2.3. Обмін речовин у мікробів

Обмін речовин – загальна властивість живого організму. Він включає до себе два процеси:

1. потрапляння з навколишнього середовища поживних речовин, необхідних для синтезу складових частин мікробної клітини;

2. виділення в навколишнє середовище продуктів життєдіяльності.

Обмін речовин (метаболізм) розділяють на два процеси: анаболізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція), розділення це вельми умовно, так як в живій клітині вони взаємозв’язані.

Потребу в поживних речовинах мікроби можуть задовольнити безпосередньо засвоюючи їх, або попередньо змінюючи таким чином, щоб вони (поживні речовини) ставали придатними до вживання.

Мікроорганізми можуть засвоювати вуглець з неорганічних та органічних вміщуючи сполук, в зв’язку з чим їх поділяють на дві великі групи: автотрофи і гетеротрофи.

• 

Рис. 1. Метаболізм у мікроорганізмів

Автотрофи (хемолітотрофи, фотолітотрофи) засвоюють вуглець з диоксиду вуглецю (СО₂) повітря та утворюють органічну речовину за допомогою енергії якої, що звільнилася в процесі окислення деяких мінеральних сполук (хемосинтез), або енергії Сонця (фотосинтез). Явища хемосинтезу у хемолітотрофів вперше (1887 р.) встановлено російським мікробіологом С.Н.Виноградським при вивчені безфарбних серобактерій, нітрифікуючи та інших мікроорганізмів. Енергія, що утворюється в процесі окислювальних реакцій, може бути використана бактеріями для засвоєння вуглеця та утворення органічних речовин.

Гетеротрофи (хемоорганотрофи) – мікроорганізми, які для засвоєння використовують вуглець з готових органічних сполук. Ця група найбільш поширена по своєму складу. Вона включає до себе як сапрофіти, так і паразити. Сапрофіти, або метатрофи споживають мертву тканину тварин і рослин. Паразити або паратрофи, використовують для харчування органічні речовини живих організмів та ведуть паразитичний образ життя. Це збудники інфекційних хвороб.

Споживні речовини проникають в середину клітини через всю її поверхню. Мікробна клітина потребує їх за добу у 20-30 разів більше своєї маси. Проникнення споживних речовин – це непростий механічний рух, а складний фізико-хімічний процес, в якому велику роль відіграють їх консистенція, склад, розчинність, розміри молекул, проникливість цитоплазматичної мембрани, ферменти, рН середовища, ізоелектрична точка речовини цитоплазми та інше.

Анаболізм (конструктивний обмін) і катаболізм (енергетичний обмін) звичайно проходять одноразово. Вони взаємозв’язані і являються складовими єдиного процесу метаболізму.

Споживні речовини поступають в мікробну клітину різними засобами. Найбільш простий з них – пасивна дифузія, за допомогою якої переміщення речовин відбувається завдяки різниці їх концентрацій по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Завдяки пасивній дифузії через цитоплазматичну мембрану проходить вода і деякі речовини. Інтенсивність такої дифузії невелика. Вона здійснюється без втрати енергії.

2.4. Засоби біологічного окислення, що використовують мікроорганізми

Мікроорганізми по різному реагують на наявність кисню. Одні з них можуть існувати тільки при обов’язковій його наявності, тоді як для інших – кисень шкідливий. Деякі групи мікроорганізмів можуть змінювати свій тип дихання залежно від умов зовнішнього середовища.

Дихання мікроорганізмів уявляє собою біологічне окислення різних органічних сполук та деяких мінеральних речовин. Сьогодні окислення визначають як процес відокремлення водню (дегідрування), а востановлення – його приєднування (реакції, пов’язані з переносом протонів і електронів або тільки електронів).

Таким чином, біологічні перетворення в цитоплазмі мікробної клітини, що пов’язані з рухом протонів та електронів уявляють собою складний біохімічний процес за допомогою ферментів.

По типу дихання мікробів поділяють на аероби, анаероби та факультативні анаероби.

