Механизм питания и дыхания микроорганизмов. Дыхание бактерий

Дыхание микроорганизмов.

Дыхание микроорганизмов представляет собой био­логическое окисление различных органических соединœений и не­которых минœеральных веществ. В итоге окислительно-восстано­вительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное ко­личество выделяется в окружающую среду. Сегодня окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидриро­вание), а восстановление - его присоединœения. Эти термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и элек­тронов или только электронов. При окислении вещества происхо­дит потеря электронов, а при восстановлении - их присоединœение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединœениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединœенияимеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Οʜᴎ локализованы в сложно устроенных структурах микробных клеток - мезосомах, или митохондриях.

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов .

Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединœений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов -углеводы. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделœением большого количества свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + 674 ккал.

Неполное окисление. Не всœе аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара бывают органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелœевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу­ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С 2 Н 5 ОН + О 2 → СН 3 СООН + Н 2 О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо­жет идти и дальше - до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С 2 Н 5 ОН + 3О 2 → 2СО 2 + 3Н 2 О + 326 ккал.

этиловый спирт

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение . При анаэробном дыхании акцепто­ром водорода являются окисленные неорганические соединœения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста­новленные формы. Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекуляр­ного азота. Сульфатное дыхание - восстановление сульфатов до сероводо­рода.

Брожение - расщепление органических углеродсодержащих соединœений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединœения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а образовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок­ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

Спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 27 ккал;

этилов. спирт

Молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 3 Н 6 О 3 + 18 ккал;

молочн. к-та

Маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → С 3 Н 7 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 + 15 ккал;

маслян. к-та

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. По этой причине при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в крайне важно м количестве энергии, микроорганизмам крайне важно потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.

Дыхание микроорганизмов. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дыхание микроорганизмов." 2017, 2018.

Дыхание (биологическое окисление, катаболизм, диссимиляция) – совокупность биохимических процессов, сопровождающихся образованием энергии, крайне важно й для жизнеобеспечения клетки.Приаэробном типе дыхания бактерии используют энергию в результате окисления веществ кислородом воздуха и способны развиваться только при наличии кислорода. При анаэробном типе дыхания микроорганизмы могут развиваться при отсутствии кислорода, получая энергию в результате ферментативного расщепления органических веществ. Существуют также факультативные анаэробы , растущие как при наличии, так и при отсутствии кислорода. Определяют тип дыхания микроорганизмов посœевом культуры бактерий уколом в высокий столбик агара. При этом аэробы вырастают в верхней части среды, факультативные анаэробы – по всœей длинœе укола, анаэробы – в нижней части посœева.

У прокариотов возможны три пути получения энергии, которые различаются по выходу энергии (табл. 4):

1. Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование), в котором принимают участие энергия фотонов, хлорофилл или его аналоги – пигменты. Фотосинтез описан у очень небольшой группы микробов (цианобактерии или синœе-зелёные водоросли), содержащих пигменты, сходные с хлорофиллом.

2. Дыхание (окислительное фосфорилирование) – окислительно-восстановительный процесс переноса взаимодействия субстрата со свободным кислородом и ферментами дыхательной цепи, цепь реакций биологического окисления. Большинство бактерий, называемых скотобактериями, получают энергию путем химических реакций.

Суть окисления состоит в присоединœении кислорода или в отнятии водорода от субстрата͵ благодаря чему происходит расщепление вещества и разрушение химических связей. Энергия этих связей выделяется в окружающую среду и почти на 70% улавливается клеткой в виде биологической энергии, в виде образования высокоэнергетических соединœений, главными из которых у прокариот является АТФ (аденозинтрифосфат), УДФ (уридиндифосфат), ферментные комплексы НАДФ (никотинадениндиноклеотидфосфат) и ФАДФ (флавинаденин-динуклеотидфосфат), пирофосфат и волютин (орто- и метафосфаты).

Одним из базовых путей реализации энергии, содержащейся в фосфорных связях органических соединœений, является фосфорилирование - способность передавать фосфатный остаток другим веществам, что делает эти соединœения нестабильными, приводя к их распаду с выделœением энергии. Все процессы дыхания происходят на ЦПМ прокариот иначинаются с гликолиза, в результате которого образуется пировиноградная кислота (пируват - ПВК), которая является исходным материалом для дальнейших катаболических реакций.

По типу дыхания бактерии делятся на:

· облигатные аэробы (к примеру, нейссерии, синœегнойная палочка)растут только при наличии кислорода;

· облигатные анаэробы могут расти только без кислорода (пептострептококки, вейллонеллы, бактероиды фузобактерии, анаэробоспириллы);

· факультативные аэробы и анаэробы могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него;

· аэротолерантные микробы (к примеру спорообразующие анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). - это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают;

· микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые бациллы полости рта)представляют из себянебольшую группу факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%);

· капнофилы (возбудители бруцеллеза, стрептококки полости рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до 20%).

