تنفس الميكروبات. التنفس الهوائي واللاهوائي للكائنات الحية الدقيقة

أثناء تطور ونمو وتكاثر خلايا الكائنات الحية الدقيقة، تحدث تحولات معقدة في العناصر الغذائية، مما يتطلب قدرًا معينًا من الطاقة. تتلقى الخلية الميكروبية الطاقة من خلال عملية التنفس. جوهر هذه العملية هو أن المواد العضوية المعقدة تتأكسد إلى مواد أبسط مع إطلاق الطاقة.

لأكسدة المواد العضوية، تستخدم بعض الكائنات الحية الدقيقة الأكسجين، والبعض الآخر قادر على الاستغناء عنه، وبالنسبة للآخرين، فإن الأكسجين ضار. واعتماداً على ذلك، تنقسم الكائنات الحية الدقيقة إلى كائنات حية دقيقة هوائية، تتلقى الطاقة نتيجة أكسدة المواد العضوية باستخدام الأكسجين الجزيئي. في الكائنات الحية الدقيقة الأخرى، تحدث عمليات الأكسدة دون مشاركة الأكسجين؛ يطلق عليهم اللاهوائية. تنقسم الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية إلى إلزامية أو غير مشروطة، حيث الأكسجين ليس فقط غير ضروري، ولكنه ضار أيضًا، واختياري، أو مشروط، والذي يمكنه العيش مع أو بدون الوصول إلى الهواء. تختلف درجة اللاهوائية لللاهوائيات الاختيارية. يتطور بعضها بشكل أفضل في الظروف اللاهوائية أو مع وجود محتوى ضئيل من الأكسجين في البيئة (عشاق الكائنات الدقيقة)، والبعض الآخر - مع إمكانية الوصول إلى الهواء. اللاهوائية الاختيارية معروفة (على سبيل المثال، بعض الخمائر)، قادرة على التحول من التنفس اللاهوائي إلى التنفس الهوائي، اعتمادًا على ظروف النمو. يمكن أن يكون نمو الكائنات الحية الدقيقة ذات أنواع مختلفة من التنفس في أنابيب الاختبار ذات الوسط الغذائي الصلب على السطح وفي الوسط وفي الأعماق.

يتم تحديد نسبة الكائنات الحية الدقيقة إلى الهواء من خلال طريقة استقلاب الطاقة الخاصة بها.

تقوم الكائنات الحية الدقيقة الهوائية، أثناء عملية التنفس، بأكسدة المواد العضوية بشكل شبه كامل، لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء كمنتج نهائي. الأكسدة الكاملة مصحوبة بإطلاق كل طاقة المنتج المؤكسد. ويمكن التعبير عن هذه الأكسدة، مثل السكر، بالمعادلة التالية:

C 6 H 12 0 6 + 60 2 = 6C0 2 + 6H 2 0 2822 كيلوجول.

مع الأكسدة غير الكاملة للمواد العضوية، يتم إطلاق طاقة أقل من الأكسدة الكاملة. ويبقى جزء الطاقة الذي لم يتم إطلاقه في هذه الحالات في منتجات الأكسدة غير الكاملة. وبالتالي، فإن أكسدة الكحول الإيثيلي بواسطة بكتيريا حمض الأسيتيك يمكن أن تنتقل إلى مرحلة تكوين حمض الأسيتيك والماء مع إطلاق غير كامل للطاقة:

C2H5OH + 02 = CH3COOH + H20485.7 كيلوجول.

تتم الأكسدة الكاملة للكحول وفقًا للمخطط

C 2 H 5 OH + 30 2 = 2CO 2 + ZH 2 0 1365 كيلوجول.

في هذه الحالة، يتم إطلاق كل الطاقة الموجودة في الكحول الإيثيلي.

تحصل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية على الطاقة نتيجة للتنفس الخالي من الأكسجين، وهو ما يسمى التخمر. مع التنفس الخالي من الأكسجين، تحدث الأكسدة دائمًا بشكل غير كامل. مثال على التنفس الناقص الأكسجين هو التخمر الكحولي الناجم عن الخميرة في الظروف اللاهوائية. يستمر هذا التخمير وفقًا للمخطط

C 6 H 12 O 6 = 2C 2 H 5 OH + 2C0 2 113 كيلوجول.

