Метаболизм, или за счет чего живут бактерии

54. Метаболизм бактерий. Хемосинтез. Дыхательный аппарат клетки. Метаболизм бактерий. Хемосинтез. Энергетический обмен микроорганизмов

Метаболизм, или За счет чего живут бактерии

Обратите внимание

Метаболизм –
совокупность разнообразных ферментативных
реакций, происходящих в микробной клетке
и направленных на получение энергии и
превращение простых химических соединений
в более сложные.

Метаболизм обеспечивает
воспроизводство всего клеточного
материала, включая два единых и
одновременно противоположных процесса
– конструктивный и энергетический
обмен.

Метаболизм протекает
в три этапа:

1.

катаболизм –
распад органических веществ на более
простые фрагменты;

2.амфиболизм –
реакции промежуточного обмена, в
результате которых простые вещества
превращаются в ряд органических кислот,
фосфорных эфиров и пр.;

3.анаболизм – этап
синтеза мономеров и полимеров в клетке.

Метаболические
пути формировались в процессе эволюции.

Основным свойством
бактериального метаболизма является
пластичность и высокая интенсивность,
обусловленная малыми размерами
организмов.

К метаболическим
путям у прокариот относятся брожение,
фотосинтез и хемосинтез.

Хемосинтез –
способ питания, при котором источником
энергии для синтеза органических веществ
служат процессы окисления различных
неорганических и неорганических веществ.

Хемосинтез часто сравнивают с дыханием,
у микроорганизмов дыхание может быть
аэробным и анаэробным.

Энергетический
обмен микробов значительно более
разнообразен, чем у высших организмов.
Очень распространены у микроорганизмов
анаэробные превращения веществ по
гликолитическому пути, гексозомонофосфатному
и пути Энтнера-Дудорова.

55. Метаболизм
бактерий. Хемосинтез.
Аэробные и анаэробные бактерии. Полное
и неполное окисление. Анаэробное дыхание.

Обратите внимание

Метаболизм –
совокупность разнообразных ферментативных
реакций, происходящих в микробной клетке
и направленных на получение энергии и
превращение простых химических соединений
в более сложные.

Метаболизм обеспечивает
воспроизводство всего клеточного
материала, включая два единых и
одновременно противоположных процесса
– конструктивный и энергетический
обмен.

Метаболизм протекает
в три этапа:

1.

катаболизм –
распад органических веществ на более
простые фрагменты;

2.амфиболизм –
реакции промежуточного обмена, в
результате которых простые вещества
превращаются в ряд органических кислот,
фосфорных эфиров и пр.;

3.анаболизм – этап
синтеза мономеров и полимеров в клетке.

Метаболические
пути формировались в процессе эволюции.

Основным свойством
бактериального метаболизма является
пластичность и высокая интенсивность,
обусловленная малыми размерами
организмов.

К метаболическим
путям у прокариот относятся брожение,
фотосинтез и хемосинтез.

Хемосинтез –
способ питания, при котором источником
энергии для синтеза органических веществ
служат процессы окисления различных
неорганических и неорганических веществ.

Хемосинтез часто сравнивают с дыханием,
у микроорганизмов дыхание может быть
аэробным и анаэробным.

Анаэробное дыхание
– это энергодающий клеточный процесс,
в котором конечным акцептором электронов
служит окисленное органическое или
неорганическое вещество, отличное от
кислорода.

Анаэробное дыхание
сопряжено с функционированием
электрон-транспортной цепи и является
в эволюции энергетических процессов в
клетках живых организмов переходным
звеном от субстратного фосфорилирования
к аэробному дыханию.

Акцептор электронов Восстановленный продукт Процесс Микроорганизмы, которые осуществляют данный процесс
NO3- NO2- «Нитратное дыхание» – диссимиляционная нитратредукция Бактерии семейства Enterobacteriaceae, рода Bifidobacteriaceae
NO3- NO2- àN2OàN2 «Нитратное дыхание» – денитрификация Pseudomonas, Bacillus
CO2 CH4 «Карбонатное дыхание» – метаногенез Метаногенные археи
CO2 Ацетат «Карбонатное дыхание» – ацетогенез Гомоацетогенные бактерии (Clostridium, Sporomusa, Acetobacterium, Peptostreptococcus, Eubacterium)
Fe3+ Fe2+ «Железное дыхание» Geobacter
2[H+] + фумарат Сукцинат «Фумаратное дыхание» Энтеробактерии, вибрионы и пропионовые бактерии

Большинство
аэробных организмов окисляет питательные
вещества в процессе дыхания до углекислого
газа и воды.

Поскольку в молекуле
СО2 достигается наивысшая степень
окисления углерода, процесс называется
полным окислением.

При неполном
окислении в качестве продуктов обмена
выделяются частично окисленные
органические соединения, такие как
уксусная, фумаровая, лимонная, яблочная,
молочная кислоты.

Субстратом в данном
случае становятся углеводы и органические
спирты.

Важно

Полное окисление
может происходить при использовании
цикла трикарбоновых кислот с участием
дегидрогеназ никотинамиддинуклеотида,
флавинамиддинуклеотида и коэнзима
ацетилирования

Этот метаболический
путь не только приводит к полному
окислению питательных веществ, но играет
значительную роль в биосинтетических
процессах. В результате поступления
протонов на АТФ-регенирирующую систему
дыхательной цепи активируется
АТФ-синтетеза и образуется АТФ для
обеспечения клетки энергией.

В дыхательной
цепи главная роль отводится ферментам
– цитохромам, флавопротеинам и
железосерным белкам.

