Энергетический обмен у микроорганизмов. Дыхание микроорганизмов.

Питательные вещества, поступившие в микробную клетку, претерпевают в ней сложные превращения, на которые затрачивается определенное количество энергии. Энергия расходуется также для обеспечения роста и размножения микроба. Необходимую для этих целей энергию микробная клетка получает в процессе дыхания, при котором сложные органические вещества окисляются до более простых с выделением энергии.

Для окисления органических веществ с целью получения энергии одни микроорганизмы используют кислород воздуха, другие способны обходиться при этом без кислорода, а для третьих кислород воздуха является даже вредным.

Следова­тельно, по отношению к кислороду воздуха микроорганизмы можно подразделить на:

- аэробные - это те микроорганизмы, которые нуждаются в кислороде воздуха и окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора. К этой группе относятся грибы, ложные дрожжи, некоторые бактерии (уксуснокислые), которые окисляют органические вещества полностью до СО₂ и Н₂О. Процесс этот называется аэробным дыханием, при этом основным энергетическим материалом являются углеводы.

Аэробные микроорганизмы в процессе дыхания окисляют органические вещества обычно полностью до образования в качестве конечных продуктов углекислого газа и воды. Полное окисление сопровождается выделением всейэнергии, содержащейся в окисляемом продукте. Такое окисление, например, сахара, может быть выражено следующим уравнением:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + 674 ккал. (2,87 х 10⁶ Дж или 2872 кДж)

При неполном окислении органических веществ выделяется меньше энергии. Невыделившаяся часть энергии остается в та­ком случае в продуктах неполного окисления. Так, окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями может идти до стадии образования уксусной кислоты и воды с неполным вы­делением энергии:

С₂Н₅ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О + 116 ккал,

в то время как в случае полного окисления реакция идет по схеме:

С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О + 326 ккал.

При этом выделяется вся содержащаяся в этиловом спирте энергия.

Аэробные автотрофные микроорганизмы необходимую им энергию получают за счет окисления неорганических веществ.

Некоторые аэробные гетеротрофы получают энергию за счет неполного окисления органических веществ. При этом в среде накапливаются промежуточные недоокисленные продукты, главным образом органические кислоты – лимонная, уксусная, глюкуроновая и другие.

Процесс аэробного дыхания многоэтапный и протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов, обязательным продуктом при этом является пировиноградная кислота (пируват – СН₃СОСООН).

- анаэробные микро­организмы получают энергию в процессе брожения, в энергетических процессах не используют кислород воздуха, в этом случае конечными акцепторами водорода служат органические или неорганические соединения.При без­кислородном дыхании окисление веществ протекает неполно.

Среди анаэробных микробов встречаются строгие (облигатные), или безусловные, анаэробы (главным образом Клостндиум), на них кислород воздуха действует гу­бительно, и факультативные, или условные, анаэробы, способ­ные существовать как в присутствии кислорода, так и без него (к этой группе относятся многие палочковидные бактерии, кокки, дрожжи). Во всех случаях происходит превращение глюкозы до пировиноградной кислоты (гликолиз). Дальнейшие превращения пирувата зависят от наличия тех или иных ферментов в клетках возбудителей различных типов брожения: спиртового, молочнокислого, маслянокислого и т.д.

Примером бескислородного дыхания является спиртовое брожение, вызываемое дрожжами в анаэробных условиях. Это брожение протекает по схеме:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 ккал.

В результате спиртового брожения сахар превращается в этиловый спирт и углекислый газ с выделением 27 ккал энер­гии. Как видно, окисление сахара происходит неполно, так как один из конечных продуктов - этиловый спирт - обладает зна­чительным запасом энергии (326 ккал), которая в анаэробных условиях оказалась невыделенной.

Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях способны окислять органические вещества благодаря использованию кислорода, входящего в состав других соединений. Подобной способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, использующие кислород, содержащийся в нитратах.

