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.
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.
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.
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.
Микроорганизмам, как и всем живым существам, присущи процессы питания, дыхания, роста и размножения . Однако эти процессы у микробов характеризуются своеобразием и рядом особенностей. Микробы занимают особое место среди других живых существ: они способны использовать в качестве питательных веществ как неорганические, так и разнообразные органические соединения ; могут существовать и размножаться в аэробных и анаэробных условиях; длительно сохраняются во внешней среде с помощью спор ; обладают исключительной приспособляемостью к меняющимся факторам окружающей среды.
Дыхание бактерий
Сущность процесса дыхания бактерий заключается в совокупности биохимических реакций, в ходе которых идет образование АТФ, без которого невозможен процесс метаболизма, протекающего с затратой энергии. АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между процессами, выделяющими энергию, и реакциями, их использующими. При дыхании - процессе биологического окисления бактерий - потребляются те же соединения, что и на построение отдельных структурных компонентов клетки, но в первую очередь - сахара, спирты, органические кислоты, жиры и т. д.
Большая часть бактерий использует в процессе дыхания свободный кислород. Такие микроорганизмы получили название аэробные (от аег - воздух). Аэробный тип дыхания характеризуется тем, что окисление органических соединений происходит при участии кислорода воздуха с освобождением большого количества калорий. Молекулярный кислород выполняет роль акцептора водорода, образующегося при аэробном расщеплении этих соединений.
Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях, которое приводит к выделению большого количества энергии:
С 6 Н 12 О 6 + 60 2 6С0 2 +6Н 2 0 + 688,5 ккал.
Процесс анаэробного дыхания микробов заключается в том, что бактерии получают энергию при окислительно-восстановительных реакциях, при которых акцептором водорода является не кислород, а неорганические соединения - нитрат или сульфат.
Многие бактерии могут существовать в аэробных и анаэробных условиях. Такие микроорганизмы получили название факультативных (необязательных) анаэробов.
Например, стафилококки, кишечная палочка и другие факультативные анаэробы имеют полный набор дыхательных ферментов, обеспечивающих им существование как в кислородной, так и в бескислородной среде. Факультативные анаэробы обладают так называемым нитратным дыханием , так как образующийся при окислении органических соединений нитрат (акцептор водорода) восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.
Обязательные анаэробы
Облигатные (обязательные) анаэробы могут существовать лишь в строго анаэробных условиях. Среди патогенных - это возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Облигатные анаэробы при окислении органических соединений образуют сульфат, который восстанавливается до сероводорода, поэтому облигатное дыхание называют еще сульфатным.
Для нейтрализации токсичных форм кислорода микроорганизмы, способные существовать в его атмосфере, имеют защитные механизмы. У облигатных аэробов и факультативных анаэробов накоплению закисного радикала О 2 - препятствует фермент супероксиддисмутаза, расщепляющая закисный радикал на перекись водорода и молекулярный кислород. Перекись водорода у этих бактерий разлагается каталазой на воду и молекулярный кислород.
В присутствии кислорода рост облигатных анаэробов прекращается. Это связано с тем, что жизнь в аэробных условиях приводит к тому, что конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода, а поскольку анаэробы не продуцируют фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на анаэробные бактерии.
При выращивании анаэробов в лабораторных условиях используют специальные приборы - анаэростаты, из которых кислород воздуха удаляется или заменяется другим инертным газом. Бескислородные условия можно создать также кипячением среды или химическими веществами, активно поглощающими кислород из пространства, куда помещены чашки и пробирки с посевами.
Образование энергии (АТФ) наблюдается также при процессах брожения , осуществляемых разнообразными микроорганизмами. Особенность брожения заключается в том, что органические соединения одновременно служат как донаторами электронов (при их окислении), так и акцепторами (при их восстановлении). Брожение происходит в отсутствие кислорода, в строго анаэробных условиях. Основными соединениями брожения являются углеводы. В зависимости от участия определенного микроба и от конечных продуктов расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, маслянокислое и другие виды брожения.
Освобождение энергии при анаэробных процессах значительно меньшее, например, при брожении глюкозы дрожжами образуется спирт и всего 31,2 ккал.
Спиртовое брожение встречается, в основном, у дрожжей. Конечными продуктами являются этанол и СО 2 . Сбраживание глюкозы происходит в анаэробных условиях. При доступе кислорода процесс брожения ослабевает, на смену ему приходит дыхание. Подавление спиртового брожения кислородом называется эффектом Пастера . Спиртовое брожение используется в пищевой промышленности: хлебопекарной, виноделии.