В процессе дыхания
аэробных микроорганизмов пировино­градная
кислота подвергается полному окислению
до CO2 и H2O, вступая в сложный цикл
превращений (цикл Кребса) с образованием
три- и дикарбоновых кислот, последовательно
окисляющихся (отщепляется Н2) и
декарбоксилирующихся (отщепляется
СО2).

Дыхательная цепь
или электрон-транспортная
система
у
прокариот расположена на цитоплазматической
мембране (у эукариот – во внутренней
мембране митохондрий). Главная функция
этой системы – перекачивание протонов,
поэтому ее часто называют «протонным
насосом».

Через мембрану
протоны транспортируются таким образом,
что между внутренней и внешней сторонами
мембраны создается электрохимический
градиент с положительным потенциалом
снаружи и отрицательным внутри.

Этот
перепад заряда возникает благодаря
определенному расположению компонентов
дыхательной цепи в мембране и служит
движущей силой для процесса регенерации
АТФ (или других процессов, требующих
затрат энергии).

Водород
восстановленного НАД2Н передается на
кофермент (ФАД) флавинового фермента,
который восстанавливается в ФАД2Н.

С
восстановленной флавиновой дегидрогеназы
водород передается на цитохром цитохромной
системы, при этом атом водорода
расщепляется на ион водорода и электрон.

Совет

Цитохром из окисленной формы превращается
в восстановленную. Восстановленный
цитохром передает электроны следующему
цитохрому и т. д.

Цитохромы попеременно
то восстанавливаются, то окисляются,
что связано с изменением валентности
железа, содержа­щегося в их простетической
группе. Последний цитохром передает
электроны цитохромоксидазе, восстанавливая
ее кофермент.

Завершающей реакцией
является окисление восстановленной
цитохромоксидазы молекулой кислорода.
Кислород за счет передачи ему (с
цитохромоксидазы) электронов активируется
и приобретает способность соединяться
с ионами водорода, в результате чего
образуется вода.

На этом и заканчивается
у аэробов полное окисление исходного
органического вещества.

Освобождающаяся
при переносе электронов в дыхательной
цепи энергия затрачивается на синтез
АТФ из АДФ и неорганического фосфата
под воздействием АТФ-синтетазы,
локализующейся на мембране. Такой синтез
АТФ за счет энергии транспорта электронов
через мембрану называется окислительным
фосфорилированием.

В механизме дыхания
особо важны следующие три участка:

*компоненты
дыхательной цепи;

*их
оксилительно-восстановительные
потенциалы;

*их взаиморасположение
в мембране.

Компоненты
дыхательной цепи – это ферментные белки
с относительно прочно связанными
низкомолекулярными простетическими
группами, погруженные в двойной липидный
слой. Важнейшие из них – флавопротеины,
железосерные белки, хиноны и цитохромы.

Флавопротеины –
ферменты, содержащие в качестве
простетических групп ФАД, выполняют
функцию переносчиков водорода.

Железосерные белки
– это оксилительно-восстановительные
системы, переносящие электроны. Они
содержат атомы железа, связанные с серой
цистеина и с неорганической сульфидной
серой.

Обратите внимание

Таким образом, Fe-S-центры являются
простетическими группами белков.
Железосерные белки участвуют также в
процессе азотфиксации.

Некоторые белки
имеют название, связанное с их
происхождением или с функциями:
ферредоксин, путидаредоксин, рубредоксин,
адренодоксин.

Хиноны – липофильные
соединения, локализующиеся в липидной
фазе мембраны, способны переносить
водород и электроны. Обычно содержатся
в мембране в избытке и случат сборщиками
водорода, получая его от коферментов,
передают цитохромам. У грамотрицательных
бактерий содержится убихинон (кофермент
Q), у грамположительных – нафтохиноны,
в хлоропластах растений – пластохиноны.

Цитохромы –
системы, переносящие только электроны,
водород не транспортируют. В качестве
простетической группы цитохром содержит
гем. Центральный атом железа геминового
кольца участвует в переносе электронов,
изменяя свою валентность. Цитохромы
окрашены и различаются по видам а, а3,
в, с, о и т.д.

Оксилительно-восстановительный
потенциал – это количественная мера
способности тех или иных соединений
или элементов отдавать электроны.

Водородный полуэлемент – платинированный
или платиновый электрод, погруженный
в раствор кислоты и обтекаемый газообразным
Н2 при давлении 1,012 бар и рН 0, имеет
потенциал, равный нулю.

Эта величина Е0.

Е` – измеряемый потенциал
окислительно-восстановительной системы,
значение его тем более отрицательно,
чем меньше отношение концентрации
окисленной формы к концентрации
восстановленной формы.

Уникальной
способностью к биолюминесценции обладает
несколько групп бактерий. К светящимся
бактериям относят грамотрицательные
палочковидные морские бактерии,
хемоорганотрофные, галофильные,
психрофильные, факультативно-анаэробные,
свободноживущие или симбиотические,
например Photobacterium rhosphoreum и P. leiognathi, живущие
в светящихся органах у рыб.

Важно

В аэробных условиях
микроорганизмы осуществляют процесс
аэробного дыхания и свечения.

У них имеется
обычная дыхательная цепь и работает
цикл Кребса.

Свечение зависит
от окисления длинноцепочечного альдегида
с 13 – 18 атомами углерода в молекуле.

Светится возбужденный
флавин под действием люциферазы –
двухсубъединичного фермента типа
монооксигеназы.

К свечению способны
бактерии родов Photobacterium, Beneckia, Vibrio,
Photorhabdus.

