группой которых является железопорфирин, вещество сходное с гемом гемоглобина крови. Роль цитохромов в процессе дыхания – последовательный перенос электоронов от водородного атома восстановленной дегидрогеназы на цитохромоксидазу.

Цитохромоксидаза – это двухкомпонентный гемосодержащий фермент, катализирующий окислительно-восстановительные реакции между восстановленным цитохромом (последним в цепи цитохромов) и кислорода.

46

Цитохромная система содержится в клетках всех микроорганизмов, за исключением блигатно-анаэробных бактерий.

Пероксидаза – железосодержащий двухкомпонентный фермент, катализирующий окисление органических веществ с помощью перекиси водорода или каких-либо органических перекисей. Перекиси действуют как акцепторы водорода.

Каталаза – окислительно-восстановительный двухкомпонентный фермент, непосредственно не участвующий в окислительных реакциях, но тесно с ними связанной. Каталаза разлагает перекись водорода, которая образуется в процессе дыхания клетке и весьма ядовита для нее, на воду и молекулярный кислород.

Трансферазы – ферменты переноса, которые катализируют перенос атомных группировок от одного соединения к другому. Таких ферментов много, они различаются по тем группам, перенос которых ими катализируется. Наиболее важное значение для процессов обмена имеют фосфотрансферазы и аминотрансферазы.

Фосфотрансферазы (киназы) катализируют перенос остатков фосфорной кислоты с одного вещества (донор) на другое (акцептор).

Большинство реакций переноса фосфатных групп протекает с участием АТФ и АДФ. Благодаря этим реакциям осуществляется перенос энергии с одного вещества на другое. Фосфотрансферазы участвуют в процессах дыхания и брожения.

Аминотрасферазы – двухкомпонентные ферменты, осуществляющие реакции переаминирования, т.е. межмолекулярный перенос аминогруппы (− NH2 ) с аминокислот на кетокислоты, и обладающие строгой специфичностью;

в состав кофермента входит витамин В6 . В обмене веществ аминотрансферазы

участвуют при образовании новых аминокислот в клетке.

Гидролазы – большое количество ферментов, катализирующих расщепление сложных органических веществ по типу гидролитических реакций с присоединением воды. Большинство гидролаз – однокомпонентные системы, которые разделяются на группы в зависимости от веществ, на которые они действуют.

Карбогидразы – катализируют гидролиз и синтез гликозидов, ди-, три-, и полисахаридов. Карбогидразы, действующие на олигосахариды, называют олигазами (например, мальтаза, которая расщепляет дисахарид мальтозу на две молекулы глюкозы), а действующие на полисахариды – полиазами (например, сахараза, которая расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу; лактаза, расщепляющая молочный сахар на галактозу и глюкозу).

Пример полиазы: амилазы катализируют гидролиз крахмала; целлюлоза – фермент гидролизирующий целлюлозу, встречается в грибах и некоторых бактериях. Протеазы (протеолитические ферменты)катализируют гидролиз белков, пептидов, расщепляя пептидные связи. Существуют два вида протеаз:

47

протеиназы, гидролизирующие непосредственно белки, и пептидазы, расщепляющие полипептиды и дипептиды до аминокислот.

Дизаминазы и амидазы гидролизируют гидролитическое расщепление аминокислот и амидов с отщеплением азота в виде аммиака.

Эстеразы катализируют реакции расщепления и синтеза сложных эфиров (эстеров), широко распространены у микроорганизмов.

Липазы вызывают гидролиз жиров на глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты.

Фосфатазы расщепляют эфироподобные фосфорсодержащие органические соединения, освобождая фосфорную кислоту. Играют важную роль в энергетическом обмене.

Лиазы – это ферменты, которые катализируют реакции негидролитического расщепления веществ, сопровождаемые отщеплением от субстрата тех или иных групп: CO2 , H2O, NH3 .

органических кислот, в том числе аминокислот. Микроорганизмы, особенно гнилостные бактерии, богаты декарбоксилазами аминокислот.

Изомеразы – это ферменты, которые катализируют изомеризацию различных органических соединений – внутримолекулярное перемещение радикалов, атомов, атомных группировок.

Лигазы (синтетазы) катализируют реакции соединения двух молекул, которые протекают одновременно с расщеплением пирофосфатной связи в АТФ, благодаря чему высвобождается энергия, необходимая для синтеза.

