Класифікація бактерій за типами дихання

Сьогодні, залежно від умов одержання енергії (способу дихання), прокаріоти поділяються на ряд груп.  Облігатні  аероби - мікроорганізми, для оптимальнго росту яких необхідно 21 % кисню. До них належать збудники туберкульозу, чуми, холерний вібріон. На поверхні рідких живильних середовищ вони ростуть, як правило, у вигляді плівки.

ОКИСЛЮВАЛЬНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ.  ДИХАННЯ

Окислювальне  фосфорилювання  – один із типів метаболізму, при якому бактерії одержують енер гію в результаті дихання. Дихання – це процес біо- логічного окислення поживного субстрату в реакці- ях окислення-відновлення, поєднаних з реакціями фосфорилювання, при якому донорами електронів є органічні (у хемоорганотрофів) і неорганічні (у хе- молітотрофів) сполуки, а акцептором електронів – неорганічні  сполуки  (крім фумарату).  Одержання енергії в результаті дихання відбувається як у ае- робних, так і в анаеробних мікроорганізмів. Як було описано вище, в результаті катаболізму вуглеводів утворюється  піруват,  який повністю  окислюється в циклі трикарбонових кислот (ЦТК). У ЦТК метаболізуються також продукти катаболізму амінокислот та жирних кислот через ацетил-КоА. ЦТК є постачальником сполук для біосинтетичних процесів, а також  атомів  водню,  які  у форміНАД (НАД×Н₂) переносяться у хемоорганотрофів на молекулярний кисень за участю дегідрогеназ. Для цього  у бактерій  існує мультиферментна  система

2

 транспорту водню (електронів) – дихальний ланцюг, локалізований в основному у цитоплазматич ній мембрані. Транспорт електронів відбувається у напрямку збільшення окислювально-відновлювального потенціалу за наступною схемою: органічний субстрат ЦТК → відновлений НАД×Н₂  → флавоно- протеїн → хінон → цитохром b→ цитохром с→ ци тохром а→ О₂ (кінцевий акцептор електронів).

Утворення  запасів  молекул  АТФ у дихальному ланцюгу пов’язують із хемоосмотичним процесом. Суть його в тому, що завдяки особливій орієнтації переносників  атомів  водню,  останні  передаються із внутрішньої поверхні цитоплазматичної мембра- ни на зовнішню. Таким чином, створюється граді- єнт атомів водню, енергія якого використовується для синтезу молекул АТФ за участю локалізованої у мембрані АТФ-ази.

Якщо при окисленні органічних та неорганічних речовин дегідрогеназами   кінцевим   акцептором електронів є О₂, то такий тип метаболізму назива ють  аеробним  диханням  (характерне  для облігат них аеробів). При анаеробному диханні, що харак терне для облігатних та факультативних анаеробів, кінцевими  акцепторами  електронів  є сполуки,  що містять зв’язаний кисень (неорганічні: нітрати, ніт- рити, сульфати, карбонати і органічні – фумарат), а також здатні до відновлення: елементарна сірка, тривалентне залізо. У таких випадках дихання на зивають відповідно нітратним, сульфатним, карбонатним, сірковим або залізним.

Факультативні  анаероби  при відсутності  кисню використовують  нітрати  як акцептори  електронів, відновлюючи  їх у нітрити. Цей процес  може  від- буватися в результаті амоніфікації (нітрат перетворюється  в аміак)  або денітрифікації  (відновлення нітрату до закису азоту та молекулярного азоту).

Крім вуглеводів,  бактерії  використовують  біл ки, окислюючи  їх до СО₂ та Н₂О. Екзоферменти розщеплюють   білки до пептидів,   а  останні   по- трапляють у цитоплазму і розщеплюються пептидазами  до амінокислот,  які використовуються у конструктивному метаболізмі. У амоніфікуючих бактерій амінокислоти є основним субстратом для енергетичних  процесів  при окислювальному  де- замінуванні. Внаслідок цього виділяється аміак, а амінокислота перетворюється в кетокислоту, яка включається в конструктивний метаболізм через цикл трикарбонових кислот. Процес амоніфікації, який називають гниттям, супроводжується накопи- ченням  первинних  амінів,  що мають  неприємний запах. Гнилісні бактерії мінералізують білки з утво- ренням СО₂, NH_3,  H₂S.