Тип дыхания бактерий зависит от набора ферментов. От окисляемого субстрата (донора) электрон водорода передается с помощью дегидрогеназы восстанавливаемому веществу (акцептору) - флавопротеину (ФАД) или желтому ферменту, который передает электрон водорода непосредственно кислороду с образованием перекиси водорода или следующему промежуточному передатчику - цитохрому, который, в конечном счете, передает его кислороду с образованием воды или перекиси водорода. Описано 3 типа цитохромов - А, В, С. Бактерии не всœе и не в одинаковой мере содержат всœе три компонента цитохрома. Так, к примеру, строгие аэробы содержат всœе три компонента цитохрома. Οʜᴎ имеют самую длинную дыхательную цепь (дегидрогеназы, флавопротеины, цитохромы). Конечный акцептором электронов является кислород.

Факультативные анаэробы содержат один или два компонента цитохрома, в то время как строгие анаэробы, как правило, не имеют цитохрома С, в связи с этим у них конечным акцептором электронов водорода являются неорганические вещества (нитраты, сульфаты, карбонаты). В аэробных условиях электрон водорода от флавопротеина может непосредственно передаваться кислороду с образованием перекиси водорода, гидроксиланиона, супероксиданиона.

Аэробы и факультативные анаэробы, в отличие от облигатных анаэробов, имеют ферменты, расщепляющие каталазу и пероксидазу, а также мощный фермент - супероксиддисмутазу (СОД) для нейтрализации токсичных радикалов кислорода. У облигатных анаэробов эти ферменты не вырабатываются, в связи с этим накопление токсических для мембран клеток соединœений вызывает их разрыв и неизбежную гибель.

3. Брожение (субстратное фосфорилирование) - разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество.

При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделœением небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий. Учитывая зависимость оттого какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:

· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями, бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную, янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочно-кислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и творога.

· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы, вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции. Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная, уксусная, валериановая кислоты.

· Пропионовокислое брожение также вызывается анаэробами - пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные инфекции), которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения - пропионовая кислота.

· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате спиртового брожения образуется этиловый спирт, что издавна используется в пивоварении и виноделии.

· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в т.ч. - возбудители кишечных инфекций - сальмонеллёза, дизентерии.

При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода выделяется незначительное количество энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения (молочная кислота͵ спирты и др.) сохраняют в себе значительные количества энергии. По этой причине в анаэробных условиях бактериальная культура для получения крайне важно й энергии во много раз больше разлагает пищевого материала, чем в присутствии кислорода. Теплообразование при развитии бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф, мусор) может привести к его самовозгоранию.

Изучение ферментов бактерий имеет большое практическое значение для разработки методов диагностики (идентификации) возбудителœей инфекционных заболеваний по набору ферментов, а также для создания современных биотехнологий получения продуктов питания в т.ч. молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и т.д.

Дыхание бактерий - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дыхание бактерий" 2017, 2018.

Практически все живые организмы на Земле нуждаются в процессе дыхания. Кислород является одним из наиболее распространенных окислителей в дыхательной цепи животных, растений, протистов, многих бактерий. Однако не всем известно, насколько наш организм отличается по сложности строения от маленьких клеток микроорганизмов. Возникает вопрос: как дышат бактерии? Отличается ли их способ получения энергии от нашего?

Все ли бактерии дышат кислородом?

Не все знают, что кислород не всегда является обязательным компонентом в Он играет, прежде всего, роль акцептора электронов, поэтому данный газ хорошо окисляется и взаимодействует с протонами водорода. АТФ - это та причина, по которой все живые организмы дышат. Однако многие виды бактерий обходятся без кислорода, и все равно получают такой заветный источник энергии, как аденозинтрифосфат. Как дышат бактерии такого типа?

Процесс дыхания в нашем организме протекает на протяжении двух стадий. Первая из них - анаэробная - не требует наличия кислорода в клетке, и для нее необходимы только источники углерода и акцепторы протонов водорода. Вторая стадия - аэробная - протекает исключительно в присутствии кислорода и характеризуется большим количеством поэтапных реакций.

У бактерий, которые не усваивают кислород и не используют его для дыхания, протекает только анаэробная стадия. По ее окончанию микроорганизмы также получают АТФ, однако его количество очень сильно отличается от того, которое получаем мы после прохождения сразу двух стадий дыхания. Получается, что не все бактерии дышат кислородом.

