Общая физиология микроорганизмов

Химический состав микроорганизмов

 

Химический состав микроорганизмов рассматривается на двух уровнях: Элементарном и молекулярном.

Элементарный уровень подразумевает пропорцию входящих в состав бактериальной клетки элементов (табл.1).

Таблица 1. Приблизительный элементарный состав бактериальных клеток (Р. Стейниер, Э. Эдельберг, Дж. Ингрем,1979)

Элементы	Содержание, % от сухого вещества	Элементы	Содержание, % от сухого вещества
Углерод Кислород Азот Водород Фосфор Сера Калий	50 20 14 8 3 1 1	Натрий Кальций Магний Хлор Железо Все остальные элементы	1 0,5 0,5 0,5 0,2 ~0,3

Всего микробная клетка может содержать около 90 различных элементов. Среди них выделяют две категории: Макроэлементы – те, которые содержатся в количестве более, чем 0,01%. К ним относятся, в первую очередь, Органогены: углерод, водород, кислород и азот. Суммарное их содержание в клетке около 90% и они составляют основу органического вещества. Далее следуют сера, фосфор, калий, натрий, кальций, магний и железо.

Вторая категория - микроэлементы – Входят в состав клетки в количествах менее 0,01%. К ним относятся йод, бор, молибден, цинк, медь, ванадий, серебро и др.

Молекулярный уровень Учитывает состав молекул. Все вещества микробной клетки делят на 2 группы : сухие вещества и воду - Н2О. Содержание воды в микробной клетке – 80-90%. Сухие вещества подразделяются на зольные (минеральные соли) – 2-5% и органические – белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты (табл.2).

Таблица 2. Содержание органических веществ в клетках бактерий ( по Stouthamer, 1973).

Название вещества	Количество, % от сухих веществ
Белки Углеводы Липиды РНК ДНК	52 17 9 16 3

Механизмы поступления веществ в микробную клетку

Клеточная стенка имеет крупноячеистое строение и барьером при поступлении молекул не является. Существует лишь один основной барьер - плазмалемма, которая обладает избирательной проницаемостью (одни вещества пропускает, а другие - нет).

Между содержимым клетки и внешней средой всегда существует разница концентраций молекул и ионов. Этот перепад называется Электрохимическим градиентом И Является Двигателем перемещения веществ через мембрану. Если концентрация молекул или ионов за пределами клетки больше, чем в клетке (С2 > С1), такой раствор называется гипертоническим. Если же наоборот (С1 > С3), внешний раствор называется гипотоническим. Перемещение частиц из области большей концентрации в область меньшей называется движением по градиенту. Перемещение в противоположном направлении – движением против градиента концентраций и зарядов (рис. 19).

КЛЕТКА

С2 С3

 

Рис.19. Схема перемещения молекул и ионов через клеточную мембрану: С1 – концентрация молекул в клетке;

С2 – концентрация гипертонического раствора; С3 – концентрация гипотонического раствора.

Перемещение частиц: по электрохимическому градиенту;

Против электрохимичекого градиента.

Поступление веществ в клетку зависит от многих факторов: соотношения их концентраций внутри клетки и за ее пределами, от размера молекул, энергетического состояния клетки и др. Выделяют два основных пути транспорта веществ через клеточную мембрану: пассивный и активный:

Пассивный транспорт Проходит по электрохимическому градиенту (из области большей концентрации молекул и зарядов в область меньшей концентрации) без затрат энергии извне (за счет энергии самого градиента).

Виды пассивного транспорта:

1.  Простая диффузия – это движение через поры в мембране за счет осмотических сил, которое ограничивается только размерами пор;

2.  Облегчённая диффузия - осуществляется при помощи белков – переносчиков (пермеаз), в том числе, по турникетному механизму.

Турникетный белок захватывает молекулу субстрата и за счёт энергии электрохимического градиента поворачивается на 180º. Здесь комплекс распадается и белок - переносчик возвращается в исходное положение, т. к. химическое сродство к наружной стороне мембраны у него выше, чем к внутренней (рис. 20).

