Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология роста микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 050102 – «Биология» высших учебных заведений
.pdf
21
нескольких неорганических соединений или элементов. К этому типу
относятся некоторые серобактерии, использующие для синтеза
энергию, освобождающуюся при окислении элементарной или
связанной серы. Например, Thiobacillusthiooxidans окисляют серу до
серной кислоты и удовлетворяет все потребности в энергии,
необходимой для его развития, за счёт окисления ограниченной
группы соединений. Подобным образом Nitrosomonas используют
энергию окисления аммиака до нитритов, а Nitrobacter – окисление
нитритов до нитратов.
Гетеротрофные бактерии получают энергию от окисления
органических соединений. Тип и разновидность используемых
органических соединений зависят от особенностей каждого
микроорганизма. Например, Clostridiumkluyverii развивается за счёт
окисления этилового спирта, Clostridiumlactoacetophitum растёт
только в присутствии молочной кислоты.
3.3. Различные источники усвояемого углерода
Во всех микробиологических средах должен присутствовать
доступный для усвоения углерод, который используется для синтеза
различных компонентов клетки.
Автотрофные бактерии используют углекислоту в качестве
единственного источника углерода при синтезе всех органических
веществ клетки. Гетеротрофные бактерии нуждаются для роста в
восстановленных соединениях углерода. Эти бактерии
удовлетворяют свои потребности в углеродном питании за счет
небольших количеств тех соединений, которые служат для них
источником энергии. Полный перечень отдельных соединений
углерода, усваиваемых теми или другими микроорганизмами, состоял
бы из представителей почти всех классов органических веществ.
Важную роль играют те соединения углерода, которые организм
встречает в естественном окружении, в том числе углеводы,
кетокислоты, аминокислоты, оксикислоты, жирные кислоты и другие
вещества, образующиеся при разложении тканей.
3.4. Различные источники усвояемого азота
Связанный азот требуется для образования аминокислот,
пуриновых и пиримидиновых оснований, а также многих других
22
соединений, необходимых для построения и жизнедеятельности
живой протоплазмы.
Некоторые микроорганизмы при соответствующих условиях
культивирования пополняют запасы связанного азота путем
фиксации элементарного азота. К таким микроорганизмам относятся
представители родов Rhizobium, Azotobacter, Clostridium,
Rhodospirillium. Большая часть микроорганизмов усваивает только
связанные формы азота. Нитраты и аммиак служат наиболее широко
используемыми источниками азота. Ряд микроорганизмов отщепляет
аммиак при разложении различных азотсодержащих соединений,
таких, как аминокислоты.
3.5. Потребности бактерий в витаминах
Витаминами называются органические соединения, играющие в
клетке роль катализаторов, которые не могут быть синтезированы
клеткой и должны поэтому поступать в неё из питательной среды.
Витамины служат структурными единицами при образовании
некоторых ферментов внутри клетки и обычно участвует в
специфических химических изменениях, катализируемых ферментом,
частью которого они являются. Так как витамины в обмене веществ
играют роль катализаторов, они потребляются в значительно
меньших количествах, чем аминокислоты, жирные кислоты и другие
вещества, служащие главным образом структурными единицами при
образовании важных составных частей протоплазмы, как белок и
жир.
Большинство бактерий нуждается в различных витаминах.
Различным видам бактерий необходимы разные количества и
типы витаминов. Например, Clostridiumbutylicum при
культивировании на среде, содержащей глюкозу, аммонийные соли и
соответствующие неорганические ионы, нуждаются только в
биотине, Clostridiumperfringens – нуждается в биотине, пантотеновой
кислоте, витамине В6 и 14 различных аминокислотах. Аналогичные
явления наблюдаются у разных видов молочнокислых бактерий.
Многие штаммы Streptococcuslactis нуждаются в биотине,
никотиновой и пантотеновой кислотах, некоторые из них нуждаются
в тиамине, рибофлавине.
23
4. Метаболизм бактериальной клетки
4.1. Ферменты бактерий
В живых клетках происходит ряд химических реакций, без
которых не мыслима жизнь, ни размножение. Для того, чтобы эти
реакции были возможны, в каждой клетке имеются биологические
катализаторы – ферменты. Ферменты – органические катализаторы
высокомолекулярной структуры, вырабатываемые живой клеткой.
Они имеют белковую природу, строго специфичны и играют важную
роль в обмене веществ.
Ферменты характеризуются следующими особенностями:
1.Все ферменты синтезируются живыми клетками.
2.Основной составной частью ферментов в количественном и
качественном отношении является белок.