Молочнокислое брожение. Различают два типа: гомоферментативное и гетероферментативное.
При гомоферментативном типе расщепление глюкозы происходит гликолитическим распадом (ФДФ-путь) Водород от восстановленного НАД передается на пируват при помощи лактатдегидрогеназы , при этом образуется молочная кислота. Гомоферментативное брожение происходит у S.pyogenes, E.faecalis, S.salivarius у некоторых видов рода Lactobacillus.
Гетероферментативное молочнокислое брожение присутствует у бактерий, у которых отсутствуют ферменты ФДФ-пути: альдолаза и триозофосфатизомераза. Расщепление глюкозы происходит с образованием фосфоглицеринового альдегида (ПФ-путь), который превращается в пируват по ФДФ-пути и в последующем восстанавливается в лактат. Дополнительными продуктами этого типа брожения являются также этанол, уксусная кислота. Гетероферментативное молочнокислое брожение встречается у представителей родов Lactobacillus и Bifidobacterium.
Муравьинокислое (смешанное) брожение встречается у представителей семейств Enterobacteriaceae, Vibrionaceae. В зависимости от продуктов брожения, различают два типа процессов:
Расщепление пирувата с образованием ацетилкофермента А и муравьиной кислоты, которая в свою очередь, может расщепляться на двуокись углерода и молекулярный водород. Другими продуктами брожения, образующимися через цепь реакций, являются этанол, янтарная и молочная кислота. Сильное кислотообразование можно выявить реакцией с индикатором метил-рот, который меняет окраску в сильно кислой среде.
Образуется целый ряд кислот, однако главным продуктом брожения являются ацетоин и 2,3-бутандиол. Ацетоин образуется из двух молекул пирувата с последующим двукратным декарбоксилированием. При последующем восстановлении ацетоина образуется 2,3-бутандиол. Эти вещества при взаимодействии с а-нафтолом в щелочной среде вызывают образование окраски бурого цвета, что выявляется реакцией Фогеса-Проскауэра, используемой при идентификации бактерий.
Маслянокислое брожение. Масляная кислота, бутанол,ацетон,изопропанол и ряд других органических кислот, в часности уксусная, капроновая, валерьяновая, пальмитиновая, являются продуктами сбраживания углеводов сахаролитическими строгими анаэробами.
Аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для получения энергии, но могут существовать в его атмосфере. К этой группе относятся молочно-кислые бактерии, получающие энергию гетероферментативным молочнокислым брожением.
Химический состав микробов
Клетки микробов состоят из воды, белков, углеводов, жиров и минеральных веществ.
Вода является основным по содержанию компонентом бактериальной клетки (до 80-90%). Она находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение и связана с другими компонентами клетки. Свободная вода необходима бактериальной клетке для осуществления биохимических процессов . Она является универсальной дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллоидов. Высушивание - удаление воды из клетки - ведет к замедлению жизненных процессов.
Белки составляют 40-80% сухой массы бактерий, большая часть которых представляет собой сложные белки - нуклеопротеиды, хромопротеиды. Бактерии могут содержать до 2000 различных белков, составляющих структуру клетки и участвующих в метаболических реакциях. Количественное и качественное разнообразие белковых соединений придает бактериям видовую специфичность , определяет отношение к окрашиванию , обеспечивает вирулентность , токсигенность, антигенные и иммуногенные свойства. Большая часть белков выполняет ферментативные функции клетки.
Нуклеиновые кислоты в бактериях выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения: молекула ДНК (нуклеоид) обеспечивает наследственные свойства, рибонуклеиновые кислоты (информационная, транспортная и рибосомальная) выполняют соответствующие функции. На долю последней приходится около 80% всей бактериалыюй РНК .
Углеводы в бактериальной клетке находятся в виде простых веществ (моно- и дисахариды) и комплексных соединений. Полисахариды выполняют пластическую функцию, входя в структуру клетки; играют основную роль в обеспечении энергией процессов клеточного метаболизма. Часть внутриклеточных полисахаридов - крахмал, гликоген и др. - являются запасными питательными веществами.
Липиды являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. В некоторых бактериях они выполняют роль запасных питательных веществ.
Органические вещества бактерий не находятся в клетке в виде отдельных компонентов, а представляют собой сложные соединения с большой молекулярной массой.