ПЛАЗМАЛЕММА

Рис. 20. Схема пассивного поступления веществ в клетку через плазмалемму по турникетному механизму. S - субстрат (молекула питательного вещества); R – мембранный белок-переносчик.

Активный транспорт - происходит по челночному механизму. Белок-переносчик на внешней стороне мембраны присоединяет молекулу субстрата и макроэргическую связь молекулы АТФ (комплекс: белок-переносчик – макроэргическая связь - субстрат). За счёт энергии связи комплекс перемещается на внутреннюю сторону мембраны, где распадается. Свободный переносчик возвращается на внешнюю сторону, которая имеет высокое химическое сродство (рис. 21).

Рис.21. Схема активного поступления веществ в клетку через плазмалемму. S – субстрат; R – белок-переносчик; P – остаток фосфорной кислоты после гидролиза макроэргической связи.

 

15. Общая характеристика обмена веществ микроорганизмов

Обмен веществ – Метаболизм – совокупность всех химических реакций в клетке (организме).

Реакции метаболизма идут в двух направлениях:

 

Диссимиляция - (катаболизм)-совокупность всех реакций распада. На катаболическом направлении: 1). Из сложных веществ образуются простые - (белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, крахмал до глюкозы, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. Далее мономеры расщепляются до СО2 и Н2О. 2). Реакции идут с выделением энергии	Ассимиляция - (анаболизм) совокупность всех реакций синтеза. На Анаболическом направлении: 1). Из простых веществ образуются сложные - (из глюкозы синтезируются крахмал, гликоген, из глицерина и жирных кислот – жиры, из аминокислот – белки. При фотосинтезе из СО2 и Н2О образуются мономеры, например, глюкоза). 2)Реакции идут с поглощением энергии

На катаболическом направлении образуются структурные блоки, из которых при ассимиляции образуются сложные вещества. При распаде веществ выделяется энергия, которая консервируется в виде макроэргической связи АТФ.

Типы углеродного питания микроорганизмов

Углерод – основной элемент питания всех живых организмов. Из углерода состоят углеродные цепи – основа всех органических веществ.

Способы углеродного питания микроорганизмов определяются в зависимости от источника углерода, источника водорода (или электронов) для восстановления, источника энергии для синтеза.

По источнику углерода все микроорганизмы подразделяются на автотрофные (получающие углерод путем усвоения СО2 из воздуха) и гетеротрофные (которые усваивают готовые органические вещества) (табл.3).

Таблица 3. Классификация способов углеродного питания микроорганизмов

Автотрофы Организмы, которые используют минеральные формы углерода (СО2) и образуют из них органические вещества	Гетеротрофы Организмы, которые усваивают готовые органические вещества, перестраивая их на вещества своего тела
И С Т О Ч Н И К У Г Л Е Р О Д А
СО2	Органические вещества
ФОТОАВТОТРОФЫ	ХЕМОАВТОТРОФЫ	САПРОТРОФЫ	ПАРАТРОФЫ
Для синтеза органических веществ используют лучистую энергию солнца	Для синтеза органических веществ используют энергию окисления минеральных веществ	Используют готовые органические вещества мертвых тел	Используют готовые органические вещества живых тел
И с т о ч н и к э н е р г и и –
Лучистая энергия солнца. Работают по схеме: 6СО2+6Н2О®С6Н12О6+6О2 СО2+Н2S®С6Н12О6+H2SO4	Энергия окисления минеральных веществ: NH3 + О2 ® НNO3 + Е H2S + O2® H2SO4 + Е	Энергия окисления органических веществ - дыхания и брожения: С6Н12О6+6О2®6СО2+6Н2О + Е С6Н12О6®2СН3СН2ОН + 2СО2 +Е
П Р Е Д С Т А В И Т Е Л И
Водоросли -Ulothrix, Цианобактерии - Nostoc, Anabaena, Gloeocapsa, окрашенные серобактерии - Chlorobium, Chromatium	Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacter), Сульфофицирующие бактерии (Thiobacillus)	Дрожжи: Saccharomyces vini, Уксусно-кислые бактерии - Acetobacter	Salmonella, Shigella, Bdellovibrio

По источнику энергии выделяют два основных типа метаболизма:

·  Фототрофные Микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии видимое электромагнитное излучение – свет;

·  Хемотрофные микроорганизмы, получающие энергию в результате окисления различных субстратов (минеральных и органических).