АТФ - универсальный источник энергии

Для любого организма важно поддерживать свою жизнедеятельность. Поэтому нужно было в процессе эволюции найти источники энергии, которые при использовании смогут дать достаточно ресурсов для протекания всех необходимых реакций в клетке. Сначала появилось брожение у бактерий: так называется этап гликолиза или анаэробный этап дыхания прокариот. И только потом у более совершенных многоклеточных организмов развились приспособления, благодаря которым, с участием атмосферного кислорода КПД дыхания заметно увеличивалось. Так появился аэробный этап

Как дышат бактерии? 6 класс школьного курса биологии показывает, что для любого организма важно получение определенной доли энергии. В процессе эволюции она стала запасаться в специально синтезированных для этого молекулах, которые называются аденозинтрифосфат.

АТФ представляет собой макроэргическое вещество, основой которого является пентозное углеродное кольцо, азотистое основание (аденозин). От него отходят фосфорные остатки, между которыми и образуются высокоэнергетические связи. При разрушении одной из них высвобождается в среднем около 40 кДж, а одна молекула АТФ способна хранить в себе максимум три фосфорных остатка. Так, если АТФ распадается до АДФ (аденозиддифосфат), то клетка получает 40 кДж энергии в процессе дефосфорилирования. И, наоборот, запасание происходит путем фосфорилирования АДФ до АТФ с затратой энергии.

Гликолиз дает 2 молекулы аденозинтрифосфата, когда аэробный этап дыхания по завершению может снабдить клетку сразу 36 молекулами этого вещества. Поэтому на вопрос «Как дышат бактерии?» ответ можно дать следующий: процесс дыхания для многих прокариот заключается в образовании АТФ без наличия и затраты кислорода.

Как дышат бактерии? Типы дыхания

По отношению к кислороду все прокариоты делятся на несколько групп. Среди них:

1. Облигатные анаэробы.
2. Факультативные анаэробы.
3. Облигатные аэробы.

Первая группа состоит только из тех бактерий, которые не могут жить в условиях доступа кислорода. О2 для них токсичен и ведет к гибели клетки. Примерами таких бактерий могут служить чисто симбиотические прокариоты, которые проживают внутри другого организма в условиях отсутствия кислорода.

Как дышат бактерии третьей группы? Эти прокариоты отличаются тем, что они могут жить только в условиях хорошей аэролизации. Если недостаточно кислорода в воздухе, такие клетки быстро погибают, поскольку для дыхания им жизненно необходим О2.

Чем брожение отличается от кислородного дыхания?

Брожение у бактерий - это тот же самый процесс гликолиза, который у разных видов прокариот может давать различные продукты реакции. Например, приводит к образованию побочного продукта молочной кислоты, спиртовое брожение - этанола и углекислого газа, масляно-кислое - масляной (бутановой) кислоты и т. д.

Кислородное дыхание - это полная цепь процессов, которые начинаются с этапа гликолиза с образованием и заканчиваются выделением СО2, Н2О и энергии. Последние реакции проходят в условиях присутствия кислорода.

Как дышат бактерии? Биология (6 класс) школьного курса микробиологии

В школе нам давали лишь простейшие знания о том, как происходит процесс дыхания прокариот. Митохондрий у этих микроорганизмов нет, однако, есть мезосомы - выпячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Но эти структуры играют не самую ключевую роль в дыхании бактерий.

Поскольку брожение - это разновидность гликолиза, то оно протекает в цитоплазме прокариот. Там же находятся многочисленные ферменты, необходимые для проведения всей цепочки реакций. У всех бактерий без исключения сначала образуются две молекулы пировиноградной кислоты, как у человека. И только потом они превращаются в другие побочные продукты, которые зависят от типа брожения.

Заключение

Мир прокариот, несмотря на видимую простоту клеточной организации, полон сложных и порой необъяснимых моментов. Теперь есть ответ, как дышат бактерии на самом деле, ведь не всем из них необходим кислород. Напротив, большинство приспособилось использовать другой, менее практичный способ получения энергии - брожение.

Микроорганизмам, как и всем живым существам, присущи процессы питания, дыхания, роста и размножения . Однако эти процессы у микробов характеризуются своеобразием и рядом особенностей. Микробы занимают особое место среди других живых существ: они способны использовать в качестве питательных веществ как неорганические, так и разнообразные органические соединения ; могут существовать и размножаться в аэробных и анаэробных условиях; длительно сохраняются во внешней среде с помощью спор ; обладают исключительной приспособляемостью к меняющимся факторам окружающей среды.