3.Наименьший их молекулярный вес – 10 000
Ферменты микробного происхождения обладают разнообразным
действием и высокой активностью. Эти ферменты широко
применяются в промышленности. С помощью амилазы,
продуцируемой плесневыми грибами, происходит осахаривание
крахмала. Протеиназы, вырабатываемые микробами, употребляются
для удаления волосяных покровов со шкур, мягчения кожи,
химчистки одежды; фибринолизин, образуемый стрептококками,
растворяет тромбы в кровеносных сосудах человека. Бактерии играют
большую роль при обработке каучука, хлопка, шелка, кофе, какао,
табака. Ферменты позволяют усваивать микробам некоторые
вещества. Одни ферменты выделяются клеткой во внешнюю среду –
экзоферменты, другие заключены внутри клетки – эндоферменты.
Известно около 800 ферментов, по характеру катализа они
подразделяются на 6 классов: оксиредуктазы, трансферазы,
гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.
По химическим свойствам все ферменты делятся на три группы:
1.Ферменты, состоящие только из белка.
2.Ферменты, включающие кроме белка, ионы металла.
3.Ферменты, содержащие обособленные органические
молекулы, необходимые для их действия – коферменты.
Бактериальных ферментовнасчитываетсяболее 400, их
подразделяют на 4 группы:
24
1.Гидролазы, которые катализируют расщепление связей между
атомами углерода и атомами азота, кислорода и серы, присоединяя
одну молекулу воды.
2.Трансферазы, осуществляющие катализ путем переноса
определенных радикалов от одной молекулы на другую.
3.Окислительные ферменты, катализирующие процессы
окисления – восстановления.
4.2. Специальные методы выделения и изучения
бактериальных ферментов.
В большинстве случаев бактериальные ферменты изучают при
помощи методов, обычно применяемых в энзимологии. Необходимо
различать внеклеточные и внутриклеточные ферменты. Для изучения
последних применяют два основных приема: исследование целых
клеток или свободных от клеток препаратов фермента.
4.3. Особенности метаболизма у бактерий
К особенностям метаболизма бактериальной клетки относятся
1) многообразие используемых субстратов;
2) интенсивность процессов метаболизма;
3) направленность всех процессов метаболизма на обеспечение
процессов размножения;
4) преобладание процессов распада над процессами синтеза;
5) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.
В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:
1) пластический (конструктивный):
а) анаболизм (с затратами энергии);
б) катаболизм (с выделением энергии);
2) энергетический обмен (протекает в дыхательных мезосомах):
а) дыхание;
б) брожение.
В зависимости от акцептора протонов и электронов среди
бактерий различают аэробы, факультативные анаэробы и облигатные
анаэробы. Для аэробов акцептором является кислород.
Факультативные анаэробы в кислородных условиях используют
процесс дыхания, в бескислородных – брожение. Для облигатных
анаэробов характерно только брожение, в кислородных условиях
25
наступает гибель микроорганизма из-за образования перекисей, идет
отравление клетки.
В микробной клетке ферменты являются биологическими
катализаторами. По строению выделяют:
1) простые ферменты (белки);
2) сложные; состоят из белковой (активного центра) и
небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.
Различают также:
1) конститутивные ферменты (синтезируются постоянно
независимо от наличия субстрата);
2) индуцибельные ферменты (синтезируются только в
присутствии субстрата).
Набор ферментов в клетке строго индивидуален для вида.
Способность микроорганизма утилизировать субстраты за счет
своего набора ферментов определяет его биохимические свойства.
По месту действия выделяют:
1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в
процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть
внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных
бактерий);
2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают
синтез и распад различных веществ).
В зависимости от катализируемых химических реакций все
ферменты делят на шесть классов:
1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-
восстановительные реакции между двумя субстратами);
2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос
химических групп);
3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление
внутримолекулярных связей);
4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а
также осуществляют обратные реакции);
5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации,
обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных
изомеров);
6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие
чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле
АТФ).
26
4.4. Виды пластического обмена
Основными видами пластического обмена являются:
1)белковый;
2)углеводный;
3)липидный;
4)нуклеиновый.
Белковый обмен характеризуется катаболизмом и анаболизмом.
В процессе катаболизма бактерии разлагают белки под действием
протеаз с образованием пептидов. Под действием пептидаз из
пептидов образуются аминокислоты.
Распад белков в аэробных условиях называется тлением, в
анаэробных – гниением.
В результате распада аминокислот клетка получает ионы
аммония, необходимые для формирования собственных аминокислот.
Бактериальные клетки способны синтезировать все 20 аминокислот.
Ведущими из них являются аланин, глутамин, аспарагин. Они
включаются в процессы переаминирования и трансаминирования. В
белковом обмене процессы синтеза преобладают над распадом, при
этом происходит потребление энергии.
В углеводном обмене у бактерий катаболизм преобладает над
анаболизмом. Сложные углеводы внешней среды могут расщеплять
только те бактерии, которые выделяют ферменты – полисахаридазы.
