Мир микроорганизмов в природе

Бесполое размножение. Бесполым называется размножение с образованием специализированных структур размножения, образованию которых не предшествует предварительное слияние клеток или объединение ядер. Бесполый цикл у грибов обычно повторяется много раз. Бесполые споры у одних грибов образуются в специальных вместилищах (эндогенно), а у других -- открыто (экзогенно). Бесполые споры, образующиеся в спорангиях, называются спорангиоспорами. Они могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные спорангиоспоры, называемые зооспорами, имеют один или два жгутика. Спорангии образуются на специальных гифах, которые называются спорангиеносцами. Спорангиеносец со спорангием поднимается кверху от субстрата. Такое расположение спорангиев способствует распространению спор потоками воздуха после их высвобождения. Бесполые споры, образующиеся экзогенно, называются конидиями. Они всегда неподвижны, образуются на специальных гифах -- конидиеносцах. Конидии и конидиеносцы очень разнообразны. Например, конидии бывают окрашены во все цвета, варьируют в размерах, бывают круглые, овальные, цининдрические, игловидные, звездчатые и др.; имеют разное число клеток -- от одной до множества. Перегородки в спорах могут располагаться поперечно и продольно, могут иметь придатки . Конидии могут агрегироваться в тесные группы, образуя коремию; располагаться тесным слоем на специальной поверхности из переплетения гиф, образуя ложе; формироваться в специальных вместилищах разнообразной формы и строения -- пикнидах.

Половое размножение. Половому размножению обязательно предшествует слияние специальных клеток и последующее объединение или слияние ядер. Продукт слияния клеток -- зигота, или зигоспора. Конечный результат полового процесса -- образование специальных спор, с помощью которых и осуществляет и дальнейшее размножение особи.

Гаметангии морфологически могут быть различными. Женский гаметангий называется оогоний, или аскогон, мужской -- антеридий. Способы полового процесса у грибов следующие: гаметогамия, гаметангиогамия и соматогамия.

Гаметогамия -- это половой процесс, при котором происходит слияние двух гамет, одна из которых или обе подвижны. Гаметогамия может быть изогамной (слияние морфологически не различающихся гамет), гетерогамной (слияние гамет, различающихся по размерам) или оогамной (оплодотворение крупной яйцеклетки мелкими подвижными сперматозоидами).

Гаметангиогамия -- это способ полового процесса, при котором сливаются две специальные половые структуры -- гаметангии, дифференцированные на гаметы. В результате слияния формируется зигоспора, которая после периода покоя прорастает в спорангии.

Соматогамия встречается у многих высших грибов, у которых не образуется никаких половых структур, а половую функцию ! выполняют соматические клетки, т. е. происходит слияние обычных соматических клеток мицелия В результате слияния происходит образование перемычек (анастомозов) между гифами мицелия. Такой тип полового процесса характерен для базидиомицетов и некоторых сумчатых грибов У базидиомицетов плазмогамия и кариогамия разделены во времени.

На мицелии после полового процесса образуются плодовые тела в недрах которых и возникают споры полового размножения -- аскоспоры и базидиоспоры.

Наиболее совершенный тип плодового тела аскомицетов -- апотеций, форма которого может быть в виде блюдца, чаши или бокала, верхняя сторона которого выстлана гимением, состоящим из сумок. Выброс аскоспор из апотециев происходит активно.

К базидиомицетам относятся шляпочные грибы (белый, подберезовик, сыроежка и др.). На нижней стороне шляпки расположен гименофор в виде трубочек, пластинок, шипов. В трубочках и между пластинками гименофора образуются базидиоспоры.

3.5 Классификация грибов

І. Низшие грибы, или фикомицеты (Phycomycetes). Мицелий неклеточный или с небольшим количеством перегородок, у наиболее примитивных в виде голого комочка протоплазмы -- амёбоида или в виде одной клетки с ризоидами.

II класс. Сумчатые грибы, или аскомицеты (Ascomycetes). Мицелий многоклеточный, гаплоидный, на нём развиваются конидиальные спороношения. Характерно образование сумок с аскоспорами -- основных органов размножения.

III класс. Базидиомицеты (Basidiomycetes). Мицелий многоклеточный, как правило, дикариотический; конидиальные (гаплоидные) стадии редки. Характерно образование базидий, несущих на стеригмах базидиоспоры. Включает подавляющее большинство употребляемых человеком в пищу, а также ядовитых Г. и многих паразитов злаков и др. культурных и диких растений.

IV класс. Несовершенные грибы (Deuteromycetes, или Fungi imperfecti). Мицелий многоклеточный, размножение только бесполое -- конидиями. Полового размножения не имеют (не образуют ни сумок, ни базидий). Один из порядков этих Г. (Mycelia sterilia) характеризуется полным отсутствием каких-либо спор, в том числе и конидий.

Дрожжи. В классификации грибов особое место занимают дрожжи -- одноклеточные грибы, относящиеся к классу аскомицетов (Ascomycefes). Клетки дрожжей неподвижны, иногда образуют так называемый ложный мицелий. Дрожжи широко распространены в природе (в почве, на поверхности растений, плодов, ягод и овощей, в самых разных субстратах, содержащих сахар) и используются человеком с древнейших времен в пищевой промышленности, виноделии, пивоварении, хлебопечении и других производствах, связанных с брожением, т. е. с превращением сахара в этиловый спирт и диоксид углерода под влиянием жизнедеятельности дрожжей. Однако спонтанное развитие дрожжей в пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывает их порчу: продукт вспучивается, разрыхляется, происходит изменение его запаха и вкуса.

Форма и строение дрожжевой клетки. Клетки дрожжей имеют самую разнообразную форму: округлую, овальную, овально-яйцевидную, эллиптическую, цилиндрическую, лимоновидную, серповидную, колбовидную. Длина дрожжевой клетки не превышает 10...15 мкм. Дрожжи являются эукариотами, строение клетки дрожжей сходно со строением клетки грибов. В состав клеточной стенки дрожжей входят гемицеллюлозы (60...70% сухой массы), небольшие количества белка, липидов и хитин. В цитоплазме клетки дрожжей расположены ядро с ядерной мембраной, эндоплазматическая есть, аппарат Гольджи, лизосомы, рибосомы, митохондрии и вакуоли с запасными питательными веществами, которые могут быть капельками жира, волютина, гликогена.