Дыхание бактерий

Сущность процесса дыхания бактерий заключается в совокупности биохимических реакций, в ходе которых идет образование АТФ, без которого невозможен процесс метаболизма, протекающего с затратой энергии. АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между процессами, выделяющими энергию, и реакциями, их использующими. При дыхании - процессе биологического окисления бактерий - потребляются те же соединения, что и на построение отдельных структурных компонентов клетки, но в первую очередь - сахара, спирты, органические кислоты, жиры и т. д.

Большая часть бактерий использует в процессе дыхания свободный кислород. Такие микроорганизмы получили название аэробные (от аег - воздух). Аэробный тип дыхания характеризуется тем, что окисление органических соединений происходит при участии кислорода воздуха с освобождением большого количества калорий. Молекулярный кислород выполняет роль акцептора водорода, образующегося при аэробном расщеплении этих соединений.

Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях, которое приводит к выделению большого количества энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 60 2 6С0 2 +6Н 2 0 + 688,5 ккал.

Процесс анаэробного дыхания микробов заключается в том, что бактерии получают энергию при окислительно-восстановительных реакциях, при которых акцептором водорода является не кислород, а неорганические соединения - нитрат или сульфат.

Многие бактерии могут существовать в аэробных и анаэробных условиях. Такие микроорганизмы получили название факультативных (необязательных) анаэробов.

Например, стафилококки, кишечная палочка и другие факультативные анаэробы имеют полный набор дыхательных ферментов, обеспечивающих им существование как в кислородной, так и в бескислородной среде. Факультативные анаэробы обладают так называемым нитратным дыханием , так как образующийся при окислении органических соединений нитрат (акцептор водорода) восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.

Обязательные анаэробы

Облигатные (обязательные) анаэробы могут существовать лишь в строго анаэробных условиях. Среди патогенных - это возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Облигатные анаэробы при окислении органических соединений образуют сульфат, который восстанавливается до сероводорода, поэтому облигатное дыхание называют еще сульфатным.

Для нейтрализации токсичных форм кислорода микроорганизмы, способные существовать в его атмосфере, имеют защитные механизмы. У облигатных аэробов и факультативных анаэробов накоплению закисного радикала О 2 - препятствует фермент супероксиддисмутаза, расщепляющая закисный радикал на перекись водорода и молекулярный кислород. Перекись водорода у этих бактерий разлагается каталазой на воду и молекулярный кислород.

В присутствии кислорода рост облигатных анаэробов прекращается. Это связано с тем, что жизнь в аэробных условиях приводит к тому, что конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода, а поскольку анаэробы не продуцируют фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на анаэробные бактерии.

При выращивании анаэробов в лабораторных условиях используют специальные приборы - анаэростаты, из которых кислород воздуха удаляется или заменяется другим инертным газом. Бескислородные условия можно создать также кипячением среды или химическими веществами, активно поглощающими кислород из пространства, куда помещены чашки и пробирки с посевами.

Образование энергии (АТФ) наблюдается также при процессах брожения , осуществляемых разнообразными микроорганизмами. Особенность брожения заключается в том, что органические соединения одновременно служат как донаторами электронов (при их окислении), так и акцепторами (при их восстановлении). Брожение происходит в отсутствие кислорода, в строго анаэробных условиях. Основными соединениями брожения являются углеводы. В зависимости от участия определенного микроба и от конечных продуктов расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, маслянокислое и другие виды брожения.

Освобождение энергии при анаэробных процессах значительно меньшее, например, при брожении глюкозы дрожжами образуется спирт и всего 31,2 ккал.

Спиртовое брожение встречается, в основном, у дрожжей. Конечными продуктами являются этанол и СО 2 . Сбраживание глюкозы происходит в анаэробных условиях. При доступе кислорода процесс брожения ослабевает, на смену ему приходит дыхание. Подавление спиртового брожения кислородом называется эффектом Пастера . Спиртовое брожение используется в пищевой промышленности: хлебопекарной, виноделии.

Молочнокислое брожение. Различают два типа: гомоферментативное и гетероферментативное.

При гомоферментативном типе расщепление глюкозы происходит гликолитическим распадом (ФДФ-путь) Водород от восстановленного НАД передается на пируват при помощи лактатдегидрогеназы , при этом образуется молочная кислота. Гомоферментативное брожение происходит у S.pyogenes, E.faecalis, S.salivarius у некоторых видов рода Lactobacillus.

Гетероферментативное молочнокислое брожение присутствует у бактерий, у которых отсутствуют ферменты ФДФ-пути: альдолаза и триозофосфатизомераза. Расщепление глюкозы происходит с образованием фосфоглицеринового альдегида (ПФ-путь), который превращается в пируват по ФДФ-пути и в последующем восстанавливается в лактат. Дополнительными продуктами этого типа брожения являются также этанол, уксусная кислота. Гетероферментативное молочнокислое брожение встречается у представителей родов Lactobacillus и Bifidobacterium.