NO₃ → NO₂ → NO → N₂O → N₂ (нитратное дыхание)

Нитрат нитрит окись закись

Нитратное дыхание или денитрификация в природе играет отрицательную роль, т.к. приводит к обеднению почв азотом. Для борьбы с этим явлением рекомендуется рыхление почвы.

SO₄ → SO₃ → SO₂ → SO → H₂S (сульфатное)

Сульфат сульфит двуокись окись сероводород

Сульфатное дыхание или десульфофикация (десульфатация) протекает в водоемах (Черное море), на значительных глубинах, в болотистых почвах, в строго анаэробных условиях. Образующийся избыток H₂S приводит к замору рыбы, вызывает коррозию металлов и др. Сероводородные грязи и водные источники используют в медицине.

Выделяющаяся в результате окислительных процессов энергия используется микроорганизмами на жизненные процессы лишь в незначительной части (меньше четверти). Большая часть ее теряется, выделяясь в окружающую среду в виде тепла. За счет этого тепла происходит нагревание, например субстрата при спиртовом брожении, в результате чего его тем­пература становится на 2-3°С выше температуры окружающего воздуха.

Под влиянием микроорганизмов в условиях повышенной влажности нередко происходит самосогревание навоза, сена, зерна и др. Иногда оно приводит к самовозгоранию навоза и сена, так как при достижении температуры в 60-80°С в них на­чинают протекать чисто химические окислительные процессы, вызывающие воспламенение.

Ферменты микроорганизмов

Открыты ферменты русским химиком К. С. Кирхгофом в начале XIX в. Ферменты (энзимы) представляют собой органические или биологические катализаторы, вырабатываемые живыми клетками организма, обладают чрез­вычайно высокой активностью, все биохимические процессы обмена веществ совершаются при их участии. Без ферментов эти процессы проте­кали бы очень медленно или совсем не происходили.

Ничтожное количество фермента способно вовлечь в реакцию в сотни тысяч и даже миллионы раз большую массу веществ - реагентов. Например, одна весо­вая часть сычужного фермента (применяется в сыроделии) вызывает свертывание в 70 млн. раз большей массы молока.

Названия ферментов, за некоторыми исключениями, состав­ляются из корня слова, обозначающего субстрат, который рас­щепляется данным ферментом, с добавлением к нему оконча­ния «аза». Например, фермент, расщепляющий крахмал (амилум), получил название амилаза; фермент, разлагающий са­хар, - сахараза, лактозу - лактаза и т. д. За отдельными ферментами сохранились названия, которые они получили до введения указанного пра­вила («аза»). Так, ферменты желудочно-кишечного тракта че­ловека носят свое первоначальное название - пепсин и трипсин.

Ферменты могут действовать внутри микробной клетки и вне ее. Те из них, которые вызывают биохимические процессы внутри клетки, называются эндоферментами.

Все ферменты активны только в определенных условиях. При повышении температуры, кислотности или щелочности среды активность их падает, а при более резких изменениях условий среды ферменты разрушаются.

Большинство ферментов проявляет самую высокую актив­ность при температурах в пределах 30-40°С. Повышение температуры свыше 40°С приводит сначала к падению активности фермента, а при температуре около 80°С почти все ферменты разрушаются.

Каждый фермент обладает строго избирательным действием, т. е. воздействует только на какое-нибудь одно соединение, вы­зывает или ускоряет лишь определенную реакцию. Поэтому микроорганизмы выделяют несколько ферментов, обеспечиваю­щих многочисленные биохимические процессы внутри и вне клетки. Одни ферменты действуют на белки, другие - на угле­воды, третьи - на жиры.

Ферменты, катализирующие превращения белков, называются протеазами, или протеолитическими ферментами. К ним относятся пепсин, разлагающий белки до более простых соеди­нений - пептонов, трипсин, продолжающий распад белков до аминокислот. Протеолитические ферменты выделяются многими гнилостными бактериями и плесневыми грибами.