 

Облігатні анаероби - бактерії, які ростуть при відсутності вільного молекулярного кисню за рахунок процесів бродіння. Вони одержують кисень з органічних сполук у процесі їх метаболізму. Деякі з них не виносять навіть незначної кількості вільного кисню. Такими бактеріями є  збудники правця, ботулізму, газової анаеробної інфекції, бактероїди, фузобактерії та ін. Окремі клостридії можуть бути аеротолерантними. Для культивування їх використовують спеціальні живильні середовища й апарати (анаеростати), в яких створюються анаеробні умови за рахунок поглинання кисню або заміни його індиферентиними газами (азотом, воднем). 

 

Факультативні анаероби (факультативні аероби) пристосувались, залежно від умов середовища (наявності або відсутності кисню), переключати свої метаболічні процеси з використанням молекулярного кисню на бродіння та навпаки. Групу факультативних анаеробів формують численні представники родини  кишкових бактерій (ешеріхії, сальмонели, шигели), стафілококи та деякі інші бактерії. Мікроаерофіли - особлива група мікробів, для яких концентрація кисню при культивуванні може бути зменшена до 2 %. Вищі його концентрації здатні затримувати ріст. Ця група представлена молочнокислими, азотфіксуючими бактеріями. Капнеїчними називають такі мікроорганізми, які потребують, крім кисню, ще й до 10 % вуглекислого газу. Типовими представниками є  збудники бруцельозу бичачого типу.

В облігатних аеробів кисень використовується як кінцевий акцептор електронів у реакціях, що каталізуються цитохромоксидазами та оксигеназами. В клітинах факультативних анаеробів  також є  цитохромоксидази, проте в облігатних анаеробів ферментів, які каталізують взаємодію з молекулярним киснем, немає.

Детальне вивчення механізмів дихання у бактерій довело, що першими мікроорганізмами на земній кулі були анаероби, так як до виникнення фотосинтезуючих еукаріотів вміст кисню в атмосфері був незначним порівняно із сьогоденням. За розрахунками, щоб  відбулось переключення механізму бродіння на аеробне дихання,  достатньо було 0,2 %  кисню в атмосфері (на сьогодні його концентрація становить 21 %). У свою чергу зростання вмісту кисню призвело до зміни характеру атмосфери із відновлювальної  на окисну за рахунок відповідних реакцій. В умовах безкисневої атмосфери існував дефіцит акцепторів електронів, а з появою кисню ця проблема була розвязана.

Субстратне фосфорилювання.   Бродіння

Субстратне фосфорилювання відбувається при різних реакціях проміжного метаболізму. При окис ленні  певних  субстратів,  що пов’язано  з дегідрогенуванням,  частина  енергії  зберігається  у формі високоенергетичного  фосфату. Далі, в результаті реакцій фосфорилювання, фосфатна група пере носиться  на АДФ  з утворенням  АТФ.  Такий  процес називається  субстратним фосфорилюванням (фосфорилювання на рівні субстрату).

