Дыхание микроорганизмов – сопряженный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит перенос электронов и протонов от окисляемого вещества до восстанавливаемого, в результате образуется АТФ – универсальный аккумулятор химической энергии.
Все физиологические процессы – питание, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов – осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа и воды, а отнятый от них пиридиновыми и флавиновыми ферментами электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах. У микроорганизмов, кроме цикла трикарбоновых кислот, может проходить цикл дикарбоновых кислот, пентозофосфатный шунт.
По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на:
1) облигатные (строгие) аэробы ,
2) облигатные анаэробы ,
3) факультативные (необязательные) анаэробы ,
4) микроаэрофилы.
Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis ) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии.
Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением . По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н 2 О 2 ; понижен окислительно-восстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы.
Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии , которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О 2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы , которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО 2 .
Выделяют также капнофильные микроорганизмы . Они представляют собой бактерии, растущие в присутствии повышенных концентраций углекислого газа (3-5%). К ним относятся бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.
Методы культивирования строгих анаэробов :
1) Посев уколом в высокий столбик сахарного агара, который сверху заливается слоем вазелинового масла.
2) Посев на среду Китта-Тароцци (МПБ, глюкоза, кусочки печени или мяса в качестве редуцирующих веществ, сверху среда залита слоем вазелинового масла).
3) Удаление воздуха из среды механическим путем. Используют анаэростаты, из которых выкачивается воздух.
4) Замена воздуха другим индифферентным газом, например азотом, аргоном, водородом.
5) Механическая защита от кислорода воздуха (метод Виньяль-Вейона). Берут стеклянную трубку, один конец которой вытягивают в капилляр, расплавляют агар, в него засевают культуру и затем насасывают агар в стерилизованную трубку, затем капилляр запаивают и трубку помещают в термостат. В среде вырастают колонии, которые можно извлечь, распилив трубку.
6) Химическое поглощение кислорода воздуха, например щелочным раствором пирогаллола.
7) Биологический метод – комбинированный посев культур анаэробов и аэробов. Посев производят на чашку с толстым слоем кровяного агара с глюкозой, разделенную пополам небольшой дорожкой, вырезанной посередине чашки прокаленным скальпелем. На одной половине чашки делают посев культуры аэробов, а на другой – анаэробов. Края чашки смазывают парафином для герметизации и помещают в термостат. Сначала происходит рост аэробов, когда они исчерпывают из чашки кислород, начинается рост анаэробов.
Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О 2), при анаэробном- связанный кислород (-NO 3 , =SO 4 , =SO 3).
Аэробное дыхание донор водородаH 2 O
Анаэробное дыхание
нитратное окислениеNO 3
(факультативные анаэробы) донор водородаN 2
сульфатное окислениеSO 4
(облигатные анаэробы) донор водородаH 2 S
По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.
1.Облигатные (строгие) аэробы . Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.
2.Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO 2 , например до 10- процентной концентрации.
3.Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода - т.е. аэротолерантные, а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.
4.Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.
Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).
В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H 2 O 2 - перекись водорода, -О 2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза . У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH 2 ).
Основные методы создания анаэробных условий для культивирования микроорганизмов.
1.Физический - откачивание воздуха, введение специальной газовой безкислородной смеси (чаще - N 2 - 85%, CO 2 - 10%, H 2 - 5%).
2.Химический - применяют химические поглотители кислорода, используют газрегенирирующие пакеты.
3.Биологический - совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов (аэробы поглощают кислород и создают условия для размножения анаэробов).
4.Смешанный - используют несколько разных подходов.
Необходимо отметить, что создание оптимальных условий для строгих анаэробов- очень сложная задача. Очень непросто обеспечить постоянное поддержание безкислородных условий культивирования, необходимы специальные среды без содержания растворенного кислорода, поддержание необходимого окислительно- восстановительного потенциала питательных сред, взятие и доставка, посев материала в анаэробных условиях.
Существует ряд приемов, обеспечивающих более подходящие условия для анаэробов- предварительное кипячение питательных сред, посев в глубокий столбик агара, заливка сред вазелиновым маслом для сокращения доступа кислорода, использование герметически закрывающихся флаконов и пробирок, шприцев и лабораторной посуды с инертным газом, использование плотно закрывающихся эксикаторов с горящей свечой. Используются специальные приборы для создания анаэробных условий- анаэростаты. Однако в настоящее время наиболее простым и эффективным оборудованием для создания анаэробных и микроаэрофильных условий является система “Газпак” со специальными газорегенерирующими пакетами, действующими по принципу вытеснения атмосферного воздуха газовыми смесями в герметически закрытых емкостях.
