Источники энергии и особенности энергетических процессов у микроорганизмов

Микроорганизмы могут использовать энергию видимого света (фототрофы) и химическую энергию, высвобождающуюся при окислении различных восстановленных соединений (хемотрофы). В зависимости от способа получения энергии и используемого источника углерода все микроорганизмы делятся на фото- и хемоавтотрофы, фото- и хемогетеротофы . Жизнедеятельность последних имеет большое значение в технологии пищевых продуктов.

Все способы получения энергии в основном сводятся к окислению молекул восстановленных веществ и восстановлению молекул окисленных веществ. Эти реакции объединены под названием биологическое окисление. Его особенностью является то, что в процессе биохимических превращений веществ происходит разрыв химических связей, сопровождающийся выделением свободной (потенциальной) энергией, при этом часть выделившейся свободной энергии трансформируется в энергию высокоэнергетических связей АТФ и может использоваться микроорганизмами. Другая часть образовавшейся свободной энергии рассеивается в виде тепловой, реже - световой и электрической энергии (свечение морской воды, рыбы, сгнившего дерева).

Энергетические процессы по своему объему значительно превосходят конструктивные. Вещества питательной среды используются, в первую очередь, для осуществления энергетического обмена. Полу­ченная энергия, прежде всего, необходима для биосинтеза клеточных компонентов. Более половины полученной энергии расходуется на биосинтез белков, часть энергии идет на синтез ДНК и РНК, полисаха­ридов и др., то есть на биосинтетические процессы, связанные с ростом клеток. Часть энергии тратится на поддержание жизнедеятельности клетки - на осуществление активного транспорта веществ питательной среды через ЦПМ внутрь клетки, размножение, движение.

Часть промежуточных низкомолекулярных продуктов, образующихся при энергетическом обмене, превращается в уксусную, молоч­ную, масляную кислоты, этиловый спирт и др. Эта сторона энергетиче­ского обмена используется в пищевых производствах.

Получение энергии хемогетеротрофами.

Способы получения энергии хемогетеротрофами лежат в основе важнейших биохимических процессов, используемых в пищевых про­изводствах или лежащих в основе порчи сырья, полуфабрикатов и го­товой продукции пищевых производств с помощью микроорганизмов.

В качестве источников энергии они могут использовать широкий круг органических веществ, чаще углеводы, а также спирты (одноатомный - этиловый спирт, трехатомный - глицерин; шестиатомные спирты - сорбит, маннит и др.), аминокислоты, пурины, пиримидины, жиры, органические кислоты и др.

Большинство хемогетеротрофов получают энергию и синтезируют углеродный скелет клеток из одного и того же органического соединения.

Хемогетеротрофы получают энергию четырьмя способами.

1. Аэробное дыхание. Донорами водорода (электронов) при дыха­нии служат органические вещества , конечным акцептором водорода является молекулярный кислород. В результате дыхания происходит полное окисление органических веществ до СО₂ и Н₂О и выделяется большое количество тепловой энергии:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6 Н₂О + 2822 кДж

глюкоза

Такое количество энергии соответствует всему запасу свободной энергии, заключенному в I грамм-молекуле глюкозы. Этим путем по­лучают энергию многие аэробные бактерии и некоторые дрожжи, ис­пользуемые для получения хлебопекарных и кормовых дрожжей.

При аэробном дыхании примерно 50% энергии теряется в виде тепла. Этим объясняется явление термогенеза - самосогревание боль­ших рыхлых, хорошо аэрируемых скоплений растительных масс (сена, зерна, силоса, навоза, торфа и др.), это приводит иногда к самовозго­ранию сена, торфа и т.п.

2.Неполное окисление органических веществ. В аэробных усло­виях окисление органических веществ может идти не до СО₂ и Н₂О, a до образования промежуточных недоокисленных продуктов и Н₂О. Донорами водорода служат органические вещества, а акцептором - молекулярный кислород. При этом энергии освобождается значитель­но меньше. Такой способ получения энергии называется неполным окислением, например окисление этилового спирта до уксусной кисло­ты уксуснокислыми бактериями:

С₂Н₅ОН + О₂ ---СН₃СОООН + Н₂О + 487 кДж

Этиловый Уксусная

спирт кислота

Многим мицелиальным грибам свойственно неполное окис­ление углеводов. Грибы окисляют их с образованием лимонной, глюконовой, щавелевой и других органических кислот.

3. Брожение. Процесс брожения - это неполное окисление органиче­ских веществ в анаэробных условиях. Донорами водорода при броже­нии являются органические вещества, акцепторами водорода - также органические вещества. Это промежуточные продукты брожения, ко­торые при этом восстанавливаются. При брожении энергии выделяется значительно меньше, чем при окислении 1 грамм-молекулы глюкозы в аэробных условиях, например, при спиртовом брожении дрожжами,- всего 118 кДж

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 118 кДж

Глюкоза Этиловый спирт

Другие виды брожения (молочнокислое, маслянокислое и т.д.) протекают также с неполным выделением энергии глюкозы, так как часть свободной энергии переходит в образующиеся восстановленные продукты брожения, которые накапливаются в среде.

4. Анаэробное дыхание. Небольшое число бактерий (денитрифи-цирующие, десульфатирующие) в анаэробных условиях окисляют органические вещества - доноры водорода не с помощью мо­лекулярного кислорода, а с использованием связанного кислорода, на­ходящегося в молекуле натратов и сульфатов. Эти неорганические ве­щества богаты кислородом и являются акцепторами водорода.

Анаэробное дыхание бывает двух типов: нитратное и сульфатное. Окисление органических соединений кислородом нитратов называется нитратным дыханием:

5С₆Н₁₂О₆ + 24KNO₃--24KHCO₃ + 18H₂O + 12N₂ + 6CO₂+1760 кДж

Окисление органических веществ кислородом сульфатов назы­вается сульфатным дыханием:

C₆H₁₂O₆ + 3K₂SO₄--3K₂CO₃ + 3H₂O + 3H₂S + 1760 кДж

Процессы анаэробного дыхания сопровождаются значительным выделением энергии.