Бродіння  – це такий  процес  одержання  енергії, при якому  продукти  розщеплення  органічного субстрату є одночасно і донорами, і акцепторами електронів (атомів водню). Термін “бродіння”, тобо життя  без кисню,  був запропонований  у 1857 році Л. Пастером, який уперше встановив можли вість  життя  без кисню.  Бродіння  характерне  для облігатних   і  факультативних  анаеробів.   Кисень у процесах бродіння не приймає участі, він пригнічує бродіння, і у факультативних анаеробів воно за- мінюється диханням. Під час бродіння відбувається анаеробне розщеплення вуглеводів в результаті субстратного фосфорилювання  до піровиноградної кислоти.  Процес  утворення  піровиноградної кислоти спільний як при бродінні, так і при аероб- ному диханні (гліколіз, ПФ-шлях, КДФГ-шлях). При бродінні на окремих етапах окислення субстрату в результаті дегідрогенування водень переноситься на НАД  (нікотинамідаденіндинуклеотид),  а акцепорами водню у складі НАДН⁺   є проміжні продукти розщеплення субстрату. За утворенням запасів енергії бродіння значно поступається дихальному метаболізму. Так, при ферментації 1 моль глюкози утворюється від 1 до 4 моль АТФ, тоді як при ди ханні – 38 моль АТФ.

 Крім  вуглеводів,  у процесі  бродіння  ферментуються амінокислоти  (за винятком  ароматичних), багатоатомні спирти, пурини, піримідини. Не фер- ментуються ароматичні вуглеводи, жирні кислоти, каротиноїди, стероїди. Відповідно до кінцевих продуктів, які утворюються та виділяються мікроорга- нізмами назовні, розрізняють кілька типів бродіння.

Спиртове бродіння

2

. При  спиртовому   бродінні кінцевими   продукта ми ферментації  пірувату  є  етанол  і  СО₂.  Упро довж багатьох  століть  для цього  використовува ли здатність  дріжджів  (особливо  Saccharomyces cerevisiae)  ферментувати вуглеводи.  Утворювати етанол можуть також сарцини (Sarcina ventriculi). Використовується спиртове бродіння у харчовій промисловості  (виготовлення  алкогольних  напоїв, у тому числі вина, пива, випічка хліба).

Молочнокисле бродіння

2

. При гомоферментативному молочнокислому бродінні утворюється молочна кислота. Такий тип бро діння  характерний  для лактобацил  (L. bulgaricus, L. lactis),  а також  для стрептококів  (S. pyogenes, S. salivarius),  ентерококів (E. faecalis).  При гетероферментативному     молочнокислому     бродінні, що характерне для лактобацил та біфідобактерій, утворюються  молочна  та оцтова  кислоти,  а  та кож етанол,  СО₂.  Бактерії  родів Lactobacillus  та Bifidobacterium відноналежать  до облігатної  мікро флори людини, а їх продукти молочнокислого бродіння відіграють важливу роль у формуванні коло- нізуючої резистентності кишечнику. Молочнокислі бактерії використовуються для одержання молочих продуктів харчування та створення пробіотиків.

Мурашинокисле бродіння. Такий тип бродіння характерний для представників родин Enterobacteriacеae та Vibrionaceae. При цьому піруват розщеплюється до мурашиної кислоти, янтарної та молочної кислот, етанолу. Кишкова па^{личка розщеплює мурашину} кисло ту до СО₂ і Н₂ О.

При мурашинокислому бродінні основними продуктами, які утворюються із пірувату, можуть бути ацетоїн  та 2,3-бутандіол. Вони при взаємодії  в лужному середовищі з α-нафтолом викликають появу  бурого  кольору,  що також  використо вується  для ідентифікації  бактерій  (реакція  Фогеса – Проскауера).

Маслянокисле та ацетонобутилове бродіння Основними  продуктами  є масляна  кислота  (бути рат)  або  ацетон,  бутанол  та різні органічні кисло ти (оцтова, капронова, пальмітинова, валер’янова) і  спирти. Вони утворюються клостридіями в ана еробних умовах.  Виявлення  цих продуктів за мето дом газорідинної хроматографії використовується для ідентифікації облігатних анаеробів. Клостридії (С. histolyticum  і C. septicum)  при розмноженні  в рані  утворюють  продукти  бродіння  з неприємним запахом. При маслянокислому бродінні клостридії можуть утворювати також каприлову і капронову кислоти.

Капронове бродіння. Clostridium kluyveri в процесі бродіння утворює капронову кислоту як основний кінцевий продукт.