В процессе метаболизма выделяют два вида обмена: 1) пластический (конструктивный): анаболизм (с затратами энергии), катаболизм (с выделением энергии); 2) энергетический обмен (протекает в дыхательных мезосомах): дыхание; брожение.
В зависимости от акцепторов протонов и электронов среди бактерий различают аэробы, факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Для аэробов акцептором является кислород. Факультативные анаэробы в кислородных условиях используют процесс дыхания, в бескислородных – брожение. Для облигатных анаэробов характерно только брожение, в кислородных условиях наступает гибель микроорганизмов из-за образования перекисей, идет отравление клетки.
Облигатные аэробы (бруцеллы, легионеллы, псевдомонады, микобактерии, возбудитель сибирской язвы) растут и размножаются только в присутствии кислорода. Используют кислород для получения энергии путем кислородного дыхания. Они подразделяются на: 1) строгие аэробы (менингококки, бордетеллы), которые растут при парциальном давлении атмосферы воздуха; 2) микроаэрофилы (листерии) растут при пониженном парциальном давлении атмосферного возхдуха.
Облигатные анаэробы (бифидобактерии, лактобактерии, клостридии)не используют кислород для получения энергии. Тип метаболизма у них бродильный. Они подразделяются на: 1) строгие анаэробы – микроорганизмы для которых молекулярный кислород токсичен; он либо убивает микроорганизмы, либо ограничивает их рост. Энергию строгие анаэробы получают маслянокислым брожением; 2) аэротолерантные микроорганизмы (молочнокислые бактерии) используют кислород для получения энергии, но могут существовать в его атмосфере. Энергию получают гетероферментативным молочнокислым брожением.
Факультативные анаэробы (пневмококки, энтерококки, энтеробактерии, коринебактерии, франциселлы)способны расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и в отсутствии его. Они обладают смешанным типом метаболизма. Процесс получения энергии у них может происходить кислородным дыханием в присутствии кислорода, а в его отсутствии переключаться на брожение. Различное физиологическое отношение микроорганизмов к кислороду связано с наличием у них ферментных систем, позволяющих существовать в атмосфере кислорода. В окислительных процессах, протекающих в атмосфере кислорода образуются токсические продукты: перекись водорода Н 2 О 2 и закисный радикал кислорода О 2 - . Для нейтрализации токсичных форм кислорода, микроорганизмы, способные существовать в его атмосфере, имеют защитные механизмы.
У облигатных аэробов и факультативных анаэробов накоплению закисного радикала кислорода препятствует фермент супероксиддисмутаза.
У аэротолерантных микроорганизмов накоплению закисного радикала кислорода препятствует высокая концентрация ионов марганца, перекись водорода разрушается ферментом пероксидазой.
У строгих анаэробов наличие фермента супероксиддисмутазы коррелирует с их устойчивостью к кислороду. Для культивирования строгих анаэробов создаются условия, позволяющие удалять атмосферный кислород: использование анаэростатов, добавление в питательные среды редуцирующих кислород веществ, например тиогликолята натрия, использование поглоттелей кислорода.
Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, питания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.
Питание микроорганизмов
Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболочку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нерастворимые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.
По способу питания разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.
Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и воды) органические соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микробы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окислительных реакций (хемосинтез).
Все реакции обмена веществ в микробной клетке происходят при помощи биологических катализаторов - ферментов. Большинство ферментов состоят из белковой части и простетической небелковой группы. В простетическую группу могут входить такие металлы, как железо, медь, кобальт, цинк, а также витамины или их производные. Некоторые ферменты состоят только из простых белков. Ферменты специфичны и действуют только на одно определенное вещество. Поэтому в каждом микроорганизме находится целый комплекс ферментов, причем некоторые ферменты способны выделяться наружу, где участвуют в подготовке к усвоению сложных органических соединений. Ферменты микроорганизмов используются в пищевой и других видах промышленности.
Вода . Микробная клетка на 75-85 % состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные вещества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обмена удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных структур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50 % и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.
Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14 %), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.
— основной пластический материал любой живой клетки, и микробной в том числе. Белки составляют основу цитоплазмы, входят в состав оболочки клетки и некоторые клеточные структуры. Они выполняют очень важную каталитическую функцию, так как входят в состав ферментов, катализирующих реакции обмена в микробной клетке.
В клетке микробов содержатся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК находится в основном в ядре клетки или нуклеотидах, РНК — в цитоплазме и рибосомах, где участвует в синтезе белка.
Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или капелек.
Углеводы входят в состав оболочек, капсул и цитоплазмы. Они представлены в основном сложными углеводами — полисахаридами (крахмал, декстрин, гликоген, клетчатка), могут быть в соединении с белками или липидами. Углеводы могут откладываться в цитоплазме в виде зерен гликогена, как запасного энергетического материала.
(фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходимы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.
Необходимы для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с пищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В 2 или В 12 .
Дыхание микроорганизмов
Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с затратой энергии. Большинство микробов используют энергию химических реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.
Аэробные микроорганизмы (аэробы) используют энергию, выделяемую при окислении органических веществ кислородом воздуха с образованием неорганических веществ, углекислого газа и воды. К аэробам относятся многие бактерии, грибы и некоторые дрожжи. В качестве источника энергии они чаше всего используют углеводы.
Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для дыхания кислород, они живут и размножаются при отсутствии кислорода, получая энергию в результате процессов брожения. Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка перфрингенс), маслянокислые бактерии и др.
В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50 % выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).
Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, гак и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.
Введение
питание дыхание микроорганизм бактерия
Как известно, микроорганизмы черпают энергию, необходимую для поддержания их жизнедеятельности, за счет различного рода процессов окисления органических (а иногда и неорганических) веществ. При этом окисление происходит путем отщепления от субстратов водорода (или электронов). Водород переносится по цепи ферментов и в конечном итоге соединяется с кислородом, образуя воду. Анаэробный же способ извлечения энергии характеризуется тем, что свободный кислород в нем не принимает участия, а органические субстраты окисляются только за счет отщепления водорода. Освобождающийся водород либо присоединяется к продуктам распада того же самого органического вещества, либо выделяется в газообразном состоянии.
Типы дыхания микроорганизмов
Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду.
В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление - его присоединения. Эти же термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и электронов или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении - их при-соединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.
Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливается окислительно-восстановительным потенциалом. По предложению М. Кларка, его обозначают гН2 (отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода). Это степень насыщения среды кислородом или водородом. Диапазон J Н2 колеблется от 0 до 42,6. При П12<.,28 среда характеризуется восстановительными свойствами, при НТ2,.>28 окислительными, при iil2, равным 28, среда нейтральная.
Аэробы живут при более высоком окислительно-восстановительном потенциале (ili2 14-35), анаэробы- при более низком (гН2 0-12). Попы Н1 (про тоны), каковыми они в сущности и являются, переносятся против электрохимическою градиента, то есть из среды с меньшей концентрацией в среду, где их много. Процесс переноса протонов связан с потреблением энергии. Проникновение ионов водорода через мембрану происходит не по законам осмоса, а активно, с помощью насоса, который называется водородной помпой. Таким образом, биологические преобразования в цитоплазме микробной клетки связаны с движением протонов и электронов, но это не простое электрическое движение, а сложный биохимический процесс, который осуществляется при помощи ферментов. Последние катализируют реакции, ускоряют разрыв ковалентных связей и тем самым снижают энергию активации.
Электроэнергия, вырабатываемая микробами, может быть использована даже в некоторых приборах. В настоящее время сконструированы передатчики, работающие на биологической электроэнергии, ее вырабатывают микроорганизмы, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде. (Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления, главным образом сложных органических соединений, 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. При их расщеплении, которое происходит разными путями, получается важный промежуточный продукт - пировиноградная кислота (пируват). Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и дыхательной цепи (рис. 17). В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца - до образования углерода диоксида и воды с освобождением большого количества энергии: С6Н12Об + 602 -* 6С02 4- 6Н20 + 2874,3 кДж.
Она соответствует запасу потенциальной энергии гексозы, то есть тому ее количеству, которое было аккумулировано в молекуле сахара при фотосинтезе его из углерода диоксида и воды в зеленых растениях. Передача электронов водорода на кислород осуществляется через дыхательную цепь, или цепь переноса электронов. Дыхательная цепь - это система дыхательных фермен¬тов, которые находятся в мембранах. Мембраны, как известно, контактируют с цитоплазмой клетки, в результате чего происходит их взаимодействие.
Неполное окисление. Не все 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 могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами.
Анаэробы - организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратногофосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.
