Основы физиологии и биохимии микроорганизмов обмен веществ микроорганизмов План

1. Химический состав микробной клетки.

2. Питание микроорганизмов.

3. Энергетический обмен микробной клетки.

4. Ферменты, их роль в обеспечении жизнедеятельности микроорганизмов.

Ключевые слова: автотрофы, гетеротрофы, аэробы, анаэробы, сапрофиты, паразиты, дыхание, питание, энергия, ферменты, вода, органогены..

Физиология микроорганизмов изучает процессы их роста, развития, питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, а также происходящие при этом превращения веществ в клетке.

Знание физиологии микроорганизмов позволяет руководить их жизнедеятельностью, а именно:

• эффективно использовать полезные свойства микробов с народнохозяйственной целью: усиливать накопление микробной массы или направлять биологическую активность в соответствии с конкретными задачами производства (например, выращивание кормовых дрожжей на питательных средах с избытком азотистых веществ с целью получения массы дрожжей, богатых белком), накопления дрожжами этилового спирта, из глюкозы в кислой среде и накопления глицерина теми же дрожжами, когда процесс происходит в щелочной среде;

• подавлять жизнедеятельность вредных микробов и, таким образом, разрабатывать рациональные способы хранения пищевых продуктов, пути профилактики пищевых заболеваний микробной природы, санитарный режим предприятий.

1. Химический состав микробной клетки.

Совокупность процессов, происходящих в клетке и обеспечивающих воссоздание ее биомассы называют обменом веществ или метаболизмом.

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Энгельс Ф.).

Обмен веществ представляет собой сложный комплекс разнообразных химических превращений веществ пищи, поступающей в организм из внешней среды (из субстрата).

Клеточный метаболизм состоит из двух основных процессов: конструктивного и энергетического обменов (рис. 1).

Оба этих процесса (анаболизм и катаболизм) в совокупности составляют обмен веществ организма в целом. Они находятся в тесном взаимодействии и взаимозависимости, неотделимы один от другого, обусловливают рост, развитие и размножение организма. В этом проявляется один из законов диалектики – закон развития как борьбы противоположностей.

Многочисленные химические реакции обмена веществ, управляемые ферментами, протекают в определенной последовательности; они согласованы между собой и гармонично сочетаются. Многие промежуточные продукты процессов энергетического обмена участвуют в реакциях процессов строительного обмена. Одно и то же вещество может служить и источником энергии, и материалом для синтеза компонентов тела, но нередко используют для этих целей разные вещества. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду.

Особенностью микроорганизмов является большое разнообразие обменных процессов: различны потребности в питательных веществах для синтеза веществ тела, различны способы добывания энергии и, кроме того, у микробов необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка потребляет пищу, масса которой в 30-40 раз больше массы тела микроба. Основная часть пищи расходуется в энергетическом обмене, при котором выделяется в среду большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, углекислого газа, водорода и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного и животного пищевого и непищевого сырья; она же обусловливает явление быстрой порчи пищевых продуктов.

Для понимания процессов обмена веществ у микроорганизмов и их потребностей в пище необходимо знать химический состав их тела.

Состав веществ микроорганизмов в принципе мало отличается от химического состава тела животных и растений. Важнейшими компонентами клетки являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды. Универсальны многие ферменты строительного и энергетического обменов.

Потребность микроорганизмов в питательных веществах определяется в основном элементарным составом их клеток.

Важнейшими химическими элементами, преобладающими в клетках микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, магний, кальций и железо. Первые четыре из указанных элементов составляют основу органического вещества, поэтому называются органогенными элементами. Они составляют 90—97% сухого вещества (рис 2.).

Другие элементы называют зольными или минеральными, на долю которых приходится 3-10%. Из них больше его содержится фосфора, который входит в состав важных ществ клетки (нуклеиновых кислот, АТФ и др.). В клетках микроорганизмов находятся, хотя и в крайне малых количествах, микроэлементы: медь, цинк, марганец, олибден и многие другие. Некоторые микроэлементы входят состав ферментов.

Соотношение отдельных химических элементов заметно колеблется в зависимости от вида микроорганизма и условий его роста. Примерный элементарный состав микробной клетки приведен в табл. 2.

Химический элемент	Содержание, % от сухого веса	Химический элемент	Содержание, % от сухого веса
Углерод	50	Калий	1,0
Кислород	20	Натрий	1,0
Азот	14	Кальций	0,5
Водород	8	Хлор	0,5
Фосфор	3	Железо	0,2
Сера	1	Другие	0,3

Все элементы связаны в клетках в различные соединения, среди которых преобладает вода.

Вода. Вода составляет 75—85 % массы клеток. Она имеет важное значение в жизни организма. Все вещества поступают в клетку только с водой, с ней же удаляются и продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами) и входит клеточные структуры. Остальная вода находится в свободном состоянии: она служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Вода – участник многих химических реакций, протекающих в клетке..

Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, ввиду низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и более или менее глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает смерть клетки.

Органические вещества. Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15-25 % и состоит преимущественно (до 85-95%) из органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.

Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их у бактерий достигает 40-80 % сухого вещества, у дрожжей – 40-60, у грибов – 15-40%. Белкам принадлежит важнейшая роль в жизни организма. Аминокислотный состав белков микроорганизмов сходен с белками других организмов. Различное сочетание аминокислот создает огромное количество белков, обусловливающих все разнообразие организмов.

Некоторые белки выполняют каталитические функции, катализируют различные биохимические реакции, протекающие постоянно в микробной клетке. Такие белки называют ферментами.

Многие микроорганизмы накапливают большое количество белков в клетке. Считают, что микроорганизмы можно рассматривать в качестве возможных продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких белковых продуктов определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья. Сырьем может служить гидролизат древесины или других растительных материалов, отходы пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности. В Украине такой белок получают из дрожжей, некоторых бактерий, водоросли хлореллы и используют его в животноводстве и птицеводстве.

В клетке микроорганизмов содержатся нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой длинную цепь, которая состоит из многих элементарных единиц, называемых нуклеотидами. В состав каждого нуклеотида входят молекула фосфорной кислоты, молекула углеводного компонента (пентозы или дезоксипентозы) и одного азотистого основания (пуринового или пиримидинового).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержит дезоксирибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. Через ДНК наследственные особенности передаются потомкам. ДНК сосредоточена главным образом в ядре клеток или в его аналоге – нуклеоидах бактериальных клеток.

РНК (рибонуклеиновая кислота) содержит рибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и в рибосомах. РНК рибосом участвует в синтезе белка.

Углеводы входят в состав различных мембран клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют 10-30% сухого вещества, у грибов – 40-60%.

В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений. Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.

Липиды в клетках большинства микроорганизмов составляют 3-10% сухого вещества. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно выше – до 40-60 %. Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и в состав других мембран, а также откладываются в виде запасных гранул.

В клетках микроорганизмов часто обнаруживают пигменты, витамины и другие органические вещества.

Пигменты, или красящие вещества, у некоторых .микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, а иногда выделяются в окружающую среду.

Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл, который отличается по строению от хлорофилла растений. Известно четыре типа бактериохлорофилл: а, b, с, d.

Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи образуют, кроме того, пигменты каротиноиды. Каротиноиды, как и бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.

У некоторых дрожжей в значительных количествах образуются желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А. Производство таких дрожжей перспективно для получения белково-витаминных кормовых продуктов.

Минеральные вещества составляют не более 5-15 % сухого вещества клетки. Они представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений.

Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.