По источнику водорода микроорганизмы подразделяются на:

·  Метатрофные, использующие для восстановления электроны неорганических веществ (Н2, Н2S, NH3 , Fe++);

·  Органотрофные, для которых донорами водорода и электронов служат органические соединения.

17. Фотосинтез у бактерий

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из диоксида углерода (CO2) за счет лучистой энергии солнца (Hν). Это способ автотрофного углеродного питания. Различают два основных типа фотосинтеза у бактерий:

1.  Оксигенный – Происходит с выделением кислорода по уравнению:

Hν

6CO2 + 6H2O C6H12 O6 + 6O2

Возбудители этого процесса– цианобактерии (NostОс, Anabaena, Gloeocapsa).

2.  Аноксигенный – Процесс не сопровождается выделением кислорода, идет по схеме:

Hν

6СO2 + 6H2S C6H12O6+ 6S

Или:

СO2 + S + H2O Hν C6H12O6 + Н2SO4

Возбудители – окрашенные серобактерии: зелёные – Chlorobium и пурпурные – Chromatium.

 

Хемосинтез у бактерий

 

Хемосинтезом называется синтез органических веществ из диоксида углерода (CO2) за счет энергии окисления минеральных веществ, таких как Н2, Н2S, S, NH3 , Fe++ и др. Это способ автотрофного усвоения углерода. Процесс идет по схеме:

+Е

СO2 + H2S C6 H12 O6 + S

Источниками энергии для хемосинтеза являются следующие процессы:

 

1.  Нитрификация: NH3 + O2→ HNO3 + E (возбудители – бактерии рода Nitrobacter);

2.  Сульфофикация: H2S + O2 → H2SO4 + E (возбудители – бактерии рода Thiobacillus);

3. Окисление железа: Fe2+ —ē FЕ3+ + E (возбудители – бактерии рода GallionellА).

 

 Азотное питание микроорганизмов

 

Азот необходим микробной клетке для синтеза белков, нуклеиновых кислот, полимеров клеточной стенки (муреина). В качестве источников азота микроорганизмы могут усваивать как минеральные, так и органические вещества.

По использованию источников азота

Микроорганизмы подразделяют на группы:

Аминоавтотрофы - Аминогетеротрофы -

Используют минеральные используют органические

формы азота: Формы азота:

- аммиак NH3 (или NH4+) белки, аминокислоты,

- нитратная форма NO3‾ нуклеотиды,

- молекулярный азот – N2 нуклеиновые кислоты

ПРИМЕРЫ:

Дрожжи, плесневые грибы, молочнокислые бактерии,

Уксусно-кислые бактерии гнилостные бактерии

Отношение микроорганизмов к источникам кислорода

Кислород является основным окислителем в метаболических процессах. Микроорганизмы могут его усваивать в свободном и связанном виде. Некоторые виды микробов могут существовать только в кислородной среде, для других кислород токсичен. Причиной этого является накопление в кислородной среде перекисей, которые очень токсичны для бактериальной клетки. У аэробов перекиси разрушает фермент каталаза, у строгих анаэробов этот фермент отсутствует.