Пропіоновокисле бродіння. Пропіоновокислі бактерії утворюють із пірувату пропіонову кислоту, оцтову кислоту та СО₂. Із цим типом бродіння пов’язане дозрівання сирів, фор мування в них пустот і смакових якостей.

Ферментація    білків відбувається    у   бактерій з бродильним  метаболізмом  в умовах,  коли  джерелом енергії є не вуглеводи, а білки. Такі бактерії називають пептолітичними. До них належать деякі _{види клостридій (C. histolyticum, C. botulinum), які}гідролізують білки. У результаті бродіння аміно- кислоти  дезамінуються  у кетокислоти,  котрі  після окислювального декарбоксилювання перетворю- ються в жирні кислоти.

Бродильними   процесами   є  також анаеробне розкладання   клітковини   та пектинових   речовин.

Так,  у рубці  жуйних  тварин  міститься  до 10 млрд на 1 мл рубцевої рідини целюлозоруйнуючих бак терій. Вони ферментують полімерні вуглеводи рос- лин до ацетату, пропіонату, бутирату, молекуляр ного водню та метану (всіх газів до 700 л за добу).

Ріст і  розмноження бактерій. Будь-яка жива істота здатна до росту та розмноження. Під ростом розуміють координоване відтворення бактеріальних структур і відповідно збільшення маси мікробної клітини. Розмноження - це здатність мікробів до самовідтворення, при цьому збільшується кількість особин у популяції на одиницю обєму середовища

Розмноження бактерій - складний процес, повязаний із синхронною взаємодією багатьох їх структур. Починається воно з відтворення генетичного матеріалу - ДНК, яка локалізована в нуклеоїді. Спочатку відбувається реплікація (подвоєння) генетичного матеріалу напівконсервативним шляхом. Розпочинається вона з реплікативної точки на ДНК, розташованої  в місці зєднання мезосоми з цитоплазматичною мембраною. Нуклеїнова кислота деспіралізується, й нитки ДНК розходяться. Кожна з них є матрицею, на якій  за принципом комплементарності  синтезуються їх копії,  які згодом обєднуються у двониткову ДНК. Синтез дочірніх ниток ДНК відбувається ступенево, невеликими фрагментами по 1-2 тис. нуклеотидів, які пізніше зшиваються ферментом лігазою. Залежно від умов, реплікація може тривати 20-40 хвилин.

Паралельно з реплікацією починається утворення поперечної перегородки за рахунок цитоплазматичної мембрани. Потім вона оточується пептидогліканом. Під час реплікації та утворення перегородки клітина росте, синтезуються біополімери, з яких складатимуться цитоплазматична мембрана, рибосоми, цитоплазма.

Клітини відділяються одна від іншої, а в грамнегативних  мікробів  синтезується додатково зовнішня мембрана. Якщо клітини зберігають звязки, утворюються ланцюги з кокоподібних чи паличкоподібних форм.

Поділ клітин може відбуватись за трьома типами. Випереджаючий - такий тип, при якому утворюються багатоклітинні палички і коки. При синхронному реплікація нуклеоїду супроводжується поділом клітини, й утворюються одноклітинні організми. Третій тип - із випереджаючим поділом нуклеоїду, при якому  утворюються багатонуклеоїдні форми бактерій.

Як правило, бактерії розмножуються простим поділом, що відбувається в різних площинах. Це спричиняє, наприклад, утворення   різних морфологічних типів кокоподібних мікроорганізмів - диплококів,  стафілококів, тетеракоків, сарцин. Актиноміцети можуть розмножуватись шляхом фрагментації ниткоподібних клітин, брунькуванням. Можливо утворення клітин, подібних до спор, конідій.

Облігатні внутрішньоклітинні паразити - хламідії - розмножуються, проходячи ряд стадій: елементарні тільця, ініціальні тільця, проміжні тільця. Саме останні є тим джерелом, з якого формується  нове покоління  елементарних тілець. Тривалість циклу складає 40-48 годин.