Муравьинокислое (смешанное) брожение встречается у представителей семейств Enterobacteriaceae, Vibrionaceae. В зависимости от продуктов брожения, различают два типа процессов:

Расщепление пирувата с образованием ацетилкофермента А и муравьиной кислоты, которая в свою очередь, может расщепляться на двуокись углерода и молекулярный водород. Другими продуктами брожения, образующимися через цепь реакций, являются этанол, янтарная и молочная кислота. Сильное кислотообразование можно выявить реакцией с индикатором метил-рот, который меняет окраску в сильно кислой среде.

Образуется целый ряд кислот, однако главным продуктом брожения являются ацетоин и 2,3-бутандиол. Ацетоин образуется из двух молекул пирувата с последующим двукратным декарбоксилированием. При последующем восстановлении ацетоина образуется 2,3-бутандиол. Эти вещества при взаимодействии с а-нафтолом в щелочной среде вызывают образование окраски бурого цвета, что выявляется реакцией Фогеса-Проскауэра, используемой при идентификации бактерий.

Маслянокислое брожение. Масляная кислота, бутанол,ацетон,изопропанол и ряд других органических кислот, в часности уксусная, капроновая, валерьяновая, пальмитиновая, являются продуктами сбраживания углеводов сахаролитическими строгими анаэробами.

Аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для получения энергии, но могут существовать в его атмосфере. К этой группе относятся молочно-кислые бактерии, получающие энергию гетероферментативным молочнокислым брожением.

Химический состав микробов

Клетки микробов состоят из воды, белков, углеводов, жиров и минеральных веществ.

Вода является основным по содержанию компонентом бактериальной клетки (до 80-90%). Она находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение и связана с другими компонентами клетки. Свободная вода необходима бактериальной клетке для осуществления биохимических процессов . Она является универсальной дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллоидов. Высушивание - удаление воды из клетки - ведет к замедлению жизненных процессов.

Белки составляют 40-80% сухой массы бактерий, большая часть которых представляет собой сложные белки - нуклеопротеиды, хромопротеиды. Бактерии могут содержать до 2000 различных белков, составляющих структуру клетки и участвующих в метаболических реакциях. Количественное и качественное разнообразие белковых соединений придает бактериям видовую специфичность , определяет отношение к окрашиванию , обеспечивает вирулентность , токсигенность, антигенные и иммуногенные свойства. Большая часть белков выполняет ферментативные функции клетки.

Нуклеиновые кислоты в бактериях выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения: молекула ДНК (нуклеоид) обеспечивает наследственные свойства, рибонуклеиновые кислоты (информационная, транспортная и рибосомальная) выполняют соответствующие функции. На долю последней приходится около 80% всей бактериалыюй РНК .

Углеводы в бактериальной клетке находятся в виде простых веществ (моно- и дисахариды) и комплексных соединений. Полисахариды выполняют пластическую функцию, входя в структуру клетки; играют основную роль в обеспечении энергией процессов клеточного метаболизма. Часть внутриклеточных полисахаридов - крахмал, гликоген и др. - являются запасными питательными веществами.

Липиды являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. В некоторых бактериях они выполняют роль запасных питательных веществ.

Органические вещества бактерий не находятся в клетке в виде отдельных компонентов, а представляют собой сложные соединения с большой молекулярной массой.

Минеральные вещества - фосфор, калий, магний, сера, железо, кальций, йод, цинк, молибден и др. - входят в состав различных клеточных структур бактерий. Они необходимы для регулирования осмотического давления, рН, окислительно-восстановительного потенциала, для активации ферментов. Общее содержание минеральных веществ составляет от 2 до 30% сухой массы бактериальной клетки.

В практических бактериологических лабораториях широко применяют микро- и экспресс-методы для ориентировочного изучения биохимических свойств микроорганизмов. Для этой цели существует множество тест-систем. Наиболее часто используют систему индикаторных бумаг (СИБ). СИБы представляют из себя диски фильтровальной бумаги, пропитанные растворами сахаров или других субстратов в сочетании с индикаторами. Такие диски опускают в пробирку с выросшей в жидкой питательной среде культурой. По изменению цвета диска с субстратом судят о работе фермента. Микро-тест системы для изучения идентификации энтеробактерий представлены одноразовыми пластиковыми контейнерами со средами, содержащими различные субстраты, с добавлением индикаторов. Посев чистой культуры микроорганизмов в такие тест-системы позволяет быстро выявить способность бактерий утилизировать цитраты, глюкозу, сахарозу, выделять аммиак, индол, разлагать мочевину, лизин, фенилаланин и т.д.