При развитии на жидких средах клеточные стенки некоторых дрожжей могут ослизняться и склеиваться друг с другом, образуя оседающие на дно хлопья. Такие дрожжи называют хлопьевидными. Дрожжи, клеточные стенки которых не ослизняются, называются пылевидными. Пылевидные дрожжи в жидкости находятся во взвешенном состоянии.

Размножение дрожжей Дрожжи размножаются как вегетативным, так и половым способом. Наиболее широко распространенным способом вегетативного размножения является почкование; некоторые виды дрожжей размножаются бинарным делением клетки. При почковании на поверхности дрожжевой клетки появляется бугорок (почка), который постепенно увеличивается в размерах до материнской клетки. Перед почкованием происходит деление ядра клетки, одна часть которого вместе с цитоплазмой и клеточными микроструктурами переходит в молодую почку. По мере роста почки в месте соединения ее с материнской клеткой образуется перетяжка, отграничивающая почку, которая и отделяется, оставив на материнской клетке шрам. Почкующиеся дрожжевые клетки могут образовывать не одну, а несколько почек, которые тоже могут начать образование почек. Постепенно образуются скопления из многих объединенных между собой клеток, которые называют сростками почкования. На поверхности жидких сред такие сростки почкования образуют тонкую пленку, легко разрушающуюся при взбалтывании жидкости. Есть дрожжи, образующие более или менее толстые морщинистые пленки, удерживающиеся при взбалтывании жидкости. Такие пленчатые дрожжи вызывают порчу квашеных овощей, вина, пива.

Аскоспоры -- споры полового размножения -- образуются в голом аске, развившемся из зиготы или из одной вегетативной клетки. Гаплоидные почкующиеся клетки дрожжей могут сливаться (копулировать), при этом сливаются ядра, а потом они редукционно делятся и образуются четыре аскоспоры. У некоторых видов дрожжей число аскоспор может быть две, четыре, восемь и даже двенадцать. Диплоидные клетки дрожжей крупнее и физиологически активнее гаплоидных. В промышленности используют преимущественно диплоидные и полиплоидные расы. Есть и аспорогенные (не образующие спор) дрожжи, большинство которых размножается исключительно почкованием: Torulopsis, Cryptococcus и др.

Как было сказано выше, дрожжи относятся к сумчатым грибам -- аскомицетам. Однако в 70-е годы XX в. у некоторых дрожжей, которые считались «несовершенными» (род Rhodotorula), были обнаружены жизненные циклы с половыми стадиями, очень сход ными с таковыми у базидиомицетов. В связи с этим одни дрожжи были отнесены к базидиомицетам (Rhodotorula), а другие -- к аскомицетам (Candida).

Таким образом, дрожжи -- это аско- и базидиомицеты, которые в вегетативной стадии размножаются почкованием или делением (что приводит к их одноклеточному росту) и не образуют плодовых тел.

Основные представители дрожжей. Систематическое деление дрожжей на семейства, роды и виды основано на особенностях их размножения, физиологических, биохимических, морфологических и генетических признаков. Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет род сохаромицес (Saccharomyces). В этот род входят как природные виды, так и виды, полученные путем селекции. Их называют расами дрожжей. Они различаются способностью сбраживать разные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальной температурой брожения, образованием спор и др.

В пищевой промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: Sacch. cerevisiae и Sacch. elhpsoideus, или Sacch. vini.

Сахаромицес церевизиа (Sacch. cerevisiae) имеют круглую или овальную форму клетки. Их используют для получения этилового спирта, а также в пивоварении, квасоварении, хлебопечении. Каждое производство использует свои специфические расы дрожжей, дающие возможность получить конечный продукт с заданными свойствами.

Сахаромицес еллипсоидеус (Sacch. elhpsoideus, или Sacch. vini) имеет клетки эллиптической формы. Этот вид дрожжей используемся преимущественно в виноделии.

Каждая марка вина производится с использованием специфической расы дрожжей.

Все виды дрожжей рода сахаромицес и некоторые природные дрожжи при спонтанном (самопроизвольном) развитии на пищевых продуктах, содержащих сахар, иызывают их порчу: брожение и прокисание.

Из других родов дрожжей наибольшее значение имеют два: торулопсис (Torulopsis) и кандида (Candida), которые широко распространены в природе, и способны вызвать спиртовое но вызывают порчу пищевых продуктов, а дрожжи рода кандида имеют к тому же патогенные формы, вызывающие кандидозы слизистой оболочки полости рта, особенно часто у детей. Дрожжи рода торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Эти дрожжи вызывают лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды этих дрожжей используют при производстве кумыса и кефира.

Дрожжи рода кандида имеют клетки вытянутой, цилиндрической формы, иногда образуют примитивный мицелий. Есть виды, например С. mycoderma, которые могут окислять сахар и этиловый спирт в органические кислоты и являются вредителями при производстве вин, пива, пекарских дрожжей.

Они вызывают также порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов. Некоторые виды дрожжей рода кандида использовались в животноводстве и птицеводстве для производства кормового белка, богатого витаминами. Для этих же целей использовались пигментные (желтые, красные, розовые) дрожжи из рода родоторула (Rhodotoruld), богатые каротиноидами.