На схеме 1 показан транспорт электронов при дыхании и различных типах анаэробного способа получения энергии. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридиннуклеотидных ферментов (ПН). Далее они у аэробов проходят по цепи ферментов с возрастающими потенциалами-флавопротеидные (ФП - цитохромные ферменты (Цит.) - и с помощью цитохромоксидазы (Цит. оке.) переносятся на кислород. Поток электронов направлен от системы с более низким (более отрицательным потенциалом) к системе с более высоким (более положительным) потенциалом, от - 0,8 - 0,4 в (потенциал субстрата) до +0,8 в (потенциал кислорода).
Таким образом, при дыхании конечным акцептором водорода является кислород. У анаэробов в качестве акцепторов водорода выступают либо органические субстраты (брожение), либо неорганические вещества, такие, как нитраты или сульфаты («анаэробное дыхание»). Из схемы видно, что наиболее просто и примитивно транспорт электронов осуществляется у большинства анаэробов из-за отсутствия у них ферментов цепи переноса электронов, способных передавать электроны по цепочке вплоть до молекулярного кислорода.
Молекулярный кислород отрицательно действует на рост и активность облигатных анаэробов. В присутствии свободного кислорода клетки анаэробов теряют подвижность. Благодаря этой реакции анаэробы были впервые обнаружены Пастером. Однажды он рассматривал под микроскопом каплю бродящей жидкости (при маслянокислом брожении), помещенную между двумя тонкими плоскими стеклышками, и заметил, что клетки, находящиеся по краям препарата (куда кислород воздуха свободно проникал), становились внезапно неподвижными, а палочки, находящиеся в центре препарата (куда воздух не проникал), продолжали очень активно двигаться.
Отсюда Пастер сделал вывод, что кислород воздуха ядовит для некоторых микробов, и разделил последние на две группы - аэробов и анаэробов. Противники Пастера (например, Трекюль) возражали против утверждения о существовании бактерий, для которых кислород воздуха может быть смертельным, и приводили в пример споры анаэробов, способные длительное время сохраняться на воздухе. На это Пастер отвечал, что споры не являются настоящими живыми существами, так как они не питаются и не размножаются. Последующее развитие науки подтвердило положения Пастера. Так, было показано, что спорам бактерий свойствен крайне выраженный анабиоз и обмен веществ у них находится на таком низком уровне, что его даже не удается измерить с необходимой точностью. В связи с этим споры не чувствительны ко многим повреждающим факторам, а споры анаэробов могут, кроме того (в отличие от вегетативных клеток), легко сохраняться на воздухе.
Вопрос, почему кислород является токсичным для апаэробов, еще недостаточно выяснен. Одни исследователи считают, что токсическое действие кислорода связано с образованием в культурах анаэробных микроорганизмов ядовитых концентраций перекиси водорода, образующейся в результате окисления субстрата кислородом воздуха. Причиной накопления перекиси водорода является отсутствие у анаэробов фермента каталазы (разлагающего перекись). Имеются сообщения, что некоторые штаммы клостридиев могут расти и в аэробных условиях, если к среде добавлена каталаза. Но, с другой стороны, очень важным фактором, определяющим развитие анаэробов, являются окислительно-восстановительные условия среды. Они выражаются через окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), измеряемый в вольтах (напряжение на электроде, погруженном в испытуемую среду). Окислительно-восстановительные условия можно выразить также через показатель rН2, характеризующий соотношение между Н2 и О2. rН2 в пределах от 0 до 40 характеризует все степени восстановленности или окисленности среды в зависимости от насыщения ее кислородом либо водородом. Подробные исследования условий развития апаэробов показали, что облигатные анаэробы не могут развиваться при rН2 (или ОВП) выше определенного предела. rН2 в среде можно измерить либо электрометрическим способом (с помощью потенциометров), либо с помощью красителей, которые восстанавливаются и обесцвечиваются (или изменяют цвет) при определенных значениях rН2. Так, например, краситель янусгрюн в аэробных условиях при rН2 = 20 и выше имеет в растворе зелепый цвет, при rН2 в пределах 12-14 - розовый цвет, а при еще более низких значениях rН2 он обесцвечивается.
Анаэробы - обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:
Факультативные анаэробы
Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы
Аэротолерантные анаэробы
Умеренно-строгие анаэробы
Облигатные анаэробы
Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то его условно относят к факультативным анаэробам
До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа - B. abortus)
Умеренно-строгий анаэробныйорганизм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2.
Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии
Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O2 гибнут - например, представители (рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium,Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.