Источник: https://StudFiles.net/preview/4310829/page:19/

Метаболизм бактерий

Метаболизм (обмен веществ) бактерий представляет собой совокупность двух взаимосвязанных противоположных процессов катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (диссимиляция) – распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) – синтез веществ с затратой энергии.

Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

• его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных;

• процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;

субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк – от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества – загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);

• бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов – это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

экзоферменты – ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (например, протеазы, полисахариды, олигосахаридазы);

эндоферменты – ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (например, ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т. е. для одних – репрессируется, а для других – индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствующего субстрата в среде (например, бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде, называется конститутивными (например, ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации. Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов.

Вопрос 5. Особенности белкового и углеводного обмена у бактерий

Читайте также:  Где мы применяем бактерии и может ли человечество обойтись без них?

Белковый обмен

Белковый обмен у бактерий – это, с одной стороны, – процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем ассимиляции необходимых компонентов из внешней среды, а с другой, – внеклеточное расщепление белков под воздействием различных ферментов. Если расщепление белков происходит в анаэробных условиях, то этот процесс называется гниение, а если он идет в аэробных условиях – тление.

При наличии у бактерий протеаз белки расщепляются ими до промежуточных продуктов распада – пептонов, а при наличии у бактерий пептидаз пептоны расщепляются ими до аминокислот и продуктов их распада (аммиака, сероводорода, индола).

Протеолитические (способность расщеплять белки) и пептолитические (способность расщеплять пептоны) свойства выражены далеко не у всех бактерий, поэтому их изучение в совокупности с другими ферментативными свойствами помогает идентифицировать бактерии.

Углеводный обмен

Углеводный обмен у бактерий также носит двоякий характер – это процесс синтеза и распада углеводов. Расщепление углеводов бактериями (сахаролитические свойства) в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды называется горением, а расщепление ими углеводов в анаэробных условиях – брожением.

В зависимости от характера конечных продуктов разложения углеводов в анаэробных условиях различают брожение:

• спиртовое,

• молочнокислое,

• пропионовокислое,

• муравьинокислое,

• маслянокислое,

• уксуснокислое.

Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует. Большинство бактерий, осуществляющих брожение – облигатные анаэробы. Однако некоторые из них – факультативные анаэробы, способны осуществлять процесс брожения в присутствии кислорода, но без его участия.

Более того, этот кислород подавляет процесс брожения. И оно сменяется горением (дыханием – конечный акцептор водорода – кислород).

Этот эффект был назван эффектом Пастера и является одним из классических примеров смены метаболизма у бактерий в зависимости от условий среды.

Дата добавления: 2016-07-27; просмотров: 3993; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник: https://poznayka.org/s50604t1.html

Метаболизм у микроорганизмов

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА У МИКРООРГАНИЗМОВ

Под метаболизмом (от греч. metabole — изменение, превращение) понимают совокупность биохимических реакций и превращений веществ, происходящих в микробной клетке, направленных на получение энергии и дальнейшее использование ее для синтеза органических веществ.

Термин «метаболизм» объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса — анаболизм и катаболизм. Они присущи всем живым существам и являются основными признаками живого.

Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный, или строительный, обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т. е. к использованию микроорганизмами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов (веществ) собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.

Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенной в них энергии, которая используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки. Этот обмен называется также энергетическим.

В большинстве случаев одно и то же вещество используется как в ассимиляции, так и в диссимиляции. Исключением являются углеводы, которые подвергаются расщеплению и не принимают участия в конструктивном обмене.

Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Так, при благоприятных условиях в течение суток одна клетка бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы.

Совет

В обмене веществ принимают участие различные химические вещества. В зависимости от этого различают белковый, углеводный, липидный и водносолевой обмен.

Белковый обмен. Распад белка вначале происходит до пептоноз под действием ферментов экзопротеаз. В дальнейшем пептоны под влиянием эндопротеаз расщепляются до аминокислот, которые поступают в клетку. Здесь аминокислоты могут подвергаться дезаминированию и декарбоксилированию.

В результате дезаминирования образуются аммиак, кетокислоты или оксикислоты, спирт и другие вещества.

Декарбоксилирование аминокислот происходит при развитии гнилостных бактерий с образованием токсичных продуктов «трупных ядов».

При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин, орнитина – путресцин, лизина – кадаверин, тирозина – тирамин.

Некоторые микробы вырабатывают фермент триптофаназу, под влиянием которой аминокислота триптофан распадается с образованием индола. Наличие индолообразования используют при идентификации микроорганизмов.

Наряду с реакциями расщепления белков происходят и процессы их синтеза. Для построения белков бактерии используют аминокислоты.

Бактериальные клетки удовлетворяют свои потребности в аминокислотах двумя путями: одни микроорганизмы получают аминокислоты при расщеплении белка, другие синтезируют их из простых соединений азота.

Обратите внимание

Важным свойством микробов является способность синтезировать незаменимые аминокислоты (метионин, триптофан, лизин). Синтез белка совершается в рибосомах клетки.

Белковый обмен находится в тесной связи с углеводным обменом. Для построения белковых соединений используется пировиноградная кислота, а дикарбоновые кислоты являются активными посредниками в биосинтезе аминокислот.

Углеводный обмен. Углеводы расщепляются под действием ферментов с образованием глюкозы и мальтозы. Под влиянием ферментов мальтазы, сахаразы, лактазы дисахариды, поступившие внутрь клетки бактерии, подвергаются гидролизу и распаду на моносахариды, которые затем ферментируются с разрывом цепи молекул углевода и освобождением значительного количества энергии.

