Особенности питания и дыхания микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ 3

Особенности питания и дыхания микроорганизмов

План

Химический состав микроорганизмов.

Особенности питания микроорганизмов.

Дыхание и брожение - источники энергии для микробов.

1. Химический состав микроорганизмов

По химическому составу микробы мало, чем отличаются от высших организмов, что указывает на общность их происхождения. Поэтому рассмотрим этот вопрос кратко, уделяя основное внимание только особенностям химического состава.

Бактериальная клетка состоит из воды, органических и минеральных веществ. 75-85% приходится на воду и 15-25% сухой остаток. Вода выполняет те же функции, что и в растительной клетке. 50-80% органических веществ представлено белками. Его количество, как и других веществ находится в зависимости от физиологического состояния и условий существования. Так если среда богата азотом, количество белка возрастает. По аминокислотному составу белки микробов мало отличаются от растительных белков. Однако у микробов встречаются аминокислоты, которых нет у других организмов - L-лизин, D-аланин. Некоторые бактерии не способны сами синтезировать отдельные аминокислоты, поэтому при выращивании этих микробов эти аминокислоты необходимо добавлять в питательную среду. Для микробов с химической природой белков связаны такие свойства как токсичность и антигенность, видовые особенности, окраска по Грамму.

Нуклеиновые кислоты представлены ДНК и РНК. Наряду с известными типами ДНК в мире микробов открыты новые типы РНК: односпиральные замкнутые в виде кольца ДНК, обнаружены двуспиральные РНК.

У некоторых вирусов обнаружены отклонения в составе нуклеиновых кислот: вместо урацила - 5 - оксиметилурацил (аномальное основание), 5 - оксиметилцитозин, дезоксиуриновая кислота.

Углеводы составляют 10-30%: структурные компоненты, запасные вещества, источники энергии, с ними связана вирулентность - способность быть заразными. Такие углеводы как мурамовая кислота, арабофураноза не встречаются у других организмов.

Жиры и жироподобные вещества 3-5%. Их содержание зависит от вида. Так у туберкулезной палочки его количество может достигать 20-40%. Наряду с обычными жирными кислотами встречаются и их модификации. Палочка проказы содержит бегоновую кислоты (С 21Н 43СООН). Липиды у бактерий изучены не достаточно, но они значительно сложнее и многообразнее чем у высших организмов.

Липиды оказывают влияние на проницаемость клеточных стенок, обуславливают токсичность и антигенные свойства болезнетворных микробов (бактерий), защищают их от неблагоприятных условий внешней среды, откладываются в запас, являются источником энергии, определяют кислотоупорность бактерий.

Минеральные вещества: 2-14% от веса сухой клетки. Основными элементами, как и у высших организмов являются: - Р, К, Na, Mg, Fe, Си, S, Si, Сl Микроэлементы: Мn, Ni, Zn, Co. Все элементы выполняют те же функции, что и в растительной клетке.

2. Особенности питания микроорганизмов

Все микроорганизмы по способу питания делят на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы - способны синтезировать органические вещества из неорганических (зеленые бактерии, нитрификаторы, себорактерии). Источником «с» является СО2, N - соли аммония, нитраты, нитриты, NH3.

В зависимости от источника энергии их можно разделить на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие.

Хемосинтетики черпают энергию из окислительных процессов некоторых минеральных соединений. К ним относятся нитрифицирующие бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter - аэробные бактерии.

2NH3 + ЗО2 > 2HNO2 + 2Н2О + 65,5 ккал

2HNO2 + О2 > 2 HNO3 + 20,9 ккал

Этот процесс протекает через ряд промежуточных этапов. Ассимиляция СО2 происходит в основном по циклу Кальвина. Данный процесс был открыт С.Н. Виноградским и назван хемосинтезом (1887). Коэффициент использования энергии 5-10%. Поэтому для синтеза 1 моля углеводов Nitrosomonas окисляет 35 моль NH3.