Полисахариды расщепляются до дисахаров, которые под действием
олигосахаридаз распадаются до моносахаров, причем внутрь клетки
может поступать только глюкоза. Часть ее идет на синтез
собственных полисахаридов в клетке, другая часть подвергается
дальнейшему расщеплению, который может идти по двум путям: по
пути анаэробного распада углеводов – брожению (гликолизу) и в
аэробных условиях – по пути горения.
В зависимости от конечных продуктов выделяют следующие
виды брожения:
1) спиртовое (характерно для грибов);
2) пропионово-кислое (характерно для клостридий, пропиони-
бактерий);
3) молочнокислое (характерно для стрептококков);
4) маслянокислое (характерно для сарцин);
5) бутилденгликолевое (характерно для бацилл).
27
Наряду с основным анаэробным распадом (гликолизом) могут
быть вспомогательные пути расщепления углеводов
(пентозофосфатный, кетодезоксифосфоглюконатный и др.). Они
отличаются ключевыми продуктами и реакциями. Липидный обмен
осуществляется с помощью ферментов – липопротеиназ, летициназ,
фосфолипаз.
Липазы катализируют распад нейтральных жирных кислот, т. е.
ответственны за отщепление этих кислот от глицерина. При распаде
жирных кислот клетка запасает энергию. Конечным продуктом
распада является ацетил-КоА.
Биосинтез липидов осуществляется за счет ацетилпереносящих
белков. При этом ацетильный остаток переходит на глицерофосфат с
образованием фосфатидных кислот, а они уже вступают в
химические реакции с образованием сложных эфиров со спиртами.
Эти превращения лежат в основе синтеза фосфолипидов.
Бактерии способны синтезировать как насыщенные, так и
ненасыщенные жирные кислоты, но синтез последних более
характерен для аэробов, так как требует кислорода.
Нуклеиновый обмен бактерий связан с генетическим обменом.
Синтез нуклеиновых кислот имеет значение для процесса деления
клетки. Синтез осуществляется с помощью ферментов: рестриктазы,
ДНК-полимеразы, лигазы, ДНК-зависимой-РНК-полимеразы.
Рестриктазы вырезают участки ДНК, убирая нежелательные
вставки, а лигазы обеспечивают сшивку фрагментов нуклеиновой
кислоты. ДНК-полимеразы ответственны за репликацию дочерней
ДНК по материнской. ДНК-зависимые РНК-полимеразы отвечают за
транскрипцию, осуществляют построение РНК на матрице ДНК.
Биологическое окисление углеводов бактериями представляют
собой ряд ферментативных реакций, включающих:1) присоединение
неорганического фосфата при помощи фосфорилаз или фосфокиназ;
2) перенос фосфатных остатков от одной молекулы к другой при
помощи фосфофераз; 3) изомеризацию фосфолированных углеводов
изомеразами; 4) высвобождение фосфатного остатка фосфотазами.
Начальное присоединение неорганического фосфата при
гликолизе заключается в замещении (1,4) глюкозидной связи С-О-С в
цепи гликогена или крахмала эфирной связью С-О-Р. Реакция эта
является обратимой и связана с небольшим изменением энергии. Обе
связи бедны энергией, но могут замещать одна другую. Гидролиз
28
крахмала представляет собой трудно обратимую реакцию, поскольку
энергия не сохраняется в фосфатной связи, а выделяется и
рассеивается в виде тепла.
Другие случаи присоединения неорганического фосфата
связаны с биологическим окислением, например, с окислением 3фосфоглицеринового альдегида до 1,3-дифосфоглицериновой
кислоты.
Свободная энергия эфирной и гликозидной связи равна
примерно 3000 ккал. Богатые энергией связи, обуславливающие
перенос фосфатных остатков с выделением энергии, по химической
номенклатуре причисляют к неустойчивым. Групповой потенциал
или тенденция к отщеплению фосфатного остатка определяется
количеством энергии, становящейся доступной для биологических
реакций. К группе богатых энергией фосфатных соединений,
представляющих биологический интерес, относятся ангидриды,
имеющие следующие связи: С-О-Р, Р-О-Р и N-Р.
Сбраживание глюкозы до молочной кислоты приводит к
образованию двух богатых энергией связей, каждая из которых
содержит около 10 000 ккал доступной энергии на 1 моль. Таким
образом, 20 000 ккал передаются для образования богатых энергией
связей аденозинтрифосфата, который является единственным
известным непосредственным источником энергии, используемой
живой клеткой. При замене глюкозы крахмалом на каждый
глюкозный остаток образуется три богатые энергией связи АТФ, т.е.
на одну связь больше, чем при сбраживании глюкозы, поскольку
глюкозидная связь, уже имеющая в крахмале, замещается эфирной
связью, для чего не требуется богатой энергией связи АТФ.