Питание бактерий

Своеобразие процесса питания бактерий состоит в том, что

поступление питательных веществ в клетку происходит по всей поверхности, которая очень велика по сравнению с общей величиной бактерии.

Второй особенностью является необыкновенная быстрота метаболических процессов

третьей - высокая адаптация к меняющимся условиям среды.

Типы питания . Разнообразие условий существования микробов обусловливает различные типы питания. Они определяются на основании усвоения двух из четырех необходимых органогенов - углевода и азота. Источником водорода и кислорода служит вода.

По усвоению углерода бактерии можно разделить на два типа:

аутотрофы (литотрофы)

гетеротрофы. (органотрофы)

Аутотрофы (от autos - сам, trophe - пища) способны получать углерод из неорганических соединений и даже из углекислоты. Энергию, необходимую для синтеза органических веществ, аутотрофы получают при окислении минеральных соединений. К аутотрофным бактериям относятся нитрифицирующие (находящиеся в почве), серобактерии (живущие в теплых источниках с содержанием сероводорода), железобактерии (размножающиеся в воде с закисным железом) и др.

По способности усваивать азот бактерии делятся также на две группы:

аминоаутотрофы (аминолитотрофы)

аминогетеротрофы. (аминоорганотрофы)

Аминоаутотрофы используют молекулярный азот воздуха. Бактерии этой группы - азотфиксирующие почвенные и клубеньковые бактерии - единственные живые существа, усваивающие свободный азот, принимают активное участие в круговороте азота в природе.

Аминогетеротрофы получают азот из органических соединений - сложных белков. К аминогетеротрофам относятся все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.

В настоящее время для аутотрофов применяется также название литотрофы, а для гетеротрофов - органотрофы.

По источникам энергии различают

фототрофы - бактерии, для которых источником энергии является солнечный свет,

хемотрофы - бактерии, которые получают энергию за счет химического окисления веществ.

В зависимости от окисляемого субстрата среди хемотрофных организмов выделяют хемолитотрофы и хемоорганотрофы .

Однако далеко не все соединения, которые необходимы бактериям в биологических процессах, клетка может синтезировать сама. При составлении питательных сред необходимо добавлять вещества, получившие название факторов роста. Это различные витамины, аминокислоты (без которых невозможен синтез белка), пиридиновые и пиримидиновые основания (предшественники нуклеиновых кислот) и др.

Микроорганизмы, нуждающиеся в каком-то одном или нескольких факторах роста, называются ауксотрофными в отличие от прототрофных бактерий, которые в данных соединениях не нуждаются и способны сами их синтезировать.

Механизм питания бактерий

Поступление в бактериальную клетку питательных веществ представляет собой сложный физико-химический процесс, которому способствует ряд факторов: разница в концентрации веществ, величина молекул, их растворимость в воде или липидах, рН среды, проницаемость клеточных мембран и т. д. В проникновении питательных веществ в клетку различают четыре возможных механизма.

Наиболее простой способ - пассивная диффузия , при которой поступление вещества в клетку происходит из-за различия градиента концентрации (разницы концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны). Решающее значение имеет величина молекулы. Очевидно, в мембране есть участки, через которые и возможно проникновение веществ небольших размеров. Одним из таких соединений является вода.

Большинство питательных веществ попадает в бактериальную клетку против градиента концентрации, поэтому в таком процессе должны принимать участие ферменты и может расходоваться энергия.

Одним из таких механизмов является облегченная диффузия , которая происходит при большей концентрации вещества вне клетки, чем внутри. Облегченная диффузия - процесс специфический и осуществляется особыми мембранными белками, переносчиками, получившими название п е р м е а з , так как они выполняют функцию ферментов и обладают специфичностью. Они связывают молекулу вещества, переносят в неизмененном виде к внутренней поверхности цитоплазматической мембраны и высвобождают в цитоплазму. Так как перемещение вещества происходит от более высокой концентрации к более низкой, этот процесс протекает без затраты энергии.

Третий возможный механизм транспорта веществ поучил название активного переноса . Этот прессе наблюдается при низких концентрациях субстрата в окружающей среде и перенос растворенных веществ также в неизмененном виде осуществляется против градиента концентрации. В активном переносе веществ участвуют пермеазы . Поскольку концентрация вещества в клетке может в несколько тысяч раз превышать ее во внешней среде, активный перенос обязательно сопровождается затратой энергии . Расходуется аденозинтрифосфат (АТФ), накапливаемый бактериальной клеткой при окислительно-восстановительных процессах.

при четвертом возможном механизме переноса питательных веществ наблюдается транслокация радикалов - активный перенос химически измененных молекул, которые в целом виде не способны проходить через мембрану. В переносе радикалов участвуют пермеазы .