Минеральные вещества - фосфор, калий, магний, сера, железо, кальций, йод, цинк, молибден и др. - входят в состав различных клеточных структур бактерий. Они необходимы для регулирования осмотического давления, рН, окислительно-восстановительного потенциала, для активации ферментов. Общее содержание минеральных веществ составляет от 2 до 30% сухой массы бактериальной клетки.
В практических бактериологических лабораториях широко применяют микро- и экспресс-методы для ориентировочного изучения биохимических свойств микроорганизмов. Для этой цели существует множество тест-систем. Наиболее часто используют систему индикаторных бумаг (СИБ). СИБы представляют из себя диски фильтровальной бумаги, пропитанные растворами сахаров или других субстратов в сочетании с индикаторами. Такие диски опускают в пробирку с выросшей в жидкой питательной среде культурой. По изменению цвета диска с субстратом судят о работе фермента. Микро-тест системы для изучения идентификации энтеробактерий представлены одноразовыми пластиковыми контейнерами со средами, содержащими различные субстраты, с добавлением индикаторов. Посев чистой культуры микроорганизмов в такие тест-системы позволяет быстро выявить способность бактерий утилизировать цитраты, глюкозу, сахарозу, выделять аммиак, индол, разлагать мочевину, лизин, фенилаланин и т.д.
Питание бактерий
Своеобразие процесса питания бактерий состоит в том, что
поступление питательных веществ в клетку происходит по всей поверхности, которая очень велика по сравнению с общей величиной бактерии.
Второй особенностью является необыкновенная быстрота метаболических процессов
третьей - высокая адаптация к меняющимся условиям среды.
Типы питания . Разнообразие условий существования микробов обусловливает различные типы питания. Они определяются на основании усвоения двух из четырех необходимых органогенов - углевода и азота. Источником водорода и кислорода служит вода.
По усвоению углерода бактерии можно разделить на два типа:
аутотрофы (литотрофы)
гетеротрофы. (органотрофы)
Аутотрофы (от autos - сам, trophe - пища) способны получать углерод из неорганических соединений и даже из углекислоты. Энергию, необходимую для синтеза органических веществ, аутотрофы получают при окислении минеральных соединений. К аутотрофным бактериям относятся нитрифицирующие (находящиеся в почве), серобактерии (живущие в теплых источниках с содержанием сероводорода), железобактерии (размножающиеся в воде с закисным железом) и др.
По способности усваивать азот бактерии делятся также на две группы:
аминоаутотрофы (аминолитотрофы)
аминогетеротрофы. (аминоорганотрофы)
Аминоаутотрофы используют молекулярный азот воздуха. Бактерии этой группы - азотфиксирующие почвенные и клубеньковые бактерии - единственные живые существа, усваивающие свободный азот, принимают активное участие в круговороте азота в природе.
Аминогетеротрофы получают азот из органических соединений - сложных белков. К аминогетеротрофам относятся все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.
В настоящее время для аутотрофов применяется также название литотрофы, а для гетеротрофов - органотрофы.
По источникам энергии различают
фототрофы - бактерии, для которых источником энергии является солнечный свет,
хемотрофы - бактерии, которые получают энергию за счет химического окисления веществ.
В зависимости от окисляемого субстрата среди хемотрофных организмов выделяют хемолитотрофы и хемоорганотрофы .
Однако далеко не все соединения, которые необходимы бактериям в биологических процессах, клетка может синтезировать сама. При составлении питательных сред необходимо добавлять вещества, получившие название факторов роста. Это различные витамины, аминокислоты (без которых невозможен синтез белка), пиридиновые и пиримидиновые основания (предшественники нуклеиновых кислот) и др.
Микроорганизмы, нуждающиеся в каком-то одном или нескольких факторах роста, называются ауксотрофными в отличие от прототрофных бактерий, которые в данных соединениях не нуждаются и способны сами их синтезировать.
Механизм питания бактерий
Поступление в бактериальную клетку питательных веществ представляет собой сложный физико-химический процесс, которому способствует ряд факторов: разница в концентрации веществ, величина молекул, их растворимость в воде или липидах, рН среды, проницаемость клеточных мембран и т. д. В проникновении питательных веществ в клетку различают четыре возможных механизма.