Выделяют следующие группы микроорганизмов по отношению к источникам кислорода

Аэробы Анаэробы

Облигатные факультативные ОБлигатные

Облигатные (обязательные) аэробы – организмы, для жизнедеятельности которых необходим кислород воздуха. Подразделяются на 2 подгруппы:

1. Строгие облигатные аэробы нуждаются в концентрации кислорода, близкой к атмосферной (около 20%). Примером строгих облигатных аэробов могут служить уксусно-кислые бактерии (род Acetobacter);

2. МИкроаэрофилы Предпочитают низкие концентрации кислорода - до 10% (сальмонелла, бруцелла).

Облигатные анаэробы в кислороде не нуждаются. Среди них также выделяют 2 подгруппы:

1. СТрогие облигатные анаэробы В кислородной среде погибают. У них отсутствует фермент каталаза, разрушающий перекись водорода. Представителями этой группы являются бактерии рода Clostridium.

2. АЭротолерантные Микроорганизмы в кислороде не нуждаются, но в кислородной среде не погибают (например, молочно-кислые бактерии) .

Факультативные аэробы (они же факультативные анаэробы) могут переключаться с аэробного метаболизма на анаэробный. К ним относятся дрожжи рода Saccharomyces.

 Брожение как способ получения энергии гетеротрофами

Гетеротрофы использую органические вещества и как строительный материал, и как источник энергии. Расщепляя ферментами углеводы в анаэробных условиях, микроорганизмы вызывают процесс брожения.

Брожение – Ступенчатый ферментативный анаэробный окислительно-восстановительный процесс, в котором микроорганизмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Рассмотрим схемы двух распространенных в природе процессов, названия которых даны по основным продуктам:

Молочнокислое брожение:

C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH + E

Молочная кислота

Спиртовое брожение:

C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + E

С : О = 1 : 1 С : О = 2 : 1 С : О = 1 : 2

Этиловый спирт

На примере спиртового брожения убедительно доказывается, что брожение - окислительно-восстановительный процесс. Это хорошо видно по изменения соотношения углерода и кислорода в субстрате брожения (глюкоза C6H12O6 – соотношение С : О = 1 : 1) и продуктах (этиловый спирт С : О = 2 : 1; Углекислота - С : О = 1 : 2). Энергия в брожениях выделяется за счет перераспределения окислительных эквивалентов (кислорода) между продуктами спиртового брожения.

Характеристика брожения:

1.Субстраты брожения – органические вещества (углеводы, реже органические кислоты).

2.Продукты брожения – органические вещества (кислоты, спирты).

3.Биологический смысл процесса – получение энергии

4.Условия процесса – анаэробные (процесс идет без доступа кислорода)

5.Механизм брожения. Большинство брожений проходит в 2 этапа:

Первый этап - Универсальный (Чаще Гликолиз) – проходит по схеме:

C6 H12 O6 → 2CH3COСОOH + 2НАД • H2 + 2АТФ

Пировиноградная кислота (ПВК)

Энергия, полученная на этом этапе консервируется в виде макроэргических связей АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Второй этап – специфический - зависит от набора ферментов, у разных брожений протекает по-разному. Если микроорганизм образует активный фермент ПВК-декарбоксилазу, то происходит декарбоксилирование (отщепление СО2) от пировиноградной кислоты с образованием уксусного альдегида, который затем восстанавливается водородом НАД•Н2 до этанола – схема спиртового брожения. Если ПВК-декарбоксилаза отсутствует, то пировиноградная кислота сразу восстанавливается до молочной водородом НАД•Н2, Которая образовалась на этапе гликолиза:

 CH3CHOНCOOH

НАД•Н2 Молочная кислота

CH3COCOOH фермент ПВК-декарбоксилаза СН3СНО НАД•Н2 СН3СН2ОН

ПВК Ацетальдегид Этанол

Таким образом, акцепторами водорода и электронов являются продукты самого брожения – органические вещества.

В результате процесса брожения высвобождается и используется для жизнедеятельности микроорганизма лишь часть энергии субстрата. Основная масса химической энергии остается в продуктах брожения – спиртах, кислотах. Объясняется неполное высвобождение энергии субстрата при брожении отсутствием внешнего окислителя, в первую очередь, кислорода.