Фосферазы. Фосферазы осуществляют перенос фосфатных
остатков непосредственно от одной молекулы к другой. Видимо,
здесь участвуют только фосфатные связи, бедные энергией. К числу
фосфофераз принадлежат: фосфоглюкофераза и фосфоглицофераза.
Фосфорилазы. Функцияфосфорилаз заключается в передаче
органической молекулы от фосфорилированного органического
соединения к другой органической молекуле. Из всех фосфорилаз
хорошо изучена только одна фосфорилаза, а именно, та, которая
участвует в синтезе крахмала или гликогена. Этот фермент
называется фосфорилазой. Он неспособен вызвать начало синтеза
крахмала, но если ввести «затравку» в виде готовой полисахаридной
29
цепи, то под действием фермента начнется присоединение к этой
цепи глюкозных остатков. Таким способом под действием чистого
фермента происходит образование неразветвленной цепи
полисахарида.
Фосфатазы. Представляют собой гидролазы, отщепляющие
неорганический фосфат; в синтетических процессах обмена они не
принимают участия.
Фосфатазы осуществляют реакции нескольких типов: 1)
расщепление соединений пирофосфорной кислоты (АТФ); 2)
расщепление моноэфиров фосфорной кислоты; 3) расщепление
диэфиров; 4) расщепление амидов фосфорной кислоты; 5)
расщепление фосфоацилаз. Роль фосфотаз в природе выражается в
регулировании концентрации органических фосфатов и в
превращении энергии фосфатных связей в энергию, доступную для
использования клеткой. Процессы синтеза в клетке связаны не с
обратным действием фосфотаз, а с функцией фосфорилаз.
5.Дыхание микроорганизмов
Лавуазье, открывший в 1775 году процесс дыхания, определил
его как поглощение кислорода, сопровождающееся образованием
углекислоты.
В бактериальной клетке можно наблюдать почти бесконечное
разнообразие процессов окисления, в большинстве случаев
ферментные системы, требующиеся для окисления определенного
субстрата, у бактерий примерно те же самые, что и в животных
тканях. Сходны также и цитрохромные системы бактерий и
животных тканей. Дыхание у бактерий происходит, также, как и в
тканях животных, путем ступенчатого переноса электронов от
системы с наиболее отрицательным потенциалом к системе с
наиболее положительным потенциалом.
Все аэробные бактерии дышат. Некоторые из них содержат
цитохром. Те бактерии, которые используют флавопротеин в качестве
конечного переносчика электронов к молекулярному кислороду,
цитохромов не имеют.
У этих бактерий происходит накопление Н2О2, образующейся в
результате окисления флавопротеина кислородом. Такое накопление
является вредным.
30
Окислительно-восстановительные процессы представляют
собой процессы переноса электронов с участием или без участия
кислорода, в отсутствие кислорода живые клетки могут
удовлетворять свои потребности в энергии за счет окислительновосстановительных реакций. В 1861 году Пастер открыл
существование микроорганизмов, неспособных развиваться в
присутствии кислорода (Clostridiumbutylicum). Эта группа бактерий,
представляющих собой спорообразующие бациллы, включает также и
группу маслянокислых бактерий
Дыхание – сложный процесс, который сопровождается
выделением энергии. Все микробы по типу дыхания подразделяются
на аэробные и анаэробные. Аэробные микроорганизмы – те, для
которых необходим кислород. Анаэробные – те, на которых кислород
действует губительно, а необходим им углекислый газ. Между
аэробами и анаэробами имеются промежуточные формы: облигатные
аэробы, которые хорошо развиваются при наличии 21%.
Факультативные аэробы, которые могут размножаться и при
отсутствии кислорода. Облигатные анаэробы – это те микробы, для
которых наличие кислорода является вредным фактором,
задерживающим рост. Аэробные бактерии в процессе дыхания
окисляют различные органические вещества. При полном окислении
глюкозы освобождается 688,5 ккал тепла. Факультативные аэробы
могут жить в среде с кислородом, так же и без него. Механизм
анаэробного дыхания заключается в следующем: глюкоза
подвергается расщеплению, т.е. фосфолирированию при участии
АТФ и АДФ при этом образуется гексозодифосфат, который под
действием альдолазы расщепляется на две части:
фосфоглицериновый альдегид и превращается в пировиноградную
кислоту, на этой стадии заканчивается анаэробная фаза превращения
углерода. К анаэробным процессам относят спиртовое брожение
(дрожжи), молочнокислое брожение (лактобактерии), маслянокислое
брожение (маслянокислыеклостридии).
6.Образование микробами пигментов
Некоторые бактерии обладают способностью вырабатывать
пигменты: красный (чудесная палочка), розовый (розовый
микрококк), золотистый (стафилококк), белый (стафилококк), синий
(синегнойная палочка), фиолетовый (хромобактер). Образование
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]