نتيجة التخمر الكحولي، يتحول السكر إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون مع إطلاق الطاقة. كما يتبين من المعادلتين الأخيرتين، لا يتأكسد السكر بالكامل في هذه الحالة، لأن أحد المنتجات النهائية للتخمر الكحولي - الكحول الإيثيلي - يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة، والتي لم يتم إطلاقها في الظروف اللاهوائية.

إن تخمير حمض اللاكتيك، الذي يلعب دورًا رائدًا في إنتاج منتجات الألبان، هو أيضًا عملية تنفس لاهوائي. يتم تنفيذ هذا النوع من التخمر بشكل رئيسي عن طريق بكتيريا حمض اللاكتيك، وهي كائنات لاهوائية مشروطة، ينمو الكثير منها جيدًا في وجود الأكسجين الجوي. يتضمن تخمير حمض اللاكتيك تحلل جزيء السكر إلى جزيئين من حمض اللاكتيك مع إطلاق الحرارة:

C 6 H 12 0 6 = 2CH 2 CHONCOOH 75.4 كيلوجول.

أثناء تخمير حمض اللاكتيك، يتم أيضًا إطلاق جزء صغير فقط من الطاقة الكامنة للسكر، حيث يبقى إمداد كبير من الطاقة في حمض اللاكتيك.

مثال على الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية تمامًا هي بكتيريا حمض الزبدة، والتي تكون عملية التنفس مصحوبة بتحلل السكر مع تكوين حمض الزبدة وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. تسمى هذه العملية بتخمير حمض البيوتريك وتتبع بشكل أساسي المخطط التالي:

C 6 H 12 O 6 = C 3 H 7 COOH + 2C0 2 + 2H 2 62.8 كيلوجول.

المعادلات المعطاة تعبر فقط عن النتيجة النهائية للعمليات. في الواقع، تحدث هذه العمليات على عدة مراحل، مصحوبة بتكوين عدد من المنتجات الوسيطة والثانوية.

فيما يتعلق بالهواء، يمكن ترتيب الكائنات الحية الدقيقة للحليب ومنتجات الألبان بالتسلسل التالي: القوالب والبكتيريا المتعفنة (معظمها) - الهوائية؛

بكتيريا حمض الأسيتيك، الخميرة، المكورات الدقيقة، البكتيريا القولونية، البكتيريا الفلورية، بعض أنواع البكتيريا البوغية - اللاهوائية الشرطية (تتطور بشكل أفضل في وجود الهواء)؛

العقديات حمض اللبنيك هي اللاهوائية المشروطة.

قضبان حمض اللبنيك، بكتيريا حمض البروبيونيك - اللاهوائية الشرطية (تتطور بشكل أفضل في غياب الهواء)؛

بكتيريا حمض الزبد، وبعض أنواع البكتيريا البوغية هي لاهوائية صارمة.

يدرس فسيولوجيا الكائنات الحية الدقيقة ميزات التطور والتغذية واستقلاب الطاقة وعمليات الحياة الأخرى للميكروبات في الظروف البيئية المختلفة.

تغذية الكائنات الحية الدقيقة

تتغذى الميكروبات عن طريق نشر العناصر الغذائية الذائبة في الماء عبر القشرة والغشاء. يتم تقسيم المركبات العضوية المعقدة غير القابلة للذوبان بشكل مبدئي خارج الخلية بمساعدة الإنزيمات التي تفرزها الميكروبات في الركيزة.

وفقا لطريقة التغذية، يتم تقسيمها إلى ذاتية التغذية وغيرية التغذية.

ذاتية التغذيةقادرة على تصنيع المركبات العضوية من المواد غير العضوية (أساسا ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين غير العضوي والماء). كمصدر للطاقة للتوليف، تستخدم هذه الميكروبات الطاقة الضوئية (التمثيل الضوئي) أو طاقة التفاعلات المؤكسدة (التوليف الكيميائي).