Расщепление микробами углеводов сопровождается образованием органических кислот, которые могут распадаться до конечных продуктов – ССЬ и Н2О.

Синтез углеводов у микроорганизмов происходит фото- и хе-мосинтетически. При фотосинтезе зеленые и пурпурные бактерии, содержащие пигменты типа хлорофилла, синтезируют глюкозу из диоксида углерода, содержащегося в воздухе. При этом для течения ндотермических реакций синтеза необходима энергия света.

Процесс фотосинтеза у бактерий (прокариот) отличается от фотосинтеза у зеленых растений (эукариоты). У растений при фотолизе донором водорода служит вода, в результате чего выделяется молекулярный кислород.

У прокариот, за исключением синезеленых водорослей, донорами водорода являются H2S, Н2, другие минеральные и органические соединения, поэтому в результате реакции фотосинтеза кислород не образуется.

Главным пигментом фотосинтеза у бактерий является бактериохлорофилл, у зеленых растений – хлорофилл, находящийся в хлоропластах, каждый из которых эквивалентен прокариотической клетке.

У бактерий хлоропласта отсутствуют.

Хемосинтез осуществляют микроорганизмы, синтезирующие углеводы из глюкозы, которая предварительно образуется в результате сахаролитических реакций, т. е. расщепления сложных Сахаров. Для хемосинтеза используется химическая энергия, освобождаемая при распаде аденозин трифосфорной кислоты (АТФ), т. е. энергия химических реакций.

Липидный обмен включает процессы гидролиза липидов, всасывания жирных кислот и моноглицеридов, биосинтеза специфических липидов, их расщепления и выделения конечных продуктов распада.

Большинство видов бактерий усваивают липиды в виде глицерина, который служит источником энергии. Микроорганизмы используют его также для синтеза липидов, которые в виде включений являются резервными питательными веществами (питательным материалом).

Важно

Основные процессы липидного обмена осуществляются при помощи липазы и других липолитических ферментов, прочно связанных с клеточной цитоплазмой.

Водно-солевой обмен включает поступление и выделение воды и минеральных солей, а также превращения, происходящие с ними.

Только небольшое число элементов Периодической системы Д.И. Менделеева требуется микроорганизмам в относительно высоких концентрациях – это десять главных биологических элементов (макроэлементы): С, О, Н, N, S, Р, К, Mg, Са, Fe. Основными компонентами органических соединений являются первые четыре элемента – органогены.

Сера требуется для синтеза аминокислот цистеина и метионина и некоторых ферментов. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, тейхоевых кислот, многих нуклеотидов. Остальные четыре элемента – это ионы металлов, используемые в качестве кофакторов ферментов, а также компонентов металлокомплексов.

Кроме перечисленных главных элементов микроорганизмам требуются еще десять микроэлементов: Zn, Mn, Na, CI, Mo, Se, Со, Си, W, Ni, которые участвуют в синтезе ферментов, активизируют их.

Из различных элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, нуклеопротеиды, глюцидолипиднопротеидные комплексы, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРООРГАНИЗМОВ

Для определения потребности микроорганизмов в питательных веществах необходимо знать их химический состав, поскольку он в определенной мере зависит и от питательных веществ, требуемых для роста и размножения микробов.

Клетка микробов состоит из воды и сухих веществ. Вода содержится в основном в цитоплазме клеток. Количество ее для большинства видов бактерий колеблется от 75 до 85 %. В спорах бацилл и клостридий концентрация воды составляет 40-50 %. В молодых клетках количество воды несколько меньше, чем в старых.

Вода в клетке находится в свободном состоянии или связана другими составными частями. Свободная вода служит дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллических веществ, источником водородных и гидроксильных ионов, а также участвует в биохимических реакциях.

Совет

Связанная вода является структурным элементом цитоплазмы и не может быть растворителем. Сухие вещества бактерий (15-20 %) состоят из органической части и минеральных элементов. Органическая часть сухого остатка состоит из белков, углеводов, жиров и других соединений.

Белок находится в основном в цитоплазме, нуклеоиде и цитоплазматической мембране, составляет 50-80 % сухого вещества бактериальной клетки. Различают простые (протеины) и сложные (протеиды) белки.

Протеины расщепляются при гидролизе на отдельные аминокислоты.

Протеиды состоят из простых белков, соединенных с небелковыми (простетическими) группами: с нуклеиновой кислотой (нуклеопротеиды, или ядерные белки), с полисахаридами (глюкопротеиды), с жирами и жироподобными веществами (липопротеиды).

Белки микробной клетки, участвующие в образовании клеточных структур, называют структурными белками. Различают также резервные белки, являющиеся запасными веществами клетки.

Например, липопротеиды могут находиться внутри клетки в виде включений полужидкой консистенции, а на поверхности цитоплазмы они образуют цитоплазматическую мембрану, регулирующую поступление веществ внутрь бактериальной клетки.

Белки входят также в состав ферментов (энзимов).

Углеводы составляют 15-20 % сухого вещества и содержатся в микробных клетках в основном в виде полисахаридов. К ним относят также многоатомные спирты. Углеводы входят в состав капсул, клеточных мембран и цитоплазмы, а также являются запасными веществами в виде включений гликогена и крахмалоподобного вещества – гранулезы.

Жиры и жироподобные вещества (липиды и липоиды) составляют 3-10 % сухого остатка, входят в состав клеточных оболочек и надежно защищают клетку от воздействия внешней среды.

В клеточной стенке возбудителя туберкулеза количество липоидов может достигать 20-40 %, что обусловливает самую высокую устойчивость (среди неспорообразующих бактерий) возбудителя к высоким температурам.