Аеробне дихання мікроорганізмів – це процес, при якому останнім акцептором водню (протонів та електронів) є молекулярний кисень. В результаті окислення головним чином складних органічних сполук з’являється енергія, яка виділяється в навколишнє середовище або накопичується в макроенергетичних фосфатних зв’язках АТФ. Розподіляють повне та неповне окислення.

Повне окислення. Загальним джерелом у мікроорганізмів є вуглеводи. При їх розщепленні, що проходять різними шляхами, з’являється важливий проміжний продукт – піровиноградна кислота (піруват). Повне окислення піровиноградної кислоти викликає в циклі три карбонових кислот (цикл Кребса) (мал.. 3).

В результаті розщеплення в аеробних умовах процес окислення іде до кінця – одержання диоксиду вуглецю і води з виділенням більшої кількості свобідної енергії.

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О (1)

∆G^* = - 2872 кДж/маси;

∆G – свобідна енергія.

Неповне окислення. Не всі аероби доводять реакції окислення до кінця. При надлишку вуглеводів в середовищі з’являються продукти неповного окислення, в котрих заключна енергія. Кінцевими продуктами неповного аеробного окислення глюкози можуть бути органічні кислоти: лимонна, яблучна, янтарна та інші.

Які утворюються пліснявими грибами. Наприклад: аеробне дихання (окислення етилового спирту):

1) СН₃СН₂ОН + О₂→ СН₃СООН + Н₂О (2)

∆ G = - 494 кДж∕моль

2) СН₃СН₂ОН + 3О₂→ 2СО₂ + 3Н₂О (3)

∆ G = -1366 кДж∕моль

У деяких бактерій в процесі дихання проходить окислення неорганічних речовин. Прикладом окислення неорганічних сполук служать процеси нитрифікації, що супроводжуюються окисленням аміаку до азотістої, а потім до азотної кислоти. В кожному випадку виділяється енергія: в першій фазі 662 кДж/моль, в другій 202 кДж/моль.

Анаеробне дихання здійснюється без участі молекулярного кисню. Розділяють анаеробне дихання як нітратне та сульфатне бродіння. В процесі анаеробного дихання акцептором водню являється окислення неорганічних речовин, які легко віддають кисень та перетворюються у відновні форми. Так проходять денітрифікація і десульфуфікація(сульфатредукція).

Нитратне дихання – встановлення нітратів до молекулярного –проходить за схемою:

5С₆Н₁₂О₆ +24КNO₃→ 24КНСО₃ + 18Н₂О + 12N₂ + 6СО₂ (4)

∆ G= -1760кДж/моль

Сульфатне дихання – встановлення сульфатів до сірководню, яке супроводжується виділенням такої ж кількості енергії:

С₆Н₁₂О₆ + 3К₂SО₄→ 3К₂СО₃ + 3СО₂ + 3Н₂О + 3Н₂S ^{↑ (5)}

^{∆ G= -1760кДж/моль}

Процес встановлення нітратів до молекулярного азоту індуцирується молібденвміщующим ферментом-нітроредуктазою. Якщо в середовищі з’являється кисень, функція редуктази подавляється. Тому встановлення нітратів проходить тільки в анаеробних умовах.

Контрольні питання:

1.У чому суть понять метаболізм,анаболізм,катаболізм?

2.Яку роль відіграють рибосоми,мітохондрії,апарат Гольджі та нуклеотиди у забезпеченні життєдіяльності мікробної клітини?

3.Які ви знаєте біологічно активні речовини,що знаходяться в мікробній клітині?

4.Назвіть 6 класів ферментів,дайте докладну характеристику кожного з них.

5.Як класифікують ферменти за хімічною будовою, характером дії?

6.Чим відрізняються автотрофи від гетеротрофів?

7.Яка схема засвоєння мікроорганізмами вуглеводів,білків та ліпідів?

8.Охарактеризуйте аеробний та анаеробний типи дихання?