Производство пекарских дрожжей. Пекарские прессованные и сухие дрожжи изготовляют на специализированных дрожжевых заводах. Питательной средой для их выращивания служит осветленная, очищенная и разбавленная водой свекловичная меласса -- отход свеклосахарного производства. Дополнительно добавляют азот- и фосфорсодержащие соли. Температура выращивания поддерживается около 30°С, рН среды 4,5...5,5. Дрожжи растут при интенсивной аэрации, непрерывной подаче воздуха. Дрожжи содержатт, сахар используется ими не для брожения, а для синтеза веществ клеток, которые активно размножаются. Когда образуетмаксимальное число клеток на объем среды, их сливают, отделяют от среды, промывают водой, сгущают, прессуют до содержания влаги 73... 75 %. Дрожжевую массу формуют в виде брикетов содержанием дрожжевых клеток 8... 12 млрд в 1 г. Брикеты упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4°С. В таком видеони поступают на реализацию.

Главным недостатком прессованных дрожжей является непродолжительный срок годности, так как дрожжи быстро автолизируются и портятся. После Второй мировой войны стали производить сухие дрожжи с содержанием влаги 8... 10 %. Это были сферические гранулы около 1 мкм в диаметре. Дрожжевая масса высушивалась в течение 10...20 ч в горизонтальном сушильном аппарате. Главным недостатком этих дрожжей была потеря значительной части активности в процессе сушки из-за неблагоприятного режима сушки.

В начале 70-х годов XX в. появилось второе поколение сухих дрожжей -- инстантные дрожжи. Технология их приготовления заключалась в использовании специального метода быстрой сушки без повреждения клеточной мембраны и консервации дрожжей вакуумом. Сушка производилась в горячем воздушном потоке, конечная влажность продукта составляла 4%, продолжительность сушки -- 20 мин.

В середине 90-х годов XX в. появилось третье поколение сухих дрожжей, объединившее достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специальных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи получили название «Фермипан Супер». Дрожжи третьего поколения позволяют улучшать качество хлеба и активно противостоять процессу черствления.



4. Вирусы и их значение в жизни человека

4.1 Вирусы. Фаги

Изобретение электронного микроскопа позволило впервые наблюдать мельчайшие организмы - вирусы и фаги. Вирус (лат.- viris - яд) - это особая группа организмов меньших размеров и более простой организации, чем бактерии. Человек встречается с вирусами, прежде всего, как с возбудителями наиболее распространенных болезней, поражающих человека, животных, растения и даже одноклеточные организмы-бактерии, грибы и простейшие. Вирусы поражают все живое на земле.

Первый вирус - вирус мозаики табака - был открыт нашим соотечественником Д.И. Ивановским в 1892 г., и открытие это положило начало вирусологии. Первый вирус, поражающий одноклеточные организмы, был открыт канадским микробиологом Ф. д'Эррелем в 1916 г. и назван бактериофагом, что означает пожиратель бактерий.

Размер некоторых вирусов всего в несколько раз превышает размер крупных белковых молекул. Исчисляется он в нанометрах (1 нм = 1~10^-6 мм). Наиболее мелкими являются вирусы ящура (8-12 нм), вирусы гриппа средних размеров (80-120 нм), одним из наиболее крупных является вирус оспы (120-200 нм). Вирусы различимы лишь с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в десятки тысяч раз.

Вирусы не имеют клеточного строения. Они бывают шарообразной, палочковидной; нитевидной и сперматозоидной формы. Вирусная частица называется вирионом. Она состоит из двух нуклеиновых кислот и белка глобулина. Если она содержит ДНК, то такие вирусы паразитируют у человека и животных. РНК содержится в вирусах растений. Из белка построена одно-двухслойная оболочка, в которой заключена ДНК или РНК.

Важнейшим отличием вирусов от бактерий является неспособность размножаться вне организма. Вирусы являются внутриклеточными паразитами и размножаются только в живых клетках.

Каким же образом размножается вирус, как он синтезирует свои белки, как формируется его потомство? Всю работу по производству молекул для вирусного потомства выполняет сама клетка-хозяин, которая предоставляет вирусу все свои возможности для синтеза вирусных белков и нуклеиновых кислот - сырье, ферменты. Хорошо отлаженный аппарат для синтеза белка, механизмы транспорта. С зараженной клеткой происходит удивительная метаморфоза: она перестает работать по своей информации и узнавать свои собственные молекулы информационной РНК. Вместо этого клеточные рибосомы связывают вирусные информационные РНК и по их программе синтезируют вирусные белки.

Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Многие инактивируются при 60°С в течение 30 мин, другие выдерживают температуру 90°С до 10 мин. Вирусы легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Вирусы бактерий называют бактериофагами или фагами, вирусы грибов - микофагами, актиномицетов - актинофагами.

Размеры фагов колеблются от 40 до 140 км. Проникая в клетки, бактериофаги вызывают их лизис - растворение. Воздействие фага на бактериальную клетку происходит в несколько стадий (см. рис. 1): абсорбция фага на бактериальной клетке с помощью базальной пластинки с зубцами и нитями; проникновение ДНК из головки фага по каналу в бактериальную клетку, в которой затем под влиянием фаговой ДНК происходит полная перестройка обмена веществ, синтезируется уже не бактериальная ДНК, а фаговая, что приводит к образованию в бактериальной клетке новых частиц фага; растворение клеточной стенки бактерии; ее гибель.



Рис. 1

Бактериофаги наносят большой вред в молочной промышленности (производстве сыров, творога, сметаны) и в производстве маргарина. Они поражают в основном молочнокислые стрептококки заквасок, используемых для получения этих продуктов. В антибиотической промышленности актинофаги лизируют производственную культуру актиномицетов продуцентов антибиотиков.

Некоторые фаги применяют в медицинской практике для профилактики или лечения заболеваний (например, дизентерии, холеры). В последнее время фаги служат объектами и "моделями" при изучении многих имеющих теоретическое и практическое значение вопросов общей и молекулярной биологии, биохимии, генетики, медицины и др.

4.2 Культивирование и рост микроорганизмов

Структура клеток микроорганизмов. Функционирование клетки как системы. Механизмы энергетического обмена клетки. Условия роста микроорганизмов. Физиология роста микроорганизмов. Типы питания микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов.