Мікоплазми також можуть утворювати особливі елементарні тіла, що здатні до розмноження фрагментацією або брунькуванням. Однак вони можуть розмножуватись  і простим бінарним поділом.

Швидкість розмноження бактерій залежить від багатьох факторів: віку культури, складу живильного середовища, його рН, окисно-відновного потенціалу, температури, аерації тощо.

Бактерії розмножуються у геометричній прогресії. Якщо вважати, що за оптимальних умов бактерія подвоюється кожні 30 хвилин, то за годину їх буде 4, через дві години - 16, через 4 - 256, через 15 - мільйони. Через 35 год їх обєм становитиме  до 1000 м³, а маса - понад 400 т.

При внесенні у живильне середовище бактерії розмножуються за певними закономірностями. Вони ростуть і розмножуються, досягаючи певного максимуму до того часу, поки не будуть вичерпані запаси живильних речовин. Якщо не видаляти кінцеві продукти обміну і не додавати необхідні речовини, то можна одержати періодичну культуру (популяція в обмеженому просторі). Мікроорганізми в такій культурі ведуть себе як багатоклітинні системи з генетично обмеженим ростом.

Крива, яка описує залежність логарифму числа живих клітин від  часу культивування, називається кривою росту.

Розрізняють чотири основні фази росту періодичної культури: початкову (або лаг-) фазу, експоненціальну (абологарифмічну) фазу, стаціонарну та фазу відмирання ((рис. 19).

Початкова або лаг-фаза охоплює проміжок між інокуляцією бактерій і досягненням найвищої швидкості їх поділу. В цей період відбувається адаптація бактерій до умов існування. В клітині у 8-12 разів зростає кількість РНК, збільшується концентрація ферментів. Тривалість фази 1-2 год.

Експоненціальна (логарифмічна)  фаза характеризується постійною максимальною швидкістю поділу клітин і зростанням їх кількості у геометричній прогресії.  Вона залежить від віку мікробів і складу середовища. Так, ентеробактерії діляться кожні 15-30 хв, стрептококи - 30 хв, а грунтові нітробактерії й збудники туберкульозу - 5-18 год. Час,  протягом якого відбувається поділ мікроба, називається часом генерації. Тривалість фази - 5-8 год.

Стаціонарна фаза наступає тоді, коли число клітин перестає збільшуватись. Настає рівновага між кількістю живих мікробів і тих, що відмирають. Цьому сприяє висока щільність популяції, дефіцит живильних речовин у середовищі, низький парціальний тиск кисню, накопичення токсичних продуктів обміну. Однак кількість біомаси в цей період  сягає найвищого рівня, тому концентрацію клітин позначають як максимальну (М-) концентрацію, а величину біомаси - терміном вихід або урожай. Ця ознака є  специфічною й характерною  для кожного  виду бактерій. Триває фаза 6-7 год.

Фаза відмирання (до 10 год) супроводжується різким зменшенням  числа живих клітин. Цьому сприяють значний дефіцит поживних речовин у середовищі, нагромадження кислот, автоліз під впливом  власних ферментів.

Отже, у періодичній культурі умови культивування весь час змінюються: густина мікробів  зростає, а запаси живильних речовин зменшуються. Однак у багатьох випадках необхідно підтримувати клітини у фазі експоненціальнго росту та М-концентрації, тому що саме в цей період вони найбільш фізіологічно і функціонально активні: синтезують багато білка, продукують велику кількість різноманітних ферментів, токсинів, антибіотиків, інших біологічно активних речовин. Це досягається постійним видаленням популяцій бактерій, що ростуть, оновленням  живильного середовища, додатковою аерацією (для аеробних бактерій). Саме за такими принципами працюють хемостати і турбідостати - прилади, які дозволяють проводити безперервне культивування у промислових і лабораторних умовах.

 Ріст мікробів на твердих живильних середовищах відбувається за аналогічними закономірностями, однак щільність клітин значно вища.

якої залежить від пігменту, що виробляється мікроорганізмами.