Синтезируемые в бактериальных клетках соединения выходят из них тремя путями:

Фосфотрансферазная реакция. Происходит при фосфорилировании переносимой молекуды.

Контрансляционная секреция. В этом случае синтезируемые молекулы должны иметь особую лидирующую последовательность аминокислот, чтобы прикрепиться к мембране и сформировать канал, через который молекулы белка смогут выйти в окружающую среду. Таким образом выходят из клетки соответствующих бактерий токсины столбняка, дифтерии и др. молекулы.

Почкование мембраны. Молекулы, образующиеся в клетке, окружаются мембранным пузырьком, который отшнуровывается в окружающую среду.

Ферменты бактерий .

В бактериальной клетке происходят многочисленные реакции, как биосинтетические, направленные на синтез соединений, необходимых для организации структуры бактерии, так и производящие энергию, процессы ассимиляции и диссимиляции. Все эти реакции катализируются соответствующими ферментами. Ферменты являются белками и обладают специфичностью при распознавании соответствующего вещества и последующем превращении его. Большая часть ферментов связана с определенными структурами бактериальной клетки. Так, в цитоплазматической мембране находятся окислительно-восстановительные ферменты, которым принадлежит основная роль в дыхании клетки, ферменты, обеспечивающие доставку питательных веществ, и др. Ферменты, связанные с делением клетки, обнаруживаются в мезосомах, клеточной стенке, в месте образования перегородки.

У бактерий по характеру вызываемых ими превращений обнаруживаются следующие основные группы ферментов:

г и д р о л а з ы, вызывающие расщепление протеинов, углеводов, липидов путем присоединения молекул воды;

оксидоредуктазы , катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

трансфера з ы , осуществляющие перенос отдельных атомов, от молекулы к молекуле;

л и а з ы , отщепляющие химические группы негидролитическим путем;

изомеразы , участвующие в углеводном обмене;

л и г а з ы , способствующие биосинтетическим реакциям клетки.

Ферменты бактерий классифицируются на экзоферменты и эндоферменты . Экзоферменты выделяются бактериальной клеткой в окружающую среду для внеклеточного переваривания. Этот процесс осуществляется с помощью гидролаз, которые расщепляют макромолекулы питательных веществ до простых соединений - глюкозы, аминокислот, жирных кислот. Такие соединения могут свободно проходить через оболочку клетки и с помощью пермеаз передаваться в цитоплазму клетки для участия в метаболизме, являясь источниками углерода и энергии. Некоторые экзоферменты выполняют защитную функцию , например, пенициллиназа, выделяемая многими бактериями, делает клетку недосягаемой для антибиотика - пенициллина.

Эндоферменты катализируют метаболические реакции, происходящие внутри клетки.

Ферменты бактерий классифицируются также на конститутивные и индуцибельные . Конститутивными называются такие ферменты, которые синтезируются клеткой независимо от наличия субстрата в среде, индуцибельные ферменты образуются бактериями только при наличии в среде соответствующего индуцирующего соединения, т. е. субстрата данного фермента. Например, в геноме кишечной палочки заложена способность разлагать лактозу, но только при наличии в среде лактозы клеткой синтезируется фермент, катализирующий ее гидролиз.

Известны также ферменты, которые получили название аллостерических. Кроме активного центра у них имеется регуляторный или аллостерический центр, который в молекуле фермента пространственно разделен с активным центром. Аллостерическим (от греч. allos - иной, чужой) он называется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связывание и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигурацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических центров. Вещества, связывающиеся с аллостерическим центром, называют аллостерическими эффекторами. Они влияют через аллостерический центр на функцию активного центра: или облегчают ее, или затрудняют. Соответственно аллостерические эффекторы называются положительными (активаторы) или отрицательными (ингибиторы). Аллостерические ферменты играют важную роль в тонкой регуляции метаболизма бактерий. Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций.

Патогенные бактерии обладают наряду с ферментами обмена также ферментами агрессии , являющимися факторами вирулентности. К таким ферментам относятся

гиалуронидаза,

дезоксирибонуклеаза,

коллагеназа,

н е й р а м и и и д аза, и др.

Гиалуронидаза стрептококков, например, расщепляет гиалуроновую кислоту в мембранах клеток соединительных тканей макроорганизма, что способствует распространению возбудителей и их токсинов в организме, обуславливая высокую инвазивность этих бактерий.

Плазмокоагулаза является главным фактором патогенности стафилококков, так как участвует в превращении протромбина в тромбин, который вызывает образование фибриногена, в результате чего каждая бактерия покрывается пленкой, предохраняющей ее от фагоцитоза.