Вода является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции, с водой же удаляются из клетки продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами и входит в клеточные структуры. Остальная вода находится в свободном состоянии и служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и др. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках. Потеря свободной воды приводит к высыханию клетки и изменению обмена веществ. Потеря связанной воды приводит к нарушению клеточных структур и гибели клетки.

Сухая биомасса клетки -- это в основном полимеры.

Белки. Содержание белков в клетке составляет около 50 %. У разных микроорганизмов содержание белков следующее (%): у бактерий 40...80, у дрожжей 40...60, у грибов 15...40. Белки выполняют две основные функции: во-первых, входят в состав всех мембран клетки; во-вторых, играют роль ферментов -- биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой клетке. Среди белков есть и такие, которые убивают жизнь, -- токсины. Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Некоторые микроорганизмы синтезируют большое количество белков в клетке -- до 80 %. Такие микроорганизмы рассматриваются как возможные продуценты кормового и пищевого белка. Промышленное производство таких белков рентабельно, так как микроорганизмы быстро растут независимо от времени года и погоды. В качестве сырья для их роста используются отходы пищевой и других отраслей промышленности. Продуцентами могут быть дрожжи, бактерии и водоросли, особенно цианобактерии.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В клетке содержится от 3 до 4 % ДНК и от 10 до 20 % РНК. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация вида. ДНК сосредоточена в основном в ядре эвкариотной клетки и в нуклеоиде прокариотной клетки. Часть ДНК находится в плазмидах. РНК сосредоточена главным образом в рибосомах (до 80%), синтезирующих белок, и в цитоплазме.

Липиды. В клетке образуется до 10 % липидов. Некоторые дрожжи и плесневые грибы синтезируют до 40... 60 % липидов. Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и в состав мембран. Могут находиться в цитоплазме в виде гранул.

Клеточная стенка. Клеточная стенка обусловливает целостность клетки и составляет до 20 %. Пигменты и минеральные вещества. Клетки микроорганизмов содержат в небольших количествах пигменты и минеральные вещества. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, некоторые из них выделяются в окружающую среду. Фотосинтезирующие бактерии образуют пигмент бактериохлорофилл. Фототрофные микроорганизмы и отдельные виды дрожжей образуют каротиноиды, некоторые из которых являются провитамином витамина А. Микроорганизмы, синтезирующие такие пигменты, являются перспективными продуцентами белково-витаминных кормов.

Минеральные вещества (элементы) составляют не более 5 %. Из них 50 % принадлежит углероду; 20 -- кислороду; 10 -- водороду; 10... 15 -- азоту; 2... 6 % -- фосфору. Другие элементы содержатся в еще меньших количествах: сера -- 1 %; калий -- 1; кальций -- 0,5; магний -- 0,5; железо -- 0,2 % и др. Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Функционирование клетки как системы Клетка может быть рассмотрена как система, состоящая из четырех подсистем: геном клетки с хромосомой, аппаратом репликации (репликсомой) и РНК-полимеразой; рибосома -- аппарат синтеза белка; цитоплазма (цитозоль), которая включает в себя сеть метаболических путей с обслуживающими их ферментами; мембрана с энергодающим аппаратом синтеза АТФ и транспортными системами, осуществляющими взаимодействие клетки с окружающей ее средой.

Геном клетки. Геном клетки представляет собой постоянную для вида компоненту и может быть оценен анализом ДНК. Установлена последовательность оснований ДНК, соответствующих многим отдельным генам. Хромосома содержит: генетическую информацию вида; генетическую информацию для собственной репликации за счет предшественников (азотистых оснований), поступающих из цитоплазмы, и энергии, поступающей от энергодающего мембранного аппарата; информацию для синтеза белка РНК-полимеразным блоком в соответствии с регуляторными сигналами в виде белков -- активаторов и репрессоров, поступающих из цитоплазмы.

Рибосома. Рибосома представляет собой РНК-содержащий аппарат синтеза белка из аминокислот-предшественников, поступающих из цитоплазмы и расходующих энергию, поступающую от энергодающего мембранного материала. Рибосома действует в соответствии с командами, получаемыми через РНК-полимеразу от хромосомы. Рибосома оценивается по суммарному содержанию РНК в клетке. В покоящейся клетке РНК мало, но по мере активизации роста клетки содержание ее увеличивается.

Цитоплазма клетки. Цитоплазма представляет собой прежде всего «котел» метаболических превращений веществ, поступающих извне, с образованием энергетических субстратов для АТФ-продуцирующего блока (энергетический обмен, или катаболизм) и соединений-предшественников для синтеза компонентов клетки (конструктивный обмен, или анаболизм).

Катаболизм и анаболизм в той или иной степени сопряжены, общую их часть называют амфиболизмом, или центральным метаболизмом. Среди процессов центрального метаболизма, которые осуществляют микроорганизмы, первостепенное значение имеет разложение углеводов (глюкозы). Наиболее распространенным является процесс Эмбдена--Мейергофа, или гликолиз, в котором при окислении одной молекулы глюкозы образуются в конечном итоге две молекулы пирувата, две молекулы АТФ и две молекулы восстановителя НАДН. Такой процесс характерен для многих анаэробных органотрофных сахаролитических организмов, осуществляющих брожение углеводов. Гликолиз проходит в несколько этапов. На первом этапе глюкоза в клетке фосфорилируется с участием фермента гексокиназы и АТФ в качестве донора фосфата и переходит в глюкозо-6-фосфат. На втором этапе глюкозо-6-фосфат изомеризуется ферментом фосфоглюкоизомеразой до фруктозо-б-фосфата. На третьем этапе происходит фосфорилирование фруктозо-бфосфата под действием фермента фосфофруктокиназы за счет АТФ и перехода во фруктозе-1,6-дифосфат. На четвертом этапе фруктозо-6-дифосфат расщепляется ферментом альдолазой до диоксиацетонфосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида, которые находятся в равновесии, катализируемом ферментом триозофосфатизомеразой. Дальше диоксиацетонфосфат превращается в глицерин. Дальнейшему расщеплению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. На пятом этапе происходит окисление 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, в которой сохраняется энергия, освободившаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида. На шестом этапе фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты при участии фермента фосфоглицераткиназы переносится на молекулу аденозиндифосфорной кислоты с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты, а АДФ превращается в АТФ. На седьмом этапе 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицеромутазы переходит в 2-фосфоглицериновую кислоту. На восьмом этапе 2-фосфоглицериновая кислота под действием фермента энолазы, теряя воду, переходит в фосфоэнолпируват (фосфопировиноградная кислота). На девятом этапе фосфоэнолпируват под действием фермента пируваткиназы дефосфорилируется, при этом богатая энергией фосфатная группа передается на молекулу АДФ, которая превращается в АТФ, и образуется пируват (пировиноградная кислота).