Наиболее простой способ - пассивная диффузия , при которой поступление вещества в клетку происходит из-за различия градиента концентрации (разницы концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны). Решающее значение имеет величина молекулы. Очевидно, в мембране есть участки, через которые и возможно проникновение веществ небольших размеров. Одним из таких соединений является вода.
Большинство питательных веществ попадает в бактериальную клетку против градиента концентрации, поэтому в таком процессе должны принимать участие ферменты и может расходоваться энергия.
Одним из таких механизмов является облегченная диффузия , которая происходит при большей концентрации вещества вне клетки, чем внутри. Облегченная диффузия - процесс специфический и осуществляется особыми мембранными белками, переносчиками, получившими название п е р м е а з , так как они выполняют функцию ферментов и обладают специфичностью. Они связывают молекулу вещества, переносят в неизмененном виде к внутренней поверхности цитоплазматической мембраны и высвобождают в цитоплазму. Так как перемещение вещества происходит от более высокой концентрации к более низкой, этот процесс протекает без затраты энергии.
Третий возможный механизм транспорта веществ поучил название активного переноса . Этот прессе наблюдается при низких концентрациях субстрата в окружающей среде и перенос растворенных веществ также в неизмененном виде осуществляется против градиента концентрации. В активном переносе веществ участвуют пермеазы . Поскольку концентрация вещества в клетке может в несколько тысяч раз превышать ее во внешней среде, активный перенос обязательно сопровождается затратой энергии . Расходуется аденозинтрифосфат (АТФ), накапливаемый бактериальной клеткой при окислительно-восстановительных процессах.
при четвертом возможном механизме переноса питательных веществ наблюдается транслокация радикалов - активный перенос химически измененных молекул, которые в целом виде не способны проходить через мембрану. В переносе радикалов участвуют пермеазы .
Синтезируемые в бактериальных клетках соединения выходят из них тремя путями:
Фосфотрансферазная реакция. Происходит при фосфорилировании переносимой молекуды.
Контрансляционная секреция. В этом случае синтезируемые молекулы должны иметь особую лидирующую последовательность аминокислот, чтобы прикрепиться к мембране и сформировать канал, через который молекулы белка смогут выйти в окружающую среду. Таким образом выходят из клетки соответствующих бактерий токсины столбняка, дифтерии и др. молекулы.
Почкование мембраны. Молекулы, образующиеся в клетке, окружаются мембранным пузырьком, который отшнуровывается в окружающую среду.
Ферменты бактерий .
В бактериальной клетке происходят многочисленные реакции, как биосинтетические, направленные на синтез соединений, необходимых для организации структуры бактерии, так и производящие энергию, процессы ассимиляции и диссимиляции. Все эти реакции катализируются соответствующими ферментами. Ферменты являются белками и обладают специфичностью при распознавании соответствующего вещества и последующем превращении его. Большая часть ферментов связана с определенными структурами бактериальной клетки. Так, в цитоплазматической мембране находятся окислительно-восстановительные ферменты, которым принадлежит основная роль в дыхании клетки, ферменты, обеспечивающие доставку питательных веществ, и др. Ферменты, связанные с делением клетки, обнаруживаются в мезосомах, клеточной стенке, в месте образования перегородки.
У бактерий по характеру вызываемых ими превращений обнаруживаются следующие основные группы ферментов:
г и д р о л а з ы, вызывающие расщепление протеинов, углеводов, липидов путем присоединения молекул воды;
оксидоредуктазы , катализирующие окислительно-восстановительные реакции;
трансфера з ы , осуществляющие перенос отдельных атомов, от молекулы к молекуле;
л и а з ы , отщепляющие химические группы негидролитическим путем;
изомеразы , участвующие в углеводном обмене;
л и г а з ы , способствующие биосинтетическим реакциям клетки.
Ферменты бактерий классифицируются на экзоферменты и эндоферменты . Экзоферменты выделяются бактериальной клеткой в окружающую среду для внеклеточного переваривания. Этот процесс осуществляется с помощью гидролаз, которые расщепляют макромолекулы питательных веществ до простых соединений - глюкозы, аминокислот, жирных кислот. Такие соединения могут свободно проходить через оболочку клетки и с помощью пермеаз передаваться в цитоплазму клетки для участия в метаболизме, являясь источниками углерода и энергии. Некоторые экзоферменты выполняют защитную функцию , например, пенициллиназа, выделяемая многими бактериями, делает клетку недосягаемой для антибиотика - пенициллина.
Эндоферменты катализируют метаболические реакции, происходящие внутри клетки.