При этом характерным только для анаэробов является гликолиз, который в зависимости от конечных продуктов реакции разделяют на несколько типовброжению:
молочнокислое брожение - род Lactobacillus,Streptococcus,Bifidobacterium, а также некоторые ткани многоклеточных животных и человека. спиртовое брожение - сахаромицеты, кандида(организмы царства грибов)
муравьинокислое - семейство энтеробактерий
маслянокислое - некоторые виды клостридий
пропионовокислое - пропионобактерии(например, Propionibacterium acnes)
брожение с выделением молекулярного водорода -некоторые виды клостридий, ферментация Stickland
метановое брожение - например, Methanobacterium
Типы питания у микроорганизмов
Автотрофы (хемолитотрофы, фотолитотрофы) получают углерод из углерода диоксида (С02) воздуха и создают органическое вещество при помощи энергии, освободившейся в процессе окисления некоторых минеральных соединений (хемосинтез) или энергии солнца (фотосинтез). Явление хемосинтеза у хемолитотрофов впервые (1887) установлено русским микробиологом С. Н. Виноградским при изучении бесцветных серобактерий, нитрифицирующих и других микроорганизмов. Энергия, образуемая в процессе окислительных реакций, используется затем бактериями для усвоения углерода и создания органического вещества.
Фотолитотрофы (сине-зеленые водоросли, пурпурные серобактерии и другие микробы) обладают фотосинтезирующей способностью, так как содержат в своем составе пигменты (красящие вещества). Пигменты фотолитотрофов по своему составу близки к хлорофиллу зеленых растений. Фотобактерии, как и растения, создают органическое вещество, используя углерод из углерода диоксида и энергии солнца. Автотрофы могут развиваться в чисто минеральных средах, они не способны усваивать более сложные соединения углерода и поэтому не являются патогенными для животных.
Источники энергии
Наиболее доступные источники углерода для бактерий - углеводы и аминокислоты, что учитывают при изготовлении питательных сред.
Аутотрофия. Пищевые потребности аутотрофных [от греч. auto, сам, + trophe, питание бактерий ограничены; для их роста достаточно внесения в среду неорганических соединений, содержащих азот и другие минеральные элементы. Лутотрофные бактерии в качестве источника углерода утилизируют двуокись углерода или карбонаты. Такие бактерии способны синтезировать вce необходимые соединения из простых веществ. К ним относят фото- и хемотрофные (хемосинтезирующие) бактерии, использующие соответственно в качестве источника энергии электромагнитное излучение (свет), либо энергию окислительно-восстановительных реакций с участием субстратов, которые служат для них источником питания. Среди аутотрофов не обнаружено видов, имеющих медицинское значение.
Азот необходим бактериям для синтеза аминокислот (белков), пуриновых и пирим иди новых нуклеотидов, а также некоторых витаминов. Поскольку азот во всех живых организмах содержится в восстановленной форме, все минеральные формы азота с большей, чем у аммиака, степенью окисленности должны быть восстановлены.
Ряд микроорганизмов способен утилизировать азот только из органических соединений (аминогетеротрофы). Некоторые из микроорганизмов усваивают азот в виде неорганических форм (аминоаутотрофы). Однако многие микроорганизмы способны использовать как органический, так и минеральный азот.
Использование неорганического азота
В природе атомы минерального азота существуют в различной степени окисленности: от N5+ (N205, азотный ангидрид) до N3- (NH3, аммиак). Степень усвояемости минеральных соединений азота бактериями определяется лёгкостью их превращения в аммиак, так как он является самым простым предшественником высокомолекулярных азоторганических соединений. В этой группе бактерий возможны два разнонаправленных процесса: ассимиляция (связывания минеральных форм азота в органический материал) и диссимиляция (выделения газообразных форм азота).
Ассимиляционные процессы. Связывание минеральных форм азота происходит в ходе азотфиксации, ассимиляции аммиака и ассимиляционной нитратредукции.
Азотфиксация. Азотфиксирующие бактерии (например, Rhizobiut, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и др.) способны утилизировать азот из атмосферного воздуха, восстанавливая его до аммония с помощью специального фермента (нитрогеназа) в процессе, называемом азотфиксация.
Ассимиляция аммиака. Большинство бактерий усваивает аммоний в ходе ассимиляции аммиака. Бактерии, растущие на средах с аммонием, могут непосредственно включать его в органические соединения. Следует помнить, что после потребления неорганических аммонийных солей в среде накапливаются анионы (SO4, Сl, H3PO4 и др.), снижающие рН среды, что замедляет рост культур. Аммонийные соли органических кислот менее подкисляют среду и более благоприятны для роста бактерий.