Большинство углеродных скелетов аминокислот для синтеза белков поставляет ЦТК. Для синтеза 20 аминокислот достаточно всего шесть исходных метаболитов. В результате других процессов центрального метаболизма образуются пурины, пиримидины, липиды, фосфолипиды, углеводы и другие компоненты клетки, составляющие сложную транспортную сеть веществ.

Цитоплазма является местом действия ферментов. В цитоплазме же находятся компоненты сигнальных путей. Изучение цитоплазматического «котла» привело к созданию метаболических карт, представляющих собой сеть транспортных путей, аналогичную сети промышленного производства.

Помимо более или менее сходного для всех микроорганизмов центрального метаболизма (с циклом трикарбоновых кислот и образованием предшественников аминокислот) существует и подготовительный метаболизм, различный у разных организмов и служащий для совмещения разнообразных используемых субстратов с реакциями центрального метаболизма. У некоторых организмов реакции катаболизма и анаболизма представляют собой два отдельных потока. Процесс центрального метаболизма -- существенная часть биохимии микроорганизмов. Метаболизм бактерий является важнейшей характеристикой их функционального разнообразия.

Мембрана с энергодающим аппаратом. Мембрана с энергодающим аппаратом осуществляет электрохимическое преобразование энергии во внутреннюю энергию мембраны и синтез АТФ. В мембране расположен механизм трансмембранного переноса исществ: субстратов -- внутрь клетки, а продуктов обмена -- наружу. Система транспорта определяет сродство клетки к субстратам метаболизма и эффективность осуществляемых ею химических реакций. Об активности энергетического обмена клетки судят по «энергетическому заряду», который соответствует относительному содержанию АТФ и энергизации мембраны. Таким образом, клетка представляет собой систему, все подсистемы которой взаимосвязаны, хотя и индивидуальны.

4.3 Механизмы энергетического обмена клетки

Энергетический обмен клетки направлен на поддержание и умножение веществ, из которых состоит клетка, и удаление из клетки продуктов обмена. При изучении механизмов энергетического обмена необходимо иметь представление об источниках энергии, механизме поступления питательных веществ в клетку, а также о ферментах, с помощью которых происходят реакции обмена.

Источники энергии. Источниками энергии для организмов могут служить энергия света и энергии окислительно-восстановительных реакций (химическая энергия). При этом если энергию света могут использовать только фосинтезирующие микроорганизмы, то способность использо:ватшмическую энергию присуща всем без исключения организмам, особенно многообразны возможности прокариот.

Окислительно-восстановительнъреакции представляют собой перенос электронов от окисляе мо вещества (донора электронов) к окислителю (акцептору).Перенос электронов от донора акцептору осуществляется через ряд последовательно функционрующих переносчиков. Часть переносчиков закреплена в мембрана, а часть находится в цитоплазме и сопрягает эти два комплекса клетки. Набор переносчиков характера для каждого организма. Комплекс переносчиков электронов работает как универсальная структура для всех окисляемых веществ лишь бы в метаболизме была реакция, конечным продуктом которой является АТФ -- важнейший, но не единственный переносчик энергии в клетке.

Первый механизм синтеза АТС- субстратное фосфорилирование, чаще всего за счет перешофосфорильной группы от богатого энергией соединения на -АД1 Этот способ реализуется при гликолизе, разнообразных брожении других процессах. Субстратное фосфорилирование осуществлятся в цитоплазме и может быть воспроизведено в бесклеточных экстрактах.

Второй механизм синтеза АТФ - мембранное фосфорилирование. Он зависит от наличия энерзованной мембраны и связан с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента ионов, чаще всего ионов водорода. Этот механизм реализуется в процессах дыхании окислительного фосфорилирования) и фотосинтеза (фотофо сфилирования). Концентрация АТФ в клетке определяет ее энергетический заряд.

Максимальный энергетически заряд достигается в период интенсивно идущего катаболизма минимального потребления на анаболизм, но в общем поддерживается в клетке примерно постоянным. Поступление питательных веществ в клетку. Поступление питательных веществ (молекул) в клетку из среды и выделение продуктов обмена определяет взаимодействие клетки со средой. За поступление питательных веществ клетку отвечает мембрана которая селективно (избирателе пропускает не все вещества, а только те, которые необходимы данный момент. Некоторые молекулы поступаю клетку путем пассивной диффузии до выравнивания конце нити. Пассивно проходят через мембрану кислород, вода, а так жиры и жирные кислоты.

Пассивная диффузия важна и для удаления из клетки продуктов обмена. Скорость диффузии может быть увеличена за счет механизма облегченной диффузии, в котором участвуют пермеазы -- пересекающие мембрану белки-переносчики. Они связываются с транспортируемым веществом, претерпевают конформационные изменения, в результате чего вещество переносится через мембрану в область его более низкой концентрации. Облегченная диффузия ускоряет процесс выравнивания концентраций, но не может привести к концентрированию вещества внутри клетки. Это может сделать только активный транспорт веществ через мембрану, осуществляемый трансмембранными белками. Трансмембранные белки представляют собой важнейшее приспособление клетки для взаимодействия с окружающей средой. Они осуществляют не только перенос молекул через мембрану, но и активный транспорт, который позволяет избирательно концентрировать внутри клетки необходимые ей вещества против градиента, осуществляя специфическую химическую реакцию. Активный транспорт осуществляется с затратой энергии либо АТФ, либо за счет энергизованной мембраны. От активного транспорта зависит сродство (аффинность) клетки к субстрату, а это важнейший признак, определяющий и набор, и концентрацию используемых веществ. Особо надо отметить, что клетки обладают разными системами транспорта вещества, которые включаются в зависимости от высокой или низкой концентрации субстрата.