Ферменты бактерий классифицируются также на конститутивные и индуцибельные . Конститутивными называются такие ферменты, которые синтезируются клеткой независимо от наличия субстрата в среде, индуцибельные ферменты образуются бактериями только при наличии в среде соответствующего индуцирующего соединения, т. е. субстрата данного фермента. Например, в геноме кишечной палочки заложена способность разлагать лактозу, но только при наличии в среде лактозы клеткой синтезируется фермент, катализирующий ее гидролиз.
Известны также ферменты, которые получили название аллостерических. Кроме активного центра у них имеется регуляторный или аллостерический центр, который в молекуле фермента пространственно разделен с активным центром. Аллостерическим (от греч. allos - иной, чужой) он называется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связывание и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигурацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических центров. Вещества, связывающиеся с аллостерическим центром, называют аллостерическими эффекторами. Они влияют через аллостерический центр на функцию активного центра: или облегчают ее, или затрудняют. Соответственно аллостерические эффекторы называются положительными (активаторы) или отрицательными (ингибиторы). Аллостерические ферменты играют важную роль в тонкой регуляции метаболизма бактерий. Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций.
Патогенные бактерии обладают наряду с ферментами обмена также ферментами агрессии , являющимися факторами вирулентности. К таким ферментам относятся
гиалуронидаза,
дезоксирибонуклеаза,
коллагеназа,
н е й р а м и и и д аза, и др.
Гиалуронидаза стрептококков, например, расщепляет гиалуроновую кислоту в мембранах клеток соединительных тканей макроорганизма, что способствует распространению возбудителей и их токсинов в организме, обуславливая высокую инвазивность этих бактерий.
Плазмокоагулаза является главным фактором патогенности стафилококков, так как участвует в превращении протромбина в тромбин, который вызывает образование фибриногена, в результате чего каждая бактерия покрывается пленкой, предохраняющей ее от фагоцитоза.
Ферменты бактерий обладают высокой специфичностью , и именно это свойство широко используется при идентификации и определении видов микроорганизмов. Наибольшее значение имеет определение сахаролитических (ферментация сахаров) и протеолитических (разложение белков) свойств.
Споры
Одной из особенностей микроорганизмов является их способность к спорообразованию. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования (высушивание, недостаток питательных веществ, изменение рН среды и т. д.), причем из одной клетки формируется только одна спора . Таким образом, образование спор не связано с процессом размножения, а является своеобразным приспособлением к переживанию в неблагоприятных условиях. По принятой номенклатуре спорообразующие аэробы носят название бацилл , а спорообразующие анаэробы - клостридии.
Процесс спорообразования проходит ряд стадий , в течение которых в определенном месте клетки цитоплазма, нуклеоид, рибосомы концентрируются, уплотняются, покрываются мембраной, а затем плотной, плохо проницаемой многослойной оболочкой, включающей кальциевые соли дипиколиновой кислоты, обусловливающей термоустойчивость спор . Споры длительное время могут сохраняться в покое, оставаясь жизнеспособными. Так, в почве споры патогенных микроорганизмов (возбудителя сибирской язвы, столбняка и др.) могут сохраняться десятками лет. При попадании в благоприятную среду споры очень быстро прорастают - из 1 споры возникает 1 бактериальная клетка, которая начинает размножаться.
Спорообразование - видовое свойство палочек, а форма и расположение формирующейся споры по отношению к вегетативной части клетки является дифференциально-диагностическим признаком . Форма спор может быть овальной или круглой , расположение центральное (возбудитель сибирской язвы), субтерминальное - ближе к концу палочки (возбудители газовой гангрены, ботулизма) и терминальное - на конце (возбудитель столбняка).
В зрелой споре различимы: центральный, плохо окрашиваемый участок (спороплазма), двухслойная ЦПМ и оболочка споры.
Спороплазма (протопласт споры) включает цитоплазму, бактериальную хромосому, системы белкового синтеза и некоторые другие (например, анаэробного энергообразования).
Оболочка споры двухслойная: пространство между слоями заполняют гликопептидные полимеры, сходные с пептидогликанами, образующие сетчатую структуру (кортекс), проявляющую высокую чувствительность к лизоциму. Внутренний слой (стенка споры) образован пептидогликанами, аналогичными таковым \ вегетирующей клетки. Внешний слой (собственно оболочка) образуют кератиноподобные белковые структуры с низкой проницаемостью.