Обратите внимание

Поэтому режимы пастеризации молока считаются эффективными, если они обеспечивают уничтожение возбудителя туберкулеза.

Жир может содержаться в цитоплазме также в виде включений. Бактериальные липиды состоят из свободных жирных кислот (26-28 %), нейтральных жиров (2,5-12,5 %), в состав которых входят эфиры жирных кислот и углеводов, а также восков и фосфолипидов.

Минеральные элементы (зола) составляют 2-14 % сухой бактериальной массы. Среди них в наибольшем количестве содержится фосфор (50 %), калий (25 %), также магний, сера, кальций.

Химический состав микробных клеток в аналогичных условиях является постоянным, однако, он зависит от веществ, которые содержатся в питательной среде, характера обмена и других условий внешней среды.

Читайте также:  Борьба с микробами: как называется уничтожение в окружающей среде патогенных микроорганизмов

Источник: https://baker-group.net/articles/microbiology-of-milk-and-milk-products/818.html

Обмен веществ микроорганизмов

Для понимания сложных процессов обмена веществ микроорганизмов необходимо рассмотреть химический состав микробной клетки и арсенал ферментов, которыми она располагает.

Химический состав микробных клеток.

Химический состав микробных клеток тот же, что и у высших растений. В них содержится 75-85 % воды и 15-25 % сухого вещества от общей массы клетки.

Вода является необходимой составной частью клетки – в ней происходят химические процессы, растворяются минеральные и расщепляются сложные органические вещества – белки, углеводы, жиры.

Белки и нуклеиновые кислоты имеют наиболее важное значение при размножении и росте клеток. Углеводы в значительных количествах содержатся в клетках дрожжей и грибов. Это полисахариды – гликоген, декстрин, глюкоза.

В клетках бактерий углеводов мало.

Жиры и жироподобные вещества (липиды) находятся главным образом в поверхностном слое цитоплазмы. На липиды приходится в среднем 3-7 % сухого вещества клетки (у туберкулезной палочки – 20-40, грибов Эндомицес – 50-60%).

Минеральные вещества содержатся в клетках микроорганизмов в небольших количествах (всего 3-10%), но роль их велика – они влияют на скорость и направление химических реакций. Наиболее важные из них – калий, магний, кальций, железо и др. Содержание в клетках белков, жиров, углеводов и минеральных веществ зависит от вида микроорганизма и условий его существования.

Ферменты микробной клетки.

Ферменты – это сложные органические вещества, катализирующие химические реакции. Клетки вырабатывают (продуцируют) их для осуществления физиологических процессов.

Важно

В клетке может содержаться много ферментов (у гриба Аспергиллус, например, – около 50), благодаря чему одновременно могут происходить различные химические реакции.

Наиболее распространенными ферментами, продуцируемыми микроорганизмами, являются карбогидразы и протеазы.

Карбогидразы – расщепляют крахмал, клетчатку и другие полисахариды при участии воды. Сюда относятся амилазы (расщепляют крахмал до простых углеводов), мальтаза (расщепляет углевод мальтозу), липаза (гидролизует жиры и масла с образованием жирных кислот). Эти ферменты содержит большинство микроорганизмов.

Протеазы катализируют расщепление белков и полипептидов. Эти ферменты продуцируются гнилостными бактериями, плесневыми грибами, актиномицетами.

Каждый фермент обладает специфичностью действия, т. е. может расщеплять лишь определенные соединения. Кроме того, для действия каждого фермента имеются свои кардинальные точки в отношении температуры, рН и других условий.

Метаболизм.

Каждая живая клетка нуждается в постоянном притоке энергии – эту энергию она получает в процессе обмена веществ. Обменом веществ (метаболизмом) называют совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке в процессе ее жизнедеятельности.

Метаболизм осуществляется в двух основных направлениях.

Одно из них – строительный обмен. Он необходим живой клетке для биосинтетической деятельности, т. е. для построения клетки, замены изношенных частей, роста и размножения. Необходимый строительный материал клетка получает в виде пищи, поступающей извне. Питательные вещества проникают в микробную клетку двумя путями.

Первый – это осмос (диффузия) питательных веществ, из внешней среды, где концентрация их выше, чем в клетке. Движущей силой при этом является разность осмотических давлений между клеткой и внешней средой. Второй путь – это активный перенос питательных веществ в клетку с помощью особых ферментов.

Совет

В обоих случаях питательные вещества проникают через клеточную мембрану в цитоплазму клетки. Процесс питания является важнейшей физиологической функцией микробной клетки.

Сущность процесса питания состоит в том, что под действием ферментов клетки высокомолекулярные органические соединения расщепляются до низкомолекулярных: Сахаров, аминокислот, органических кислот, а из них синтезируются вещества самой клетки микроорганизма: цитоплазма, клеточная стенка, нуклеиновые кислоты и др.

Кроме питательных веществ для строительной биосинтетической деятельности клетка нуждается в энергии. Поэтому второй стороной обмена веществ микроорганизмов является энергетический обмен, т. е. обеспечение клетки энергией.

Энергию микроорганизмы получают окислением органических веществ (углеводов, жиров и других энергетических материалов) в процессе дыхания – очень важной физиологической функции. У разных организмов процесс дыхания протекает по-разному в зависимости от их отношения к кислороду.

Так, аэробы используют газообразный кислород и получают энергию путем окисления органических веществ (дыхания). Это возможно благодаря наличию в клетках аэробов определенных ферментов – цитохромов. У анаэробов эти ферменты отсутствуют и процесс получения энергии протекает без участия кислорода.