Ферменты микроорганизмов. Все реакции обмена веществ в клетке осуществляются с помощью ферментов -- биологических катализаторов, которые клетка сама же и синтезирует по мере надобности.

Ферменты, состоящие только из белковой молекулы (однокомпонентные), называются протеинами. Ферменты, состоящие из белковой молекулы и небелкового компонента (простетической группы), называются протеидами. Ферменты, которые всегда есть в клетках данного вида микроорганизмов, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются только при наличии в среде нового субстрата, называются индуцируемыми, или адаптивными. В живой клетке все процессы происходят упорядочение и строго о согласованно. Ферменты в клетке локализованы в мезосомах, цитоплазматической мембране, на всех других мембранах. Некоторые ферменты выделяются микроорганизмами в среду. Такие ферменты называют экзоферментами. Они осуществляют подгонку веществ для поступления в клетку: расщепляют крахмал, (юлки и другие вещества на более простые, способные пройти через поры клеточной стенки. Ферменты, которые не выделяются при жизни в среду, называются эндоферментами. Эндоферменты участвуют во внутриклеточных процессах обмена веществ. После гибели микробной клетки ее ферменты остаются какое-то время в активном состоянии и могут привести клетку к автолизу (от гр. autos -- сам, lysis -- растворение) -- саморастворению, или самоперевариванию, клетки под влиянием внутриклеточных ферментов. При разрушении клеток ферменты поступают в среду, в которой развивались микроорганизмы. При хранении пищевых продуктов с большим числом клеток микроорганизмов в условиях, исключающих развитие этих микроорганизмов, возможно снижение качества продуктов за счет ферментов автолизированных микробных клеток.

Классификация ферментов. К настоящему времени выделено и изучено около 1000 ферментов в чистом виде. Все они подразделены по правилам номенклатуры ферментов а шесть классов:

1-й класс -- оксидоредуктазы, или окислительно-восстановительные ферменты, которые переносят водород или электроны и катализируют биологическое окисление, осуществляя гидрогенизацию и дегидрогенизацию;

2-й класс -- трансферазы, которые переносят группы атомов с помощью специфических переносчиков, действующих как коферменты. Они играют активную роль в биохимических превращениях и могут переносить метальные, карбоксильные, аминосульфогруппы, формильные (С,) или фосфорильные группы;

3-й класс -- гидролазы, которые катализируют гидролитическое расщепление и в зависимости от типа разрываемой связи называются: мальтаза (расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы); сахараза (расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу); лактаза (расщепляет молочный сахар на галактозу и глюкозу); амилаза (расщепляет крахмал); целлюлаза (расщепляет целлюлозу, или клетчатку, с образованием дисахарида целлобиозы, которая в дальнейшем расщепляется на две молекулы глюкозы; образуется грибами и некоторыми бактериями); пектолитические ферменты (комплекс ферментов, гидролизующих пектиновые вещества). Пектиновые вещества в виде нерастворимого протопектина находятся в растениях в качестве межклеточного вещества и входят в состав клеточных стенок. При участии пектолитических ферментов (протопектиназы, пектинэстеразы, полигалактуроназы) протопектин и растворимый пектин гидролизуются с образованием метилового спирта, галактуроновых кислот, пентоз и гексоз. Пектолитические ферменты синтезируют многие плесневые грибы и некоторые бактерии.

Развитие этих микроорганизмов в растительном пищевом сырье (плодах и овощах) приводит к мацерации (размягчению) тканей сырья; пептидазы, или протеолитические ферменты (катализируют гидролиз белков, пептидов, расщепляя пептидные связи; обладают специфичностью, разрывая пептидные связи между определенными аминокислотами); дезаминазы и амидазы (катализируют гидролитическое расщепление аминокислот и амидов с отщеплением азота в виде аммиака); эстеразы (катализируют реакции расщепления и синтеза сложных эфиров; широко распространены у микроорганизмов; к ним относятся липазы, которые гидролизуют жир, и фосфатазы, расщепляющие эфироподобные фосфорсодержащие органические соединения с освобождением фосфорной кислоты); 4-й класс -- лиазы (отщепляют группы ,СО2, Н2О, NH3 и др. от молекулы субстрата негидролитически). К этому классу относятся: альдолаза -- фермент, который участвует в начальной стадии превращения сахара в процессе дыхания и брожения; декарбоксилазы (катализируют декарбоксилирование, или отщепление, СО2, органических кислот, аминокислот; в последнем случае образуются амины). Микроорганизмы, особенно гнилостные бактерии, богаты декарбоксилазами аминокислот; 5-й класс -- изомеразы, которые катализируют превращения изомеров, включая рацемизацию, цис-транс-изомеризацию, перемещение двойных связей, обмен групп у асимметричного атома углерода, перемещение фосфатной группы к другому атому углерода; 6-й класс -- лигазы (катализируют реакции синтеза сложных органических соединений из более простых; реакции идут с затратой энергии, получаемой из АТФ). К лигазам относятся глутаминсинтетаза и аспарагинсинтетаза. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов. Применение в пищевой и легкой промышленности ферментов, полученных из микроорганизмов, позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повышает выход и улучшает качество готовой продукции.