У других хемоавтотрофов источником энергии для восстановления СО2 служит или окисление закисных соединений Fe до окисных, окисление Тио и тетра соединений до H2SO 4, водорода - до Н2О.

Водородные бактерии являются аэробами, они ведут окисление Н2 до Н2О благодаря наличию фермента дегидрогеназы:

6Н2 + 2О2 + СО2 > (СН2О) + 5 Н2О.

Окисление происходит в ЭТ1Ц (электронтранспортной цепи), компонентами которой являются: НАД (никотинамиддинуклеотид), ФП (флавопротеид), Ц (цитохромы), и возможно хиноны. Энергия окисления запасается в АТФ (аденозинфосфорной кислоте).

Ассимиляций СО2 идет по восстановительному пептозофосфатному пути.

Кроме того, СО2 может акцептироваться на ФЕП (фосфоенолпировиноградной кислоте) с образованием ЩУК (щавелевоуксусная кислота), которая может дать органические и аминокислоты через аспарагиновую и яблочную кислоты.

Водородные бактерии окисляют Н2 в природе, который образуется в результате деятельности других микроорганизмов. Сейчас водородные бактерии используют в практике для получения пищевого и кормового белка, а также для генерации воздуха в замкнутых системах (космические корабли). Водородные бактерии очень быстро накапливают биомассу, а их белки полноценны по аминокислотному составу и хорошо усваиваются животными. Н2 можно получить электролизом из Н2О, а источником N2 и С могут служить органические отходы.

Фотоавтотрофы :

Это вторая группа автотрофов, которая для синтеза органических соединений они используют свет. Способность бактерий к фотосинтезу была доказана в З0-е годы Ван Нилем в опытах с пурпурными и зелеными серобактериями. При бактериальном фотосинтезе не происходит выделение О2 - поэтому его называют фоторедукцией. Этот тип питания присущ семействам: пурпурные бактерии, несерные пурпурные бактерии, зеленые серобактерии. Эти бактерии содержат пигменты - бактриохлорофиллы и каратиноиды. Бактериохлорофиллы бывают разных видов: а, Ь, с, d.

У зеленых серобактерий имеется только первая фотосиитема система, у пурпурных - некоторые авторы отмечают две фотосистемы..

Начальный этап фоторедукции сходен с фотосинтезом высших растений. Однако донором водорода является не Н2О, a H2S, тиосульфит, сульфит

hv

СО2 + 2H2S > (СН2О) + Н2О + 2S

Выделение О2 - не происходит. Если запас H2S исчерпан, бактерии окисляют серу до сульфатов:

hv

ЗСО2 + 2S +5Н2О > 3 (CH2O) + 2H2SO4

Суммарное уравнение:

hv

2СО2+H2S + 2H2О > 2(CH2O)+ H2SO4

Фотовосстановление у пурпурных бактерий может на свету идти за счет молекулярного водорода.

СО2 и Н2 - могут черпаться из органических веществ.

В результате фотохимической реакции образуется АТФ, НАДФ Н2, которые восстанавливают углекислый газ до органических веществ, а сера и сульфаты накапливаются в среде. Акцептор СО2 - РДФ (рибулозодифосфат)и восстановление идет по пептозофосфатному пути, а если акцептором является Ацетил- Ко А (ацетилкоэнзим А) или сукцинил- КоА, то происходит образование ПВК (пировиноградной кислоты) и а-кетоглутаровой кислоты. Эти реакции идут в присутствии восстановленного ферредоксина.

СО2 + А -КоА + Фд Н > ПВК + КоА + Фд

Возможно, этот путь приводит к образованию аминокислот, которые являются преобладающими первичными продуктами. Этот восстановительный цикл карбоновых кислот открыл Эванс (1965). Он обнаружен только у бактерий.

Таким образом, фоторедукция отличается от фотосинтеза:

1. донором Н2;

отсутствием выделения О 2

преобразование СО2 может идти по пути восстановления карбоновых кислот.