Ассимиляционная нитратредукция. Подавляющее большинство бактерий и грибов, как и растения, усваивают нитрат в процессе ассимиляционной нитратредукции. На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов, цикл этих превращений катализирует специфический фермент - ассимиляционная нитратредуктаза В. Второй этап представляет комплекс восстановительных реакций, катализируемых нитритредуктазой, что приводит к образованию аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки.
Механизм поступления питательных веществ
Экзо-ферменты, локализованные на внешней стороне клеточной мембраны. У бактерий Э. могут выделяться во внешнюю среду или находиться между клеточной стенкой и клеточной мембраной.
Классификация ферментов.
В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла необходимость в научно обоснованной их классификации. По классификации, разработанной специальной комиссией Международного биохимического союза (1961), все/ферменты объединены в шесть классов: окендоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы, или синтетазы.
Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты. Они ускоряют процессы восстановления и окисления различных веществ, играют большую роль и процессах дыхания микробов. Эта группа миогочисленна, она включает более 200 ферментов. Вот некоторые из них.
Дегидрогеназы - ферменты, которые ведут процесс биологического окисления путем отнятия водорода от субстрата донора и переноса его на кислород или другой акцептор. Различают аэробные и анаэробные дегидрогеназы. Аэробные дегидрогеназы переносят водород как непосредственно на молекулярный кислород, так и па другие системы, они получили название оксидаз. Анаэробные дегидрогеназы вступают во взаи-модействие с субстратом, отнимают у него водород и передают акцептору, но не кислороду воздуха. Цитохромоксидазы - ферменты, переносящие, электроны. Цитохромоксндаза активирует молекулярный кислород и с его помощью окисляет восстановленный цитохром, актив ной группой которого является гемин. Каталаза содержится в клетках аэробных микробов и относится к группе геминовых ферментов, содержащих в своей молекуле трехвалентное железо, способное терять электроны (окисляться). При действии каталазы на перекись водорода происходит ее восстановление, образуются вода и молекулярный кислород. Пероксидаза содержится в некоторых микробах, она активирует кислород перекиси водорода и ускоряет окисление различных органических соединении.
Гидролизы - ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, то есть процесса расщепления сложных веществ па более простые с присоединением молекулы, воды. Они имеются у многих микроорганизмов. Гидролазы объединяют более 200 ферментов. В эту группу входят: эсте разы, расщепляющие сложные эфиры, образованные органическими кислотами и спиртами; фосфатазы, гидролизующие сложные эфиры, образованные спиртами и фосфорной кислотой; глюкозидазы, расщепляющие глюкозидные связи в углеродах и их производных; пептидазы; ускоряющие гидролиз пептидных связей в белках; амидазы, ускоряющие гидролиз амидов, аминокислот и других соединений.
Лиазы - ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путем ту или иную группу (реакция между углеродом и кислородом, азотом, серой, галоидом). Этот класс объединяет около 90 ферментов. Наиболее важное значение из них имеют карбоксилаза, альдегидлиаза (альдолаза) и др.
Изомеразы - ферменты, ускоряющие перемещение внутри молекул водорода, фосфора и двойных связей, что имеет важное значение в обмене веществ. К этой группе относятся фосфогексоизомераза, триозофосфотизомераза и др.
Лигазы или синтетазы - ферменты, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых за счет распада пирофосфорных связей (в АТФ или других богатых энергией пирофосфатов). Лигазы играют большую роль в синтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений. В этот класс входит около 100 ферментов. Представители этой группы - аспарагинсинтетаза, глютамипсинтетаза и др.
Дыхание - метаболический процесс протекающий в клетках с освобождением энергии и генерированием АТФ, в котором конечным акцептором электронов (водорода) служат неорганические соединения. В зависимости от конечного акцептора электронов различают аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании акцептором водорода является кислород, при анаэробном - неорганические окисленные соединения типа нитратов и сульфатов.
Аэробное дыхание. В качестве энергетического субстрата для дыхательного метаболизма микроорганизмы используют широкий круг природных соединений. Независимо от сложности структуры окисляемого субстрата потребление его в качестве источника энергии основано на одном и том же принципе: постепенное расщепление до образования простых соединений, способных вступать в реакции цикла трикарбоновых кислот. Таким соединением основных метаболических путей является пируват.
