Использование энергии неорганических субстратов

Окисление минеральных веществ в качестве источника энергии используют литотрофные микроорганизмы. В настоящее время известны микроорганизмы, использующие энергию окисления водорода, серы, азота, железа, сурьмы. Литотрофные микроорганизмы отрывают электроны от минеральных соединений и направляют их по цепи переноса электронов. Используемые в качестве доноров минеральные соединения характеризуются различным окислительно-восстанови-тельным потенциалом, поэтому оторванные от них электроны могут поступать на различные участки дыхательной цепи. Дыхательная цепь у литотрофных микроорганизмов работает в двух направлениях – прямой перенос электронов сопряженный с окислительным фосфорилированием, обратный перенос электронов, идущий с потреблением АТФ.

Окисление серы осуществляют серобактерии, откладывающие серу в клетках, и некоторые тионовые бактерии. Микробиологический процесс окисления сероводорода и других соединений серы обеспечивает переход серы из недоступного для растений состояния в доступные для них сульфаты.

Железобактерии получают энергию в процессе окисления кислородом воздуха двухвалентного железа до трехвалентного.

Для нитрифицирующих бактерий источником энергии являются реакции окисления аммиака сначала до азотистой, а затем до азотной кислот.

Водородные бактерии добывают энергии в реакции окисления кислородом воздуха молекулярного водорода. Некоторые водородокисляющие бактерии могут использовать энергию окисления СО до СО₂ (осуществлять карбоксидооксидацию).

Использование энергии света

Способность использовать энергию света обуславливается наличием у большинства фототрофных микроорганизмов специфических пигментов – бактериохлорофиллов и каротиноидов.

Световая энергии улавливается системой поглощающих свет пигментов и передается на молекулу хлорофилла, которая переходит в возбужденное состояние вследствие перехода одного из электронов на более высокий энергетический уровень. Переходя по цепи переноса, электрон отдает свою энергию системе АДФ-АТФ, в результате чего энергия света трансформируется в энергию макроэргической связи молекулы АТФ, т.е. происходит фотосинтетическое фосфорилирование, которое бывает циклическое и нециклическое. В случае циклического процесса электрон возвращается к исходному донору, отдавая полученную им энергию в процессе перехода через ряд переносчиков по термодинамическому закону, одним из таких переносчиков является цитохром с, обеспечивающий фосфорилирование: АДФ. При нециклическом фосфорилировании возбужденный электрон передается на НАД⁺ с образованием НАДН₂.

У фотосинтетических бактерий донорами водорода для реакций синтезе могут быть как неорганические, так и органические вещества. Фотолитоавтотрофы используют в качестве донора водорода Н₂S: свет

СО₂ + Н₂S → (СН₂О) + Н₂О + 2 S

Такой вид фотосинтеза называется фоторедукцией. Основное отличие бактериальной фоторедукции от фотосинтеза зеленых растений и водорослей следующие: бактериальный фотосинтез протекает в анаэробных условиях и не сопровождается выделением кислорода; донором водорода для восстановления СО₂ в большинстве случаев является сероводород, а не вода.

Микроскопические водоросли и цианобактерии (как и высшие растения) фотосинтез осуществляют с выделением О₂, донором электронов (водорода) служит вода:

свет

СО₂ + Н₂О → (СН₂О) + О₂

Питание микроорганизмов

Источники питания

Процесс роста и развития микроорганизмов начинается с поглощения пищи. У микроорганизмов отсутствуют специальные органы принятия пищи, питательные вещества проникают в клетку через всю поверхность. Соединения с большой молекулярной массой предварительно расщепляются экзоферментами микроорганизмов.

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по своим пищевым потребностям. Они могут существовать за счет усвоения самых различных субстратов. Одно и то же соединение для одних видов может быть хорошим продуктом питания, а для других не только недоступным, но даже ядовитым. Например, известны микроорганизмы, усваивающие фенол, парафин, нафталин, угарный газ и др. В зависимости от концентрации некоторые вещества могут быть для одного и того же микроорганизма либо ценным источником питания, либо ингибирующим веществом. Так, сахара в небольших концентрациях являются легко ассимилируемым продуктом для многих микроорганизмов, в то же время высокие концентрации сахара угнетают их рост.