Гетеротрофы: микроорганизмы не способные синтезировать, органические вещества. Органические вещества они используют и как источник энергии и как источник пластических веществ. Они широко распространены в почве. В качестве субстратов широко используют сахара, многоатомные спирты, органические кислоты. По данным Лебедева некоторые гетеротрофы способны усваивать СО2 но он не восстанавливается, а используется на процесс карбоксилирования.

Гетеротрофные микроорганизмы разделяют на две подгруппы: сапрофиты и паразиты. Сапрофиты используют мертвые животные и растительные остатки, паразиты живут или в тканях живых организмов или могут развиваться только на средах, содержащих нативный белок (кровь, сыворотка крови).

По отношению к азоту микроорганизмы делят на 2 группы:

1. Аминоавтотрофы - способны синтезировать белок, используя минеральный N; соли аммония, нитраты, нитриты.

2. Аминогетеротрофы: одни нуждаются во всех аминокислотах и не способны синтезировать их в своем теле. Другие нуждаются только в некоторых аминокислотах.

Промежуточное положение занимают прототрофы - способные усваивать минеральный азот, но нуждаются в готовых соединениях углерода. К ним относятся клубеньковые бактерии и свободноживущие азотофиксаторы.

Из других минеральных элементов необходимыми являются: S, Р, К, Fe, Mg, а также микроэлементы. Все они выполняют функции аналогичные растительной клетке.

Для нормального роста и развития микроорганизму нужны ростовые вещества: витамины, гормоны, аминокислоты, азотные основания. Как уже отмечалось аминокислоты многие микроорганизмы синтезируют сами. Другие в них нуждаются.

Некоторые виды микроорганизмов способны накапливать витамины в своем теле (кормовые дрожжи), они используются как продукты для животных. Часть микроорганизмов используются как индикаторы на содержание витаминов. Гормоны являются основными регуляторами роста и развития микроорганизмов. В последнее время появились данные о том, что гормоны микроорганизмов могут оказывать влияние на рост растений (опыты со стерильными культурами).

Обмен веществ у микроорганизмов осуществляется с помощью ферментов. Ферменты микроорганизмов имеют следующие особенности:

обладают высокой активностью

Разнообразием действия

могут выделяться во внешнюю среду (экзоферменты).

В зависимости от условий появления ферменты делят на конститутивные (находятся в клетке постоянно не зависимо от условий: липазы, протеинозы, оксидазы и др.) и адаптивные- появляются только в присутствии соответствующих субстратов (щелочная фосфотаза, пеницилиназа и др.) Синтез адаптивных ферментов происходит из свободных аминокислот или готовых белков, которые являются предшественниками адаптивных ферментов.

3. Дыхание и брожение - источник энергии для микробов

В зависимости от типа питания энергетическая схема жизни микроорганизмов может быть разной.

Для нормального процесса жизнедеятельности микроорганизмы нуждаются в постоянном притоке энергии и веществ. В зависимости от типа питания микроорганизмы либо сами создают органические вещества, а затем его перерабатывают, либо перерабатывают готовые органические вещества. Переработка органических веществ может идти в разных условиях, либо в присутствии О2 - собственно дыхание, либо без О2 - брожение.

Многие микроорганизмы нуждаются в О2 По отношению к О2 все микроорганизмы принято делить на 2 группы - аэробы - жизнь которых невозможна без кислорода, анаэробы - могут быть строгими или облигатными - присуствие О2 в среде угнетает их метаболизм (палочка газовой гангрены); и факультативные - эти микроорганизмы имеют два набора ферментов, т.е. в качестве конечного акцептора электронов они могут использовать или О2 или другие соединения. К ним относятся микроорганизмы, которым кислород необходим на ранних стадиях развития (молочнокислые бактерии).