تحدث جميع التفاعلات الأيضية في الخلية الميكروبية بمساعدة المحفزات البيولوجية - الانزيمات.تتكون معظم الإنزيمات من جزء بروتيني ومجموعة اصطناعية غير بروتينية. وقد تشمل المجموعة الاصطناعية معادن مثل الحديد والنحاس والكوبالت والزنك وكذلك الفيتامينات أو مشتقاتها. تتكون بعض الإنزيمات من بروتينات بسيطة فقط. الإنزيمات محددة وتعمل فقط على مادة واحدة محددة. لذلك، تحتوي كل كائن حي دقيق على مجموعة كاملة من الإنزيمات، ويمكن إطلاق بعض الإنزيمات في الخارج، حيث تشارك في التحضير لاستيعاب المركبات العضوية المعقدة. تستخدم الإنزيمات المشتقة من الكائنات الحية الدقيقة في الصناعات الغذائية وغيرها.

ماء. تتكون الخلية الميكروبية من 75-85% ماء. يوجد معظم الماء في سيتوبلازم الخلية في حالة حرة. تتم جميع عمليات التمثيل الغذائي البيوكيميائية في الماء، كما يعتبر الماء مذيباً لهذه المواد، حيث إن العناصر الغذائية تدخل الخلية فقط على شكل محلول، كما تتم إزالة المنتجات الأيضية من الخلية بالماء. بعض الماء الموجود في الخلية يكون في حالة مقيدة وهو جزء من بعض الهياكل الخلوية. في الجراثيم البكتيرية والفطرية، يتم تقليل كمية الماء الحر إلى 50% أو أقل. مع فقدان كبير للمياه المرتبطة، تموت الخلية الميكروبية.

مادة عضويةيتم تمثيل الخلايا الميكروبية بالبروتينات (6-14٪) والدهون (1-4٪) والكربوهيدرات والأحماض النووية.

- المادة البلاستيكية الأساسية لأي خلية حية، بما في ذلك الخلايا الميكروبية. تشكل البروتينات أساس السيتوبلازم وهي جزء من غشاء الخلية وبعض الهياكل الخلوية. إنها تؤدي وظيفة تحفيزية مهمة للغاية، لأنها جزء من الإنزيمات التي تحفز التفاعلات الأيضية في الخلية الميكروبية.

تحتوي الخلايا الميكروبية على حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونوكلييك (RNA). تم العثور على الحمض النووي بشكل رئيسي في نواة الخلية أو النيوكليوتيدات، ويوجد الحمض النووي الريبي (RNA) في السيتوبلازم والريبوسومات، حيث يشارك في تخليق البروتين.

يختلف محتوى الدهون في الكائنات الحية الدقيقة المختلفة؛ ففي بعض الخمائر والعفن يكون أعلى بنسبة 6-10 مرات من البكتيريا. الدهون (الدهون) هي مادة الطاقة في الخلية. الدهون على شكل بروتينات دهنية هي جزء من الغشاء السيتوبلازمي، الذي يؤدي وظيفة مهمة في تبادل الخلايا مع البيئة. يمكن أن تتواجد الدهون في السيتوبلازم على شكل حبيبات أو قطرات.

الكربوهيدرات هي جزء من الأغشية والكبسولات والسيتوبلازم. يتم تمثيلها بشكل أساسي بالكربوهيدرات المعقدة - السكريات (النشا، الدكسترين، الجليكوجين، الألياف)، والتي يمكن دمجها مع البروتينات أو الدهون. يمكن ترسيب الكربوهيدرات في السيتوبلازم على شكل حبيبات الجليكوجين كمواد طاقة احتياطية.

(الفوسفور والصوديوم والمغنيسيوم والكلور والكبريت، وما إلى ذلك) هي جزء من البروتينات والإنزيمات في الخلية الميكروبية، فهي ضرورية لعملية التمثيل الغذائي والحفاظ على الضغط الاسموزي الطبيعي داخل الخلايا.

ضروري للعمل الطبيعي للكائنات الحية الدقيقة. يشاركون في عمليات التمثيل الغذائي، حيث أنهم جزء من العديد من الإنزيمات. كقاعدة عامة، يجب الحصول على الفيتامينات من الطعام، لكن بعض الميكروبات لديها القدرة على تصنيع الفيتامينات، على سبيل المثال ب2 أو ب12.