Источники питания должны обеспечивать микроорганизмы всеми элементами для синтеза различных клеточных структур, а также источниками энергии, необходимой не только для биосинтетических процессов, но и для других энергозависимых процессов, характерных для микробной клетки, как в стадии активного роста, так и в покоящейся стадии.

Вода. Около 75-90% массы микробных клеток составляет вода, в которой осуществляются все метаболические процессы. Вода должна находиться в жидкой фазе, так как только в такой фазе она доступна микроорганизмам. Благодаря способности образовывать водородные связи с полярными группами различных соединений вода обеспечивает гидратацию различных клеточных компонентов. Вода поддерживает определенное осмотическое давление – тугор клетки. В качестве химического реагента она вступает в реакции гидролиза, а также служит растворителем различных клеточных метаболитов. Необходимо постоянное поступление воды внутрь растущих клеток. В отсутствии воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.

Источники углерода. В строительном обмене микроорганизмов основная роль принадлежит углероду. По отношению к источникам углерода микроорганизмы принято делить на две группы – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (греч. autos – сам, trophe – пища) в качестве единственного источника углерода используют СО₂ и из этого простого неорганического соединения синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая. Гетеротрофы (греч. heteros – другой) нуждаются в готовых органических соединениях. Их пищевые потребности чрезвычайно разнообразны. Среди них встречаются микроорганизмы, использующие всего одно органическое вещество, и такие, которым необходим целый набор углеводов, аминокислот, дополнительных факторов. В зависимости от источника углерода и энергии микроорганизмы делят на шесть групп.

Фотоавтотрофы используют солнечную энергию для синтеза органических соединений из СО₂. В эту группу входит большинство фотосинтезирующих бактерий. Фотогетеротрофы используют солнечную энергию для усвоения углерода, связанного в органических соединениях. К ним относятся некоторые пурпурные и зеленые бактерии. Хемолитоавтотрофы используют энергию окисления минеральных веществ для синтеза органических веществ клетки из СО₂, т.е. могут расти только за счет неорганических соединений. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железоокисляющие бактерии. Хемоорганоавтотрофы для получения энергии окисляют органические соединения, а в качестве основного источника углерода используют СО₂. Это уникальная форма питания, например, характерна для бактерий, окисляющих муравьиную кислоту. Хемолитогетеротрофыдля обеспечения себя энергией окисляют минеральные соединения, а в качестве питания используют углерод органических соединений. В эту группу входят немногие представители микробного мира – некоторые водородные и метанобразующие бактерии. Хемоорганогетеротрофы используют органическое вещество одновременно как источник питания и как источник углерода. К ним относится большинство бактерий - гнилостные, возбудители брожений, патогенные микроорганизмы, грибы.

Сапрофиты (греч. sapros – гнилой, phyton - растение), или метатрофы – это гетеротрофы, питающиеся продуктами жизнедеятельности других организмов, или использующие органические вещества отмерших растений и животных. Число органических соединений, используемых этими микроорганизмами в качестве источника питания, велико. К сапрофитам относятся гнилостные микроорганизмы, возбудители брожений. сапрофиты имеют большое значение в круговороте веществ в природе. Паразиты (паратрофы) – гетеротрофы, это организмы, питающиеся за счет органического вещества живого организма-хозяина. Такие микроорганизмы нарушают равновесие биохимических процессов в макроорганизме и вызывают его заболевание.

Олиготрофы (греч. oligos – малый, trophe – пища) – особая группа гетеротрофных микроорганизмов, которые могут расти только при низких концентрациях органических веществ в среде. Обычно такие микроорганизмы являющиеся обитателями водоемов. Миксотрофы – бактерии, обладающие способностью при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой. Многие виды бактерий являются миксотрофными.

Если данный тип метаболизма не является единственным и обязательным для данного микроорганизма, то такой микроорганизм относится к факультативному по типу питания. Многие виды микроорганизмов относятся к факультативным авто- и гетеротрофам. Факультативные паразиты в зависимости от условий существования могут быть либо паразитами, либо сапрофитами (например, возбудители многих кишечных инфекций). Строгие (облигатные) паразиты могут развиваться только в живых клетках.