Дыхание микроорганизмов связано с окислением органических и некоторых минеральных веществ. Окисление может быть прямым и непрямым (путем дегидрирования - отнятием водорода). Суть одна - при переносе электронов по ЭТЦ освобождается энергия, которая используется на синтез АТФ. Последняя используется на все процессы жизнедеятельности микроорганизмов. Промежуточные продукты окисления используются как строительные материалы. Окисление может быть полным (до конечных продуктов) и не полным (до промежуточных).

Пример: окисление спирта уксуснокислыми бактериями

С2Н5ОН + О2 = СНзСООН + Н2О + 116 ккал

С2Н5ОН + 2О2 = 2СО2 + 2Н2О + 326 ккал

Таким образом, разложение органических соединений микроорганизмами происходит за счет процессов дыхания и брожения. Освобожденная при этом энергия используется для их жизнедеятельности. Промежуточные метаболиты используются для синтеза белков, липидов, нуклеиновых кислот и других соединений микробной клетки, необходимых для ее роста и развития.

Особенности питания микроорганизмов.

Для роста и развития микроорганизмов необходим постоянный приток веществ и энергии из окружающей среды. Общие черты обмена веществ микроорганизмов сходы с обменом веществ высших организмов. Однако обмен веществ у микроорганизмов имеет и свои особенности. Важнейшей такой особенностью является широкая метаболическая изменчивость. Именно этот признак, прежде всего, позволяет микроорганизмам адаптироваться к различным условиям среды обитания и занимать обширные экологические ниши.

Микроорганизмы имеют свои особенности и в потреблении питательных веществ:

Потребление питательных веществ идет с большой скоростью, что говорит о высоком уровне обмена веществ и энергии с средой их обитания.

Поступление веществ идет через всю поверхность тела - голофитный способ питания.

3. Микробные клетки поглощают только те вещества, которые находится в растворе. Нерастворимые вещества подвергаются действию ферментов, выделяемых бактериями в среду (экзоферменты), это так называемые внешнее переваривание.

Поступление минеральных солей и воды в микробную клетку происходит теми же путями, что и в растительную (за счет осмоса).

В процессе эволюции микроорганизмов были «апробированы» различные сочетания энергетического и конструктивного метаболизма. Это привело к появлению нескольких типов питания (рис. 1).

Для характеристики типов питания используют в основном одновременно 3 критерия: источник энергии, Н и С. Одновременное использование этих трех критериев позволяет выделить четыре основных типа питания:

Таким образом, определенной группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Однако, среди прокариот встречаются много видов бактерий, которые могут менять тип питания. Например, фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии, зеленые и пурпурные бактериии) от фоталитоавтотрофного (ФЛА) питания могут быть переходить к фотоорганогетеротрофному (ФОГ) типу питания: Род Thiobacillus - от хемолитоавтотрофного (ХЛА) - к хемоорганогетеротрофному (ХОГ). Большинство прокариот имеют хемоорганогетеротрофный тип питания (ХОГ).

Таким образом, высокая степень метаболической изменчивости микроорганизмов обуславливает широкие возможности к адаптации, что позволяет им приспосабливаться к различным условиям среды и занимать практически все экологические ниши на планете Земля.

микроорганизм питание изменчивость дыхание

Литература

1. Физиология бактерий под ред. Веркмана и Вильсона. М., и Л., 1954.

2. Иерусалимский Н.Д. Основы физиологии микробов. Изд-во АН СССР, 1963.

3. Метаболизм бактерий под ред. Гулзалюса и Стениера. М., и Л., 1963.

4. Иерусалимский Н.Д. Азотное и витаминное питание микробов. М., и Л., Изд-во АН СССР, 1959.

5. Гельман и Лукоянов М.А. Дыхательный аппарат бактерий. Изд-во наука, М.,1966.

6. Ван Ниль. Вклад микробов в биологию.

7. Баславская С.С. Фотосинтез. - Московский университет, 1974.

Размещено на Allbest.ru