تنفس الكائنات الحية الدقيقة

تحدث عمليات التخليق الحيوي لمواد الخلايا الميكروبية مع استهلاك الطاقة. تستخدم معظم الميكروبات طاقة التفاعلات الكيميائية التي تتضمن الأكسجين الموجود في الهواء. تسمى عملية أكسدة العناصر الغذائية لإطلاق الطاقة بالتنفس. يتم إطلاق الطاقة عن طريق أكسدة المواد غير العضوية (ذاتية التغذية) أو العضوية (متغايرة التغذية).

الكائنات الحية الدقيقة الهوائية (الهوائية)يستخدمون الطاقة المنطلقة أثناء أكسدة المواد العضوية مع الأكسجين الجوي لتكوين مواد غير عضوية وثاني أكسيد الكربون والماء. وتشمل الكائنات الهوائية العديد من البكتيريا والفطريات وبعض الخمائر. غالبًا ما يستخدمون الكربوهيدرات كمصدر للطاقة.

الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية (اللاهوائية)إنهم لا يستخدمون الأكسجين للتنفس، بل يعيشون ويتكاثرون في غياب الأكسجين، ويحصلون على الطاقة نتيجة لعمليات التخمير. اللاهوائية هي بكتيريا من جنس المطثية (عصية البوتولينوم والعصية البيرفرنجنز)، وبكتيريا حمض الزبد، وما إلى ذلك.

في ظل الظروف اللاهوائية، تحدث عمليات تخمر الكحول وحامض اللبنيك والزبد، في حين تحدث عملية تحويل الجلوكوز إلى كحول أو حمض اللاكتيك أو حمض الزبدة مع إطلاق الطاقة. حوالي 50% من الطاقة المنطلقة تتبدد على شكل حرارة، والباقي يتراكم في ATP (حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك).

بعض الكائنات الحية الدقيقة قادرة على العيش في وجود الأكسجين وبدونه. اعتمادًا على الظروف البيئية، يمكنهم التحول من العمليات اللاهوائية للحصول على الطاقة إلى العمليات الهوائية، والعكس صحيح. تسمى هذه الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية الاختيارية.

التنفس هو عملية التمثيل الغذائي التي تحدث في الخلايا مع إطلاق الطاقة وتوليد ATP، حيث تعمل المركبات غير العضوية كمستقبل نهائي للإلكترونات (الهيدروجين). اعتمادًا على متقبل الإلكترون النهائي، يتم التمييز بين التنفس الهوائي واللاهوائي. في التنفس الهوائي، مستقبل الهيدروجين هو الأكسجين، في التنفس اللاهوائي، المركبات المؤكسدة غير العضوية مثل النترات والكبريتات.
التنفس الهوائي. تستخدم الكائنات الحية الدقيقة مجموعة واسعة من المركبات الطبيعية كركائز طاقة لعملية التمثيل الغذائي في الجهاز التنفسي. بغض النظر عن مدى تعقيد بنية الركيزة المؤكسدة، فإن استهلاكها كمصدر للطاقة يعتمد على نفس المبدأ: الانهيار التدريجي لتشكيل مركبات بسيطة قادرة على الدخول في تفاعلات دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل. هذا الارتباط بين المسارات الأيضية الرئيسية هو البيروفات.
تحدث أكسدة البيروفات أثناء التنفس الهوائي في دورة كريبس، والتي يدخل إليها عبر أسيتيل مرافق الإنزيم أ. تؤدي أكسدته الكاملة إلى إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون وثماني ذرات هيدروجين. مستقبل الهيدروجين، كما هو موضح أعلاه، في البكتيريا الهوائية هو الأكسجين. إذاعة

يتم تحويل الهيدروجين (الإلكترونات) إلى الأكسجين من خلال سلسلة متتابعة من الجزيئات الحاملة، أو ما يسمى بالسلسلة التنفسية، أو سلسلة نقل الإلكترون:
الركيزة GT؛ ناد * H2 GT؛ فلافوبروتين جي تي؛ أنزيم O
جي تي; السيتوكروم ج جي تي. السيتوكروم aa3 جي تي؛ 02
السلسلة التنفسية عبارة عن نظام من الجزيئات الحاملة المنظمة