По отношению к кислороду анаэробы делятся на три группы. Строгие анаэробы (например, маслянокислые бактерии) вообще не могут жить в присутствии кислорода. Они получают энергию сопряженным окислением – восстановлением субстрата (например, процессы брожения).

Факультативные анаэробы (не строгие) в присутствии кислорода используют его для окислительных процессов (для дыхания), а в его отсутствие получают энергию без участия кислорода (дрожжи).

Окислительные процессы анаэробов заключаются в отнятии водорода от окисляемого соединения (дегидрирование). Водород присоединяется к другим веществам (акцепторам водорода). Такой процесс бескислородного дыхания называют брожением. Энергетическим материалом для брожения служат вещества с большим запасом энергии.

Обратите внимание

Таким образом, питательные вещества расходуются клеткой в двух направлениях: для синтеза веществ тела и для обеспечения организма энергией. Процессы питания и дыхания тесно связаны и осуществляются клеткой одновременно. Они обеспечивают все жизненные функции клетки. Образующиеся при этом продукты обмена выделяются из клетки во внешнюю среду. Обмен веществ показан на схеме 1 ниже.

Схема 1. Обмен веществ у микроорганизмов.

По типу питания микробы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы – микроорганизмы, которые синтезируют вещества своего тела из неорганических элементов. Пути для этого синтеза могут быть разными.

Одни микроорганизмы, например пурпурные серобактерии, подобно зеленым растениям, используют фотосинтез, но роль хлорофилла выполняют у них другие вещества. Другие энергию для этих синтетических процессов получают в ходе окислительно-восстановительных реакций.

При этом донорами электронов служат неорганические вещества, а источником углерода – углекислый газ.

Гетеротрофы – это микроорганизмы, которые нуждаются в готовых органических соединениях, используя в качестве источников углерода углеводы, спирты и органические кислоты, а источников азота – белки и продукты их распада. Подавляющее большинство бактерий, дрожжей и плесневых грибов является гетеротрофами.

Разновидностью этого типа питания являются сапрофиты, которые разлагают органические остатки животного и растительного происхождения и используют их для построения веществ своей клетки и для получения энергии. Эти микроорганизмы разлагают органические вещества в почве и воде.

Попадая на пищевые продукты, они вызывают их порчу. Другой разновидностью гетеротрофного типа питания являются паразиты – это микробы, которые используют готовые органические вещества тела хозяина и могут размножаться только в его живых клетках.

Микробы-паразиты вызывают заболевания человека, животных и растений и называются болезнетворными (патогенными).

Источник: http://www.comodity.ru/microbiology/classification/10.html

Обмен веществ у микроорганизмов

ТЕМА: обмен веществ у микроорганизмов.

1.       Химический состав микробной клетки.

2.       Типы питания микроорганизмов.

3.       Ферменты микроорганизмов, их свойства, значение в обмене веществ.

4.       Дыхание микроорганизмов.

5.       Рост и размножение микроорганизмов.

1

Физиологические, обменные процессы тесно связаны с химическим составом микробной клетки. В неё входят химические элементы – органогены: азот, углерод, кислород, водород. Из этих элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.

Составными частями бактериальной клетки являются  в о д а (до 75-80 %) в свободном или связанном виде,  м и н е р а л ь н ы е   в е щ с т в а , в том числе неорганической природы (фосфор, сера, натрий, магний, калий, кальций, железо, хлор и др.), а также м и к р о э л е м е н т ы  (молибден, кобальт, бор, марганец, цинк, медь и др.),  о р г а н и ч е с к и е   в е щ е с т в а  – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, ферменты и другие соединения.

Б е л к и  – жизненно важные вещества бактериальной клетки: простые белки – протеины; сложные белки – протеиды – соединения протеинов с небелковыми группами: с нуклеиновой кислотой (нуклеопротеиды), полисахаридами  (гликопротеиды), жироподобными веществами (липопротеиды); ферменты (энзимы), которые тоже являются белками.

Важно

Нуклеиновые кислоты представлены РНК, которая содержится в цитоплазме бактерий, и ДНК, находящейся в основном в ядре клеток. РНК играет роль в синтезе белка. ДНК отвечает за наследственные функции.

У г л е в о д ы  содержатся в виде в виде полисахаридного комплекса в соединении с белками и липидами в оболочках клетки и слизистом слое.

В жизни бактериальной клетки определённое место занимают также  л и п и д ы  (жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолипиды и др.).

Химический состав микроорганизмов зависит от состава питательной среды, характера обмена и внешних условий.

2

Микроорганизмы осуществляют постоянный обмен веществ с внешней средой.

Для своего  питания они извлекают из внешней среды питательные материалы, синтезируют составные части микробной клетки и получают за счёт превращения веществ необходимую энергию для своей жизнедеятельности.

Питательные вещества  поступают в клетку через её оболочку; ненужные микробу продукты обмена также через оболочку выводят наружу. Механизм этого явления основан на разнице осмотического давления в клетке и вне ее.

Оболочка полупроницаема, – пропускает воду и растворённые в ней питательные вещества. Для проникновения в клетку сложных коллоидных веществ требуется предварительное их расщепление, что осуществляется с помощью ферментов микробной клетки. Синтезированные в теле клетки белки используются как пластический материал.

Разница в концентрации питательных веществ обеспечивает движение воды и растворённых в ней соединений, причём вода движется в сторону более высокой, а соли – в сторону менее высокой их концентрации. Приток воды в микробную клетку вызывает набухание коллоидов цитоплазмы.