Ферменты, катализирующие гидролиз (разложение вещества водой) и синтез углеводов, относятся к карбогидразам. В эту группу входят амилаза, мальтаза, сахараза, лактаза, пектиназа, целлюлаза.

Амилаза превращает крахмал в солодовый сахар – мальтозу. Этот фермент содержится в плесневых грибах, многих бакте­риях, в растениях, а также в слюне и соке поджелудочной же­лезы человека и животных. Амилаза образуется в проросших зернах ячменя (солод) и других злаковых. Она играет большую роль в производстве хлеба, спирта, пива и др.

Мальтазарасщепляет сахар мальтозу (солодовый сахар) на две частицы глюкозы. Этот фермент вырабатывается бактериями, гриба­ми и дрожжами.

Сахараза разлагает сахарозу на глюкозу и фруктозу. Фер­мент содержится в большинстве микроорганизмов и в расте­ниях. Сахаразу применяют в кондитерской промышленности.

Лактаза расщепляет молочный сахар - лактозу - на галак­тозу и глюкозу. Она выделяется многими микроорганизмами, а также животными организмами.

Пектиназа катализирует расщепление пектиновых веществ. Она содержится в плесневых грибах и бактериях и находит применение в пищевой промышленности.

Целлюлаза подвергает гидролизу очень устойчивое соеди­нение - целлюлозу (клетчатку). Целлюлаза выделяется гри­бами и некоторыми бактериями.

Жиры расщепляются липолитическими ферментами (липа­зами). Липазы разлагают жиры на глицерин и жирные кислоты. Эти ферменты вырабатываются некоторыми бактериями и пле­сенями, встречаются в растениях, а также образуются в жи­вотных организмах.

Следующее составляющее сухого вещества – жиры.

Жиры (липиды) составляют у большинства микроорганизмов лишь незначительную часть, примерно 3-10%, сухого веса, отдельные виды («жировые дрожжи») содержат жира значительно больше – 40-60%.

Липиды входят в состав мембран, но главным образом, они формируют запасные вещества.

Углеводы находятся в теле микроорганизмов главным обра­зом в виде гликогена, гранулёзы, крахмала и клетчатки. Содержание угле­водов в микроорганизмах колеблется в больших пределах: у бактерий от 10 до 30% сухого вещества, у грибов 40-60%, бактерии - до 30%.

Углеводы используются для построения клеточных оболочек и являются энергетическим материалом клетки, участвуют в синтезе жиров и белков и формируют запасные вещества.

Минеральные вещества – регуляторы осмоти­ческого давления внутри клетки, состояние протоплазмы, входят в состав ферментов, стимулируют рост и те­чение многих биохимических реакций. Недостаток приводит к наруше­нию обмена веществ у микробной клетки, вплоть до гибели.

Пигменты. У фитотрофов – бактериохлориллы a,b,c, d (пурпурные, зеленые). У гетеротрофов (бактерии, дрожжи) – каротиноиды (желтые, оранжевые, красные), продигиозин (красные), пульхерримин (красные дрожжи).

Контрольные вопросы.

1. Что исследует физиология микроорганизмов?

2. Из каких протекающих одновременно процессов состоит обмен веществ?

3.Что называется конструктивным обменом? Другое название этого процесса.

4.Что называется энергетическим процессом? Другое название этого процесса.

5. Назовите основные процессы обмена веществ. Как они осуществляются?

6. Охарактеризуйте голозойный и голофитный способы питания. Каким организмам они присущи?

7. Что называется осмосом? Образование осмотического давления.

8. Что называется тургором? Тургорное давление.

9. Дайте характеристику явлениям плазмолиса и плазмопсиса.

10. Назовите основной признак деления микроорганизмов по типам питания. Гетеротрофы и автотрофы. Сапрофиты и паразиты.

11. Питательные среды – необходимость использования при изучении микроорганизмов.

12. Классификация микроорганизмов по отношению к кислороду.

13. Дайте определение ферментам и приведите несколько примеров ферментов.