Источники азота. Азот необходим микроорганизмам для синтеза нуклеиновых кислот, белков. полимеров клеточной стенки, т.е. для формирования аминных (-NН₂) и иминных (-NН-) групп в молекулах азотсодержащих органических соединений клетки. В качестве источника азота микроорганизмы используют минеральные и органические соединения и в зависимости от этого делятся на две группы – аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавтотрофыстроят азотсодержащие компоненты либо из минеральных веществ, либо из аминых групп, оторванных от органических субстанций. Наиболее доступными источниками азота для таких микроорганизмов являются аммонийные соли. Свободный аммиак мало доступен, так как создает в среде повышенную щелочность. Менее доступны нитраты, поскольку азот нитратов для того, чтобы включиться в органические соединения, должен быть предварительно восстановлен до аммиака в энергетически зависимой реакции. Нитраты используются плесневыми грибами, актиномицетами, реже – бактериями. Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Они используются только специфическими группами микроорганизмов и в том случае, когда их концентрация в среде очень мала. Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот N₂. Существуют уникальные по своей метаболической способности азотфиксирующие бактерии, которые имеют ферментный комплекс, активизирующий инертную молекулу атмосферного азота, имеющую тройную связь между атомами азота N≡N. Процесс восстановления молекулы азота до аммиака требует больших затрат энергии и идет через ряд промежуточных продуктов.

Аминогетеротрофы сроят белки из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Бактерии, использующие азот белковых веществ, предварительно гидролизуют их до простых продуктов с помощью протеолитических экзоферментов. В готовых аминокислотах нуждаются патогенные микроорганизмы, а также молочнокислые бактерии (они используют богатый набор аминокислот в молоке). Если в питательной среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизмы переходят на аминоавтотрофный способ существования и создают недостающую аминокислоту путем перестройки других аминокислот, отрывая от них аминную группировку, либо синтезируя ее из органических кислот и аммиака. Таким образом, узловым пунктом, куда ведут все пути азотного питания у микроорганизмов, является аммиак:

Нитраты → Нитриты → NH₃ → Атмосферный азот

↑

Аминокислоты ← Пептиды ← Белки

Если источником азота служат белки, пептоны или аминокислоты, то источники углерода не нужны, так как эти субстраты используются одновременно и как источники углерода, но при использовании минеральных источников азота присутствие углеродного источника необходим.

Макро- и микроэлементы. Эти элементы нужны микроорганизмам, так как они входят в состав органических соединений, выполняют функции стабилизаторов коллоидного состояния цитоплазмы, являются активаторами ферментов. к макроэлементам относятся S, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe, среди микроэлементов наиболее существенными являются Zn, Co, Mo, Cu, J, Вr.

Серанеобходима для синтеза серусодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Она обычно потребляется микроорганизмами в окисленной форме в виде сульфатов и восстанавливается в процессе метаболизма. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Микроорганизмам фосфора требуется много и получают они его из различных фосфорнокислых солей. Кальцийвходит в состав эндоспор бактерий, является кофактором для некоторых ферментов (например, протеаз). Магний присутствует в клеточных стенках, мембранах. Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах.

Факторы роста. При добавлении этих веществ в питательную среду активизируется рост микроорганизмов. К факторам роста относятся пурины, пиримидины, жирные кислоты, аминокислоты, витамины (в основном группы В). Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать факторы роста. Но иногда эта способность может быть нарушена, и тогда эти соединения необходимо добавлять в питательную среду в готовом виде. Микроорганизмы, неспособные самостоятельно синтезировать какое-либо соединение, относящееся к факторам роста, называются ауксотрофными в отношении этого соединения (прототрофные микроорганизмы способны сами синтезировать факторы роста). Некоторые микроорганизмы нуждаются одновременно в нескольких дополнительных факторах. Наиболее чувствительны к факторам роста микроорганизмы, постоянно обеспечиваемые готовыми формами таких соединений в условиях их естественного обитания. Ауксотрофность может меняться в зависимости от условий культивирования. На нее оказывает влияние рН среды, наличие кислорода, температура, химический состав среды и др.