Совет

В результате этого она тесно примыкает к оболочке клетки, находится в состоянии напряжения, именуемом тургором бактериальной клетки.

Если изменить осмотическое давление в окружающей среде, например, поместить клетку в гипертонический раствор, то наступит обезвоживание и сморщивание – плазмолиз, в гипотонический раствор – набухание и разрыв – плазмоптиз.

И в том и в другом случае микробная клетка гибнет. Эти свойства, в частности плазмолиз, используют в повседневной практике при  консервировании пищевых продуктов в крепких растворах соли и сахара.

По типу питания микроорганизмы делят на  а у т о т р о ф ы  (литотрофы) и г е  т е р о т р о ф ы (органотрофы).

А у  т о т  р  о ф ы  для своего питания не нуждаются в готовых органических веществах, а создают их из неорганических веществ; в частности, углерод воспринимают непосредственно из диоксида углерода, простые азотистые соединения (аммиак, его соли, соли азотистой кислоты) и воду – из окружающей среды.

Создание сложных органических  веществ в клетках этих бактерий происходит путём хемо – или фотосинтеза. К этой группе микроорганизмов принадлежат нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др. Патогенных для животных микробов в этой группе нет. Явление хемосинтеза у аутотрофных бактерий открыл отечественный микробиолог С.

Н.Виноградский (1856 – 1953).

Читайте также:  Что можно доверить биобактериям?

Г е т е р о т р о ф ы  для своего питания воспринимают углерод только из готовых органических веществ. Гетеротрофы подразделяют на сапрофитов и паразитов. Сапрофиты (метатрофы) используют мёртвые органические субстраты, в основном это гнилостные микробы.

Паразиты (паратрофы) – болезнетрофные микробы, обитающие в живых тканях человека, животных, растений. Резкой грани между аутотрофами и гетеротрофами, а также между сапрофитами и паразитами не существует.

При изменении условий среды меняется обмен веществ, у микробов вырабатываются адаптивные ферменты, и они приспосабливаются к другому типу питания.

Обмен веществ включает в себя два противоположных и в то же время единых процесса:  ассимиляция (конструктивный обмен веществ) и диссимиляция  (энергетический обмен веществ). Осуществляется обмен веществ с помощью ферментов.

Обратите внимание

Б е л к о в ы й  о б м е н  у бактерий протекает в две фазы. Под действием ферментов белковые вещества расщепляются до аминокислот. Синтез белков происходит в рибосомах.

Р  а с щ е п л е н и е   у  г  л е в о д о в   также происходит под влиянием ферментов. Процесс протекает по типу гидролиза или фосфоролиза. Конечные продукты такого распада – вода и углекислота. Расщепление углеводов обуславливает, кислую реакцию (бродильные микробы), расщепление белков – щелочную (гнилостные микробы).

Этот биологический антагонизм широко используется в жизни – бродильные процессы предохраняют от загнивания силос, квашеные овощи, молочнокислые продукты, Углеводы синтезируются путём фотосинтеза, что присуще бактериям, содержащим в цитоплазме пигменты типа хлорофилла, и хемосинтеза, присущего большинству бактерий.

Л и п и д н ы й  о б м е н  в микробной клетке осуществляется с помощью ферментов. Многие бактерии усваивают глицерин, служащий для получения энергии и построения структур клетки.

Большое значение для жизнедеятельности микробов имеет также  м н е р а л ь н ы й     о б м е н.

3

Велика роль в процессах превращения веществ принадлежит ферментам – биологическим катализаторам белковой природы. И не только белковой. Ферменты микробов делят на  э н д о  – и  э к з о ф е р м е н т ы.

Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клетки.

Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где производят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом.

Важно

В 1898 г. ученик Л.Пастера  Эмиль Дюкло предложил ферменты называть по веществу, на которое они действуют с добавлением окончания «аза». Например, фермент, действующий на крахмал, называют амилаза, на жиры – липаза, на белки –  протеиназа.

И до настоящего времени сохранились старые названия ферментов. Так, фермент желудочного сока называют пепсин, фермент поджелудочной железы – трипсин, фермент слюны –  птиалин  и т.д.

С в о й с т в а   ф е  р м е н т о в.

Все процессы, которые протекают в микробной клетке, полностью зависят от активности ферментов. Ферменты растворимы в воде, а также в растворах солей, кислот, щелочей. Они имеют большую молекулярную массу и имеют электрический заряд.

Ферменты – это белковые комплексы, по форме – кристаллы, которые могут выпадать из растворов. Существует две группы ферметов: однокомпонентные, в состав которых входят белок – носитель и так называемая простетическая, или активная, группа. Белковый носитель называется апоферментом, активная группа – коферментом.

По отдельности белковая и простетическая группы не обладают ферментативной активностью и только после соединения они приобретают свойства ферментов.

Специфичность действия – одно из наиболее характерных свойств ферментов. Они способны реагировать только с определёнными химическими соединениями или группой родственных соединений. Например, фермент расщепляет только молочный сахар, уреаза гидролизует мочевину, каталаза разрушает перекись водорода и т.д.

Каталитическая активность проявляется в очень малых количествах.

Один грамм амилазы может разложить 1 т крахмала, 1 г химозина может свернуть 12 т молока, 1 г пепсина способен расщепить 50 кг коагулированного белка, одна молекула каталазы при 40*С в течение секунды разрушает 550 тыс.

молекул перекиси водорода. Таким образом, существует большое несоответствие между количеством фермента и действием, которое он оказывает на вещество.