Получение ферментов из микроорганизмов гораздо дешевле, чем из животного и растительного сырья, так как микроорганизмы: обладают очень богатым набором ферментов. Среди них есть даже такие, каких нет у животных и растений; быстро размножаются и в течение короткого времени дают огромную массу клеток, из которых можно выделить большое количество ферментов. Некоторые ферменты получают из культуральной жидкости (среды); выращивают на дешевых средах, являющихся, как правило, отходам и различных пищевых производств; выращивают в специальных ферментерах, в которых удобно управлять всем процессом. Продуцентами ферментов являются грибы, бактерии, дрожжи. Ферменты получают разной степени очистки. Самые чистые ферменты использvют в медицине, нативные -- в кормопроизводстве.

Аминолитические грибные ферменты применяют в производстве этилового спирта из крахмалсодержащего сырья вместо зернового солода, в мюбопекарной промышленности -- вместо солода при изготовлении заварного ржаного хлеба, добавляют амилазы и в пшеничное тесто. В результате ускоряется процесс изготовления теста: увеличивается объем и пористость хлеба, улучшается его внешний вид, аромат и вкус.

Применение амилаз в пивоварении позволяет частично заменить солод несоложеным (непророщенным) ячменем. Грибная глюкоамилаза дает возможность получать глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала.

Пектолитические ферменты используют в производстве соков и виноделии.Эти ферменты разрушают пектин, что приводит к ускорению выделения сока, увеличению его выхода, улучшению фильтрации и осветлению.

Пептидные ферменты применяют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива. Их же используют в сыроделии вместо части сычужного фермента. Можно использовать пептидные ферменты для размягчения мяса, ускорения созревания мяса.



5. Действие экологических факторов на микроорганизмы

5.1 Физические факторы: влажность среды, температура, лучистая энергия, радиоволны, ультразвук. Влажность среды

Вода оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов. Микробная клетка на 70-80% состоит из воды, все питательные вещества попадают в клетку только в растворенном виде, с водой из клетки удаляются все продукты жизнедеятельности.

Потребности в воде у разных микроорганизмов изменяются в широких пределах. По потребности в воде все микроорганизмы делят на три группы:

- гидрофиты - влаголюбивые;

- мезофиты - средневлаголюбивые;

- ксерофиты - минимально потребляющие влагу.

Для любого продукта важно абсолютное содержание влаги, которое определяется его высушиванием до постоянной массы и выражается в % от общей массы. Вода может находиться в межклеточном пространстве в виде свободной (активной) воды или быть прочно связанной с белком.

Активная вода в пищевом продукте - это часть общей воды, которая не связана с растворенными веществами. Активная вода выражает то количество воды, которое может быть использовано при физических, химических и микробиологических превращениях. Она находится в связи с относительной влажностью воздуха и называется активностью воды. Рост микроорганизмов происходит при значениях активности воды от 1 до 0,16. Оптимальное значение активности воды для бактерий равно 0,98-0,99. В тех же пределах находится активность воды скоропортящихся пищевых продуктов (мяса, рыбы, плодов, овощей).

Перспективным способом продления сроков годности пищевых продуктов является создание в них такой величины активности воды, при которой микроорганизмы не развиваются. Этого можно достичь двумя путями:

При производстве пищевых продуктов в них добавляют вещества, которые способны связать воду продукта, не оказывая влияния на его качество.

Высушить (удалить воду) продукт.

Сухие фрукты содержат много разных микроорганизмов. Среди них могут быть и патогенные. В сухих продуктах так же большое количество спор бактерий и грибов. Увлажнение сухих продуктов во время хранения вызовет развитие микроорганизмов и порчу продуктов.

Для сохранности сухих продуктов большое значение имеет относительная влажность и температура воздуха. Между влажностью воздуха и влажностью продукта устанавливается подвижное равновесие. Величина относительной влажности воздуха при одном и том же содержании в нем влаги изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагоудерживающая способность и наоборот. Поэтому при снижении температуры во время хранения продуктов имеющееся количество водяных паров в воздухе может оказаться избыточным, т.е. выше предела его насыщения. Лишние пары будут оседать в виде капель на поверхности продукта, что приведет к развитию микроорганизмов.

При хранении и транспортировке сухих пищевых продуктов необходимо принимать меры по сохранению их влажности постоянной, чего можно достичь пакуя продукты в специальную тару.

Сублимационная сушка (высушивание продуктов в вакууме в замороженном состоянии) способствует наилучшему сохранению их качества (лучше сохраняются витамины, вкусовые качества). Однако необходимо помнить, что микроорганизмы могут переносить и такое высушивание, даже при многолетнем хранении сублимационно высушенных продуктов.

5.2 Температура

Для каждого микроорганизма существуют три температурные кардинальные точки развития:

Минимум - температура, ниже которой развития микроорганизмов не происходит;

Оптимум - наилучшая температура для развития микроорганизмов;

Максимум - температура, выше которой развитие микроорганизмов не происходит.

По отношению к температуре микроорганизмы делят на три группы:

психрофилы (холодолюбивые) хорошо растут при низких температурах -10°С до 30°С. Эти микроорганизмы живут в почвах полярных зон, северных морях, снегах Арктики и Антарктики, на охлажденных и замороженных продуктах;

термофилы (теплолюбивые) развиваются при относительно высоких температурах - минимум не ниже 30°С, оптимум 55-65°С, максимум около 70-80°С. Термофилы обитают в горячих источниках, гейзерах Камчатки, самонагревающихся скоплениях органики, в продуктах, прошедших тепловую обработку;

мезофиллы (среднетеплолюбивые) развиваются при невысокой температуре: минимум 5-10°С. Оптимум 25-35°С. Среди мезофиллов одни микроорганизмы могут развиваться только при относительно высокой температуре, другие - при относительно низкой. Большинство наиболее распространенных в природе бактерий, грибов и дрожжей, в том числе возбудители порчи пищевых продуктов, относятся к мезофиллам.