Ферменты, присущие определенному микроорганизму и входящие в состав его клетки, называются конститутивными, а ферменты, которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтеза данного фермента, - индуцируемыми (адаптивными). Ферменты, действующие внутри клетки, называются эндоферментами, а действующие вне клетки (например, при подготовке пищи к ее транспорту внутрь клетки) – экзоферментами. Эндофермент, выработанный клеткой, даже после ее смерти может оставаться в течение некоторого времени весьма активными. В данном случае происходит саморастворение (самопереваривание) клетки – автолиз.

5.2. Обменные процессы в клетках микроорганизмов

Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельности выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических превращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Совокупность процессов превращения материи в живом организме,

48

сопровождающихся постоянным ее обновлением, и называется обменом веществ.

Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется

ассимиляцией – это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции, т.е. процессы разложения и окисления органических веществ, в результате которых клетка получает энергию, - это энергетический обмен. Конструктивный и энергетический обмен составляют единое целое.

Впроцессе конструктивного обмена клетка из довольно ограниченного числа низкомолекулярных соединений синтезируют биополимер своего тела. Биосинтетические реакции протекают при участии разнообразных ферментов и требуют затрат энергии.

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, являются аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Всостав молекулы АТФ входят аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты.

Синтез АТФ протекает при участии специфических ферментов и сопровождается поглощением энергии, способы получения которой у микроорганизмов весьма разнообразны, но могут быть сведены к двум типам:

1)использование энергии света; 2) использование энергии химических реакций. При этом тот и другой вид энергии трансформируется в энергию химических связей АТФ. Клетка может накапливать молекулы АТФ и расходовать их энергию для различных целей. Таким образом, АТФ выполняет в клетке роль трансформатора, аккумулятора и поставщика энергии.

Вживом организме непрерывно происходит перераспределение энергии между веществами. В итоге энергия питательных веществ превращается в энергию, потребляемую организмом в процессе развития и размножения, в энергию движения, а также частично рассеивается в виде тепла.

5.3. Типы питания микроорганизмов

Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растительных организмов. Основными органогенами являются углерод, азот, кислород и водород. Кроме них для нормального развития организмов необходим ряд элементов: P, S, K, Ca, Mg. Потребность в них невелика, но присутствие их в питательной среде обязательно. Большинство микроорганизмов получают эти элементы из

49

минеральных соединений K2HPO4 , MgSO4 , FeCl3 и т.д. Помимо того, для

нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы Zn, Co, Ni, и др. Часть из них входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.

Потребность в кислороде и водороде микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и воздуха, кроме того, эти элементы входят в состав всех органических питательных веществ. Что касается углерода и азота, то по отношению к ним требования различных микробов крайне разнообразны и специфичны.

В зависимости от используемых источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофов.

1.Автотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища) способны в качестве единственного источника углерода использовать углекислоту или карбонаты и из этих простых неорганических соединений синтезировать сложные биополимеры своего тела. Среди автотрофов большинство составляют водоросли и цианобактерии. К автотрофному образу жизни способны также некоторые виды бактерий и окрашенных жгутиковых.

2.Гетеротрофы (от греч. heteros – другой) нуждаются в органических соединениях углерода. В свою очередь гетеротрофный микроорганизмы подразделяются на сапрофитов (от греч. sapros – гнилой, phyton – растение) и

паразитов.

Сапрофиты питаются мертвой органикой. Число органических соединений, используемых ими в качестве источников, чрезвычайно велико – это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т.д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии. Некоторые сапрофиты способны усваивать разнообразные вещества, другие используют углерод только совершенно определенных 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 биохимических процессов в организме, т.е. вызывают его заболевание. Микробов, ведущих паразитический образ жизни, называют болезнетворными или патогенными. Некоторые из патогенных микроорганизмов в зависимости от условий могут существовать либо как паразиты, либо как сапрофиты. Их называют условными или факультативными паразитами. К их числу относятся возбудители многих кишечных инфекций. Другие, например вирусы, могут развиваться только в живых клетках – это строгие, или облигатные, паразиты.

Некоторые виды микроорганизмов способны переключаться с автотрофного типа питания на гетеротрофный, и наоборот. Например, эвглена зеленая питается на свету как растение, т.е. ведет автотрофный образ жизни, а в