Окисление пирувата при аэробном дыхании осуществляется в цикле Кребса, в который он поступает при посредстве ацетил-КоА. Полное окисление его приводит к освобождению двух молекул углекислоты и восьми атомов водорода. Акцептором водорода, как указано выше, у аэробных бактерий является кислород. Передача
водорода (электронов) на кислород осуществляется через последовательную цепь молекул-переносчиков, так называемую дыхательную цепь, или цепь транспорта электронов:
Субстрат gt; НАД* Н2 gt; Флавопротеид gt; Кофермент О
gt; Цитохром с gt; Цитохром аа3 gt; 02
Дыхательная цепь представляет собой систему пространственно организованных молекул-переносчиков, осуществляющих перенос электронов от окисляемого субстрата к акцептору. Она развита у аэробов и факультативных анаэробов, только у последних терминальным акцептором электронов, кроме кислорода, являются нитраты и сульфаты.
Компонентами дыхательной цепи, локализованными в мембране, являются такие переносчики белковой природы, как флавопротеиды, FeS-белки, цитохромы, и небелковой природы - хиноны (убихиноны, менахиноны). НАД(Ф)-зависимые дегидрогеназы, отщепляющие водород от окисляемого субстрата - растворимые ферменты; флавопротеидные дегидрогеназы могут находиться либо в мембране, либо в растворимой форме в цитоплазме.
хиноны осуществляют перенос атомов и цитохромы - электронов. Так как содержащие переносчики электронов, погружены в цитоплазму, то имеется прямое взаимодействие между дыхательной цепью, с одной стороны, и окисляемым субстратом, АДФ и неорганическим фосфатом цитоплазмы - с другой. Такое свободное взаимодействие дыхательной цепи с цитоплазмой определяет отличительные особенности функционирования дыхательного аппарата прокариот от эукариот. Так, дыхательные цепи прокариот менее стабильны по сотаву переносчиков электронов и энергетически менее эффективны. В дыхательной цепи эукариот имеются три участка, где происходит выброс протонов и
А/л + , у большинства прокариот - только один- н
два участка, т. е. суммарный выход энергии у прокариот ниже.
Функционирование дыхательной цепи осуществляется
следующим образом. Водород окисляемого субстрата,
освобожденный в реакциях цикла Кребса или мобилизованный непосредственно НАД (Н2)-зависимыми дегидрогеназами передается в дыхательную цепь на флавиновые дегидрогеназы, затем на убихиноны. Здесь атом водорода расщепляется на протон и электрон. Протон выделяется в среду, электрон передается на систему цитохромов до цитохромоксидазы. Она передает электрон на кислород-терминальный акцептор, который активизируется и соединяется с водородом, образуя воду и перекиси. Последние разлагаются каталазой на воду и кислород. Перенос электронов приводит к значительному изменению свободной энергии в клетке.
Расчеты энергетического баланса показали, что при расщеплении глюкозы гликолитическим путем и через цикл традсарбоновых кислот с последующим окислением в дыхательной цепи до С02 и Н20 на каждый моль глюкозы образуется 38 молей АТФ. Причем максимальное количество АТФ образуется в дыхательной цепи - 34 моля; 2 моля - в ЭПМ-пути и 2 - в ЦТК.
Ввиду большого разнообразия ферментных систем, входящих в дыхательную цепь, окисляемых субстратов и терминальных акцепторов у бактерий существует большое количество разнообразных дыхательных цепей. Так, в дыхательной цепи уксусно-кислых бактерий отсутствуют цитохромы а + аз: дегидрогеназы -*С -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. Еще меньший набор компонентов имеет дыхательная цепь Agrobacterium tumefaciens: НАДН дегидрогеназа -»Q -»С -Ю2. Дыхательная цепь клубеньковых бактерий и азотобактера характеризуется наличием разнообразных цитохромов: дегидрогеназы -gt; Ь-gt; с-> а-gt; аз -gt;02. Укороченные дыхательные цепи характерны для многих бактерий. В энергетическом обмене они менее полезны для бактерий из-за низкого выхода АТФ.
Биолюминесценция. У некоторых бактерий существует ответвление от основнорй дыхательной цепи. Электроны от НАД передаются не на ФАД а на ФМН (флавомононуклеотид). Последний реагирует с ферментом люциферазой, кислородом и альдегидом пальмитиновой кислоты. Люцифераза (Л) катализирует
реакцию восстановительного альдегида (АН2) с АТФ (продукт этой реакции при последующем окислении испускает видимый свет):
Эта реакция получила название «светлячковой» из-за ее наличия у светлячка Photinus piralis. Ее используют для количественного определения АТФ, потому что интенсивность свечения находится в прямой зависимости от количества АТФ.