Повышенная температура для микроорганизмов более неблагоприятна, чем пониженная. Гибель клеток наступает в зависимости от продолжительности воздействия температуры. Кратковременное превышение максимальной температуры вызывает явление «теплового шока», при котором клетки микроорганизмов могут и не погибнуть. Наиболее термоустойчивы споры бактерий. Которые выдерживают температуру 100°С в течение нескольких часов. С повышением температуры продолжительность ее губительного воздействия на микроорганизмы быстро уменьшается. Нагревание приводит к денатурации белков и нуклеиновых кислот. Высокая термоустойчивость спор обусловлена низким содержанием в них воды и содержанием в них дипиколиновой кислоты и кальция. Дипиколиновая кислота обнаружена только в спорах. На губительном воздействии высоких температур основаны многие приемы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах: кипячение, варка, обжарка, бланширование.

В пищевой промышленности используют два основных способа воздействия высоких температур на микроорганизмы:

Пастеризацию - нагревание продукта при температуре 63-80°С в течение 20-40 мин. Иногда пастеризуют при температуре 90-100°С в течение нескольких секунд. При пастеризации погибают вегетативные клетки микроорганизмов, а термоустойчивые бактерии и споры остаются жизнеспособными. Пастеризованные продукты охлаждают сразу до 10°С и хранят на холоде, чтобы задержать развитие спор и бактериальных клеток. Пастеризуют молоко, пиво, вино, икру, рыбу и т.д.

Стерилизация - полное освобождение пищевого продукта от живых микроорганизмов и спор.

Результатом воздействия различных агентов, применяемых для уничтожения микроорганизмов, выражают через время D₁₀, необходимое для того, чтобы вызвать гибель 90% клеток.

Полная и частичная стерилизация осуществляется при помощи влажного и сухого жара, фильтрации. Облучения.

При использовании влажного жара вегетативные клетки бактерий и грибов гибнут через 5-10 мин при температуре 60°С, для гибели спор дрожжей и грибов необходима температура 120°С в течение 15 мин.

Для достижения температуры выше точки кипения воды пользуются автоклавом, в котором температура насыщенного пара зависит от давления. Продолжительность стерилизации зависит от теплоемкости сосудов, в которых проводится стерилизация.

Можно добиться тех же результатов при дробной стерилизации (тиндализации) в текучем паре при 100°С. При этом продукт стерилизуют при 100°С в течение трех дней подряд по 30 мин ежедневно. В промежутках между нагреваниями продукт хранят в термостате для того, чтобы споры проросли, а при следующем нагревании вегетативные клетки снова уничтожаются.

Уничтожение микроорганизмов жаром основано на коагуляции клеточных белков.

Фильтрацией удобнее всего стерилизовать термолабильные вещества. Для стерилизации используют стеклянные и мембранные фильтры.

Облучение используют для полной или частичной стерилизации. В этом случае применяют ультрафиолетовые, рентгеновские и г-лучи. В лабораторных условиях наибольшее значение имеют ультрафиолетовые лучи, с длиной волны 260 нм, которые поглощаются нуклеиновыми кислотами. При длительном воздействии эти лучи вызывают гибель всех микроорганизмов.

Ультрафиолетовое облучение используется для стерилизации помещений. При этом бактерии погибают очень быстро, а споры грибов значительно медленнее.

Действие на микроорганизмы низкой температуры. Большинство микроорганизмов не может развиваться при температуре ниже 0°С.

Однако, многие микроорганизмы сохраняют при пониженной температуре жизнеспособность неопределенно долго, переходя в состояние анабиоза.

При температуре ниже минимальной многие микроорганизмы погибают. Причин гибели несколько: нарушение обмена веществ; инактивация ферментов; понижение активности воды; повреждение клеток кристалликами льда. Однако, многие микроорганизмы развиваются и при пониженных температурах.

Низкие температуры широко применяются при хранении пищевых продуктов. Используют два способа холодильного хранения: охлаждение и заморозку.

Охлаждение пищевых продуктов осуществляется при температуре от +10до -2°С. В таком виде пищевые продукты лучше сохраняют свои натуральные свойства, но рост микроорганизмов на охлажденных продуктах не исключается, а лишь замедляется. Сроки хранения охлажденных пищевых продуктов непродолжительны, и зависят от температуры хранения и исходного обсеменения продукта микроорганизмами.

Для удлинения сроков хранения пищевых продуктов в охлажденном состоянии применяют дополнительные меры воздействия на микроорганизмы: облучение ультрафиолетовыми лучами, озонирование, повышение содержание в атмосфере углекислого газа, создание анаэробных условий.

Большое значение для хранения пищевых продуктов в охлажденном состоянии имеет относительная влажность воздуха в помещении: кА только она увеличивается, микроорганизмы развиваются быстрее.

Замораживание пищевых продуктов осуществляется при температуре от -12 до -30°С, при этом быстро отмирает значительная часть находящихся на них микроорганизмов. Однако замороженное состояние не освобождает пищевые продукты от микроорганизмов. В холодильниках сохраняется достаточно много психрофилов. Их развитие только замедляется.

Во время размораживания пищевых продуктов, особенно при вытекании сока, микроорганизмы размножаются вновь и вызывают порчу продуктов, поэтому размораживать пищевые продукты нужно непосредственно перед употреблением.



5.3 Лучистая энергия

Излучение разных типов оказывает на микроорганизмы губительное воздействие. Излучение в окружающей среде делят на:

Неионизирующее излучение - максимальное количество находится в солнечной радиации. Существенная опасность солнечного излучения проявляется в появлении мутантных организмов, дефектных в их способности осуществлять восстановительные процессы. В настоящее время ультрафиолетовое излучение широко используется для дезинфекции помещений, тары, оборудования, посуды;

Ионизирующее излучение происходит от внеземных и земных источников. Внеземные источники возникают в космическом пространстве. Они дают начало вторичным космическим лучам, которые действуют на живые организмы. Земные источники излучения могут быть естественными и искусственными. К естественным источникам относятся радиоактивные изотопы различных пород. Некоторые из них поглощаются живыми организмами. Источники искусственного ионизирующего излучения возникают в результате испытаний ядерного оружия, работы атомных станций и т.д. Они, как правило, строго локализированы.

...