Ферменты бактерий обладают высокой специфичностью , и именно это свойство широко используется при идентификации и определении видов микроорганизмов. Наибольшее значение имеет определение сахаролитических (ферментация сахаров) и протеолитических (разложение белков) свойств.

Споры

Одной из особенностей микроорганизмов является их способность к спорообразованию. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования (высушивание, недостаток питательных веществ, изменение рН среды и т. д.), причем из одной клетки формируется только одна спора . Таким образом, образование спор не связано с процессом размножения, а является своеобразным приспособлением к переживанию в неблагоприятных условиях. По принятой номенклатуре спорообразующие аэробы носят название бацилл , а спорообразующие анаэробы - клостридии.

Процесс спорообразования проходит ряд стадий , в течение которых в определенном месте клетки цитоплазма, нуклеоид, рибосомы концентрируются, уплотняются, покрываются мембраной, а затем плотной, плохо проницаемой многослойной оболочкой, включающей кальциевые соли дипиколиновой кислоты, обусловливающей термоустойчивость спор . Споры длительное время могут сохраняться в покое, оставаясь жизнеспособными. Так, в почве споры патогенных микроорганизмов (возбудителя сибирской язвы, столбняка и др.) могут сохраняться десятками лет. При попадании в благоприятную среду споры очень быстро прорастают - из 1 споры возникает 1 бактериальная клетка, которая начинает размножаться.

Спорообразование - видовое свойство палочек, а форма и расположение формирующейся споры по отношению к вегетативной части клетки является дифференциально-диагностическим признаком . Форма спор может быть овальной или круглой , расположение центральное (возбудитель сибирской язвы), субтерминальное - ближе к концу палочки (возбудители газовой гангрены, ботулизма) и терминальное - на конце (возбудитель столбняка).

В зрелой споре различимы: центральный, плохо окрашиваемый участок (спороплазма), двухслойная ЦПМ и оболочка споры.

Спороплазма (протопласт споры) включает цитоплазму, бактериальную хромосому, системы белкового синтеза и некоторые другие (например, анаэробного энергообразования).

Оболочка споры двухслойная: пространство между слоями заполняют гликопептидные полимеры, сходные с пептидогликанами, образующие сетчатую структуру (кортекс), проявляющую высокую чувствительность к лизоциму. Внутренний слой (стенка споры) образован пептидогликанами, аналогичными таковым \ вегетирующей клетки. Внешний слой (собственно оболочка) образуют кератиноподобные белковые структуры с низкой проницаемостью.

Дыхание(биологическое окисление) у бактерий тесно связано с питанием и дает энергию для осуществления функций клетки. При этом в ходе биохимических реакций образуется АТФ - универсальный аккумулятор и переносчик химической энергии у живых существ. Различают аэробный и анаэробный типы дыхания. Микробы, окисляющие органические соединения с использованием кислорода воздуха (в качестве акцептора ионов Н+), называют аэробами. В отличие от них, анаэробы получают энергию в ходе окислительно-восстановительных реакций, при которых акцептором Н+ является не кислород, а нитрат или сульфат (в бескислородных условиях). Многие микробы, имея полный набор дыхательных ферментов, могут существовать как в кислородной, так и бескислородной среде - это факультативные (необязательные) анаэробы с нитратным типом дыхания. Облигагные (обязательные) анаэробы существуют лишь в строго анаэробных условиях, т.к. в аэробных условиях образуются токсичные перекиси (Н2О2 и др.), которые не разрушаются из-за отсутствия у облигатных анаэробов фермента каталазы, для них характерен сульфатный тип дыхания. Необходимыми условиями для культивирования микробов являются:

• 1) наличие подходящей по составу питательной среды;
• 2) оптимальной (по содержанию О2 и др.) атмосферы над питательной средой;
• 3) оптимальной температуры.

Выделение чистой культуры анаэробов занимает 4 дня и отличается тем, что исследование ведут в анаэробных условиях на специальных средах и материал предварительно подращивают сутки в среде для накопления анаэробов. Методы культивирования анаэробов основаны на удалении кислорода из питательной среды и из атмосферы (используют механическое и физическое удаление или замещение, химическое или биологическое связывание О2)

• - перед посевом среды регенерируют (кипятят и быстро охлаждают);
• - делают посевы в высокие столбики среды в пробирках;
• - наслаивают поверх питательной среды вазелиновое масло;
• - культивируют в анаэроостате, из которого откачан воздух и замещён инертным газом или бескислородной смесью (азот, водород, углекислый газ);
• - культивируют в эксикаторе, на дно которого помещены химические поглотители кислорода (щелочной раствор пирогаллола и др.);
• - культивируют в герметично закрытой чашке с плотной средой, на две половины которой отдельно засевают анаэробы и аэробы, которые в ходе размножения поглощают кислород (метод Фортнера).