Механизм биолюминесценции состоит в том, что в результате взаимодействия ФМН с люциферазой, кислородом и альдегидом электроны в некоторых молекулах переходят в возбужденное состояние и возвращение их на основной уровень сопровождается испусканием света. Образования АТФ при люминесценции не происходит. Поэтому эффективность функционирования дыхательной цепи снижается, т. е. клетка не получает всей энергии, заключенной в окисляемом субстрате, так как часть ее превращается в световую.
Свечение бывает тем интенсивнее, чем лучше условия аэрации культуры. Светящиеся бактерии являются весьма чувствительными индикаторами молекулярного кислорода. М. Бейеринк применял светящиеся бактерии в качестве индикатора для обнаружения кислорода при бактериальном фотосинтезе (в те времена не было известно, что бактериальный фотосинтез протекает без выделения кислорода).
Способностью к биолюминесценции обладают факультативно-анаэробные морские бактерии, объединенные в род Photobacterium (светящиеся бактерии).В аэробных условиях они окисляют органические субстраты с испусканием лунно-голубого света. Биолюминесценция рассматривается как приспособление некоторых микроорганизмов к защите от вредного действия кислорода.
Неполное окисление. Большинство аэробных микроорганизмов в процессе дыхания осуществляют полное окисление углеводов до углекислоты и водь*. При этом
высвобождается вся энергия, заключенная в субстрате. Примером может служить окисление глюкозы пекарскими дрожжами:
Однако окисление может быть и неполным. Это зависит от видовой принадлежности микробов и условий развития. Обычно неполное окисление наблюдается при избытке в среде углеводов и недостатке кислорода. Конечными продуктами неполного окисления являются органические кислоты, такие как уксусная, лимонная, фумаровая, глюконовая и др. Типичным примером неполного окисления является образование уксусной кислоты из спирта бактериями рода Acetobacter:
Этот окислительный процесс используется микроорганизмами для получения энергии. При неполном окислении образование макроэргических фосфатных связей происходит в процессе переноса электронов. Однако общий выход энергии при этом значительно меньший, чем при полном окислении. Часть энергии окисляемого исходного субстрата сохраняется в образующихся органических кислотах. В связи с тем, что сходные кислоты (янтарная, молочная) образуются при брожении углеводов, неполное окисление называют «окислительным брожением». Отличительной особенностью неполного окисления является участие кислорода в реакциях. Поэтому аэрация - необходимое условие образования органических кислот микроорганизмами. Установлено, что образование а- глутаминовой кислоты бактериями (Corynebacterium glutamicum) происходит только в строго аэробных условиях. Причем выход данной аминокислоты может быть очень высоким - 0,6 моля глутамина на 1 моль использованной глюкозы.
Микроорганизмы, развивающиеся за счет энергии неполного окисления, используются в микробиологической промышленности для получения органических кислот, в том числе и аминокислот.
Анаэробное дыхание. В анаэробных условиях, т. е при отсутствии молекулярного кислорода, некоторые микроорганизмы,
такие как Micrococcus denitrificans и бактерии родов Desulfovibrio и Desulfotomaculum в качестве акцептора водорода используют окисленные минеральные соединения - нитраты, сульфаты, которые легко отдают кислород, превращаясь в восстановленные формы. Продуктами восстановления нитратов служит нитрит и молекулярный азот; сульфаты восстанавливаются до сероводорода и других соединений. Образовавшиеся восстановленные продукты выделяются из клетки. Окисление органического вещества в анаэробных условиях происходит путем дегидрогенирования Отщепляемый водород поступает в дыхательную цепь и переносится на соответствующий акцептор. Конечная реакция катализируется нитратредуктазой. Последняя в анаэробных условиях функционирует как цитохромоксидаза.
Нитратредуктаза является индуцибельным ферментом. Синтез ее происходит только в анаэробных условиях при наличии нитрата. Кислород ингибирует синтез нитратредуктазы. При наличии нитратредуктазы в клетке (если бактерии из анаэробных условий переносятся в аэробные) кислород конкурирует с нитратом за электроны в дыхательной цепи, подавляя тем самым функции данного фермента. Вот почему нитратное и сульфатное дыхание осуществляется только в анаэробных условиях.
Способность микроорганизмов использовать в качестве акцепторов электронов нитраты и сульфаты позволяет производить им полное окисление субстрата и получать таким путем необходимое количество энергии. Так, денитрифицирующие бактерии при нитратном дыхании производят полное окисление органических субстратов, выход энергии при этом только на 10% ниже, чем при аэробном дыхании. Образование АТФ происходит в результате фосфор ил ирова ния в дыхательной цепи.