Ферменты термолабилны. Они легко инактивируются при нагревании. При 50 – 60*С ферменты снижают свою активность, при 80*С происходит инактивация  большинства из них , а при 100*С наступает полное разрушение. Это объясняется, прежде всего, тем, что ферменты имеют белковую природу. Оптимальная температура их действия 30 – 50*С, для ферментов же животного происхождения – 37 – 40*С.

Ферменты действуют при определённом рН. Реакция среды, в которой ферменты проявляют свою активность, разная. Пепсин действует в кислой среде (рН 1,5 – 2,5), трипсин – в слабощелочной (рН 7,8 – 8,7), каталаза и уреаза – в нейтральной (рН 7).

Ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов. Они нетоксичны. Это важное свойство имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Если бы ферменты оказались ядовитыми, невозможно было бы использовать многие продукты ферментации, особенно в пищевой промышленности и медицине.

К л а с с и ф и к а ц и я   ф е р м е н т о в. В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла  необходимость в научно обоснованной их классификации. По классификации, разработанной специальной комиссией Международного биохимического союза (1961), все ферменты объединены в шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы, или синтетазы.

Совет

Ферментативную активность бактерий и грибов широко используют в промышленности для приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот; молочных продуктов (сыр, ацидофилин, кумыс); в виноделии, пивоварении и других отраслях народного хозяйства.

По конечным продуктам расщепления (образование кислот, щелочей, углерода диоксида, сероводорода) можно определить принадлежность микробов к определённой группе. Одни из них ферментируют углеводы с образованием кислоты и газа, другие -–белки с образованием индола, аммиака, сероводорода и т.д.

Знание ферментативных процессов микроорганизмов позволяет определить вид, а следовательно, поставить диагноз, то есть своевременно распознать болезнь.

4

Дыхание – процесс, сопровождающийся выделением энергии, необходимой микробам для синтеза органических соединений.

По типу дыхания микробов делят на а э р о б н ы е  м и к р о б ы  (аэробы), использующие для дыхания молекулярный кислород воздуха (например, возбудитель сибирской язвы), и на  а н а э р о б н ы е  м и к р о б ы (анаэробы), для жизнедеятельности которых необходимая энергия освобождается в процессе расщепления имеющихся в окружающей среде органических субстратов (например, возбудитель ботулизма). Между этими группами существуют промежуточные формы:

м и к р о а э р о ф и л ы – нуждаются в очень ограниченном количестве кислорода (например, возбудитель бруцеллёза крупного рогатого скота), и  ф  а к у л ь т а т и в н ы е  а э р о б ы  – размножаются как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. К ним принадлежит большинство патогенных и сапрофитных бактерий. Значительно влияет на характер дыхания среда обитания микробов. Например, дрожжи могут изменять анаэробный тип дыхания на аэробный.

Процессы дыхания у бактерий представляют собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, протекающих с участием строго специфических ферментных систем и осуществляемых путём переноса электронов от систем с наиболее отрицательным потенциалом к системе с наиболее положительным потенциалом.

5

Под ростом бактериальной клетки понимают увеличение массы протоплазмы, происходящее в результате синтеза клеточного материала в процессе питания. Достигнув индивидуального предела роста и зрелости, клетка начинает размножаться.

Размножение – это способность микроорганизма к увеличению числа особей.

Обратите внимание

Большинство микроорганизмов при благоприятных условиях делятся через каждые 20 – 30 мин.

Скорость размножения бактерий различна и зависит от вида микроорганизмов, возраста культуры, состава питательной среды, температуры и многих других факторов.

Бактерии размножаясь простым поперечным делением  (вегетативное размножение) в различных плоскостях, образуют многообразные сочетания клеток (гроздья, цепочки, парные соединения и др.). Существует бинарное деление бактерий, важным условием которого является репликация (удвоение) ДНК.

При этом в делящейся клетке микроорганизма водородные связи разрываются и образуется одиночная дочерняя спираль ДНК восстанавливает водородные связи и снова создаётся двойная спираль ДНК.

Актиномицеты и грибы размножаются путём спорообразования, дрожжи – почкованием и спорообразованием. У некоторых микроорганизмов наблюдается половое размножение. Однако большинство микроорганизмов размножается бесполым путём.

При размножении микроорганизмов на искусственной питательной среде отмечено несколько стадий (фаз). Первая фаза – лагфаза (фаза задержки), когда бактерии не размножаются, но по мере перестройки и приспособления (в течение  примерно 1-2 ч) начинают размножаться в нарастающем темпе.

Вторая фаза – экспоненциальная (фаза логарифмического роста). Во время этой фазы количество бактерий увеличивается в геометрической прогрессии. Третья фаза – стационарная, когда кривая роста достигает максимума, а затем становится почти параллельной абсциссе.

Четвёртая фаза – период старости, или стадия отмирания бактериальной популяции. На этой стадии клетки не размножаются. Длительность четвёртой фазы у разных видов бактерий неодинакова.

Важно

В этот период отмечаются значительные изменения морфологии, физиологии, биохимической активности и антигенных свойств бактерий.

Вопросы для самоконтроля:  1. Какие вещества входят в состав микробной клетки?

                                                     2. Чем отличаются микробы-сапрофиты от паразитов по

                                                         характеру обмена веществ?

                                                     3. Каковы различия между анаэробами и аэробами?

                                                     4. Какие ферменты микробов вы знаете и каково их пра-

ктическое значение?

Источник: https://studizba.com/lectures/56-veterinariya/860-mikrobiologiya/16053-obmen-veschestv-u-mikroorganizmov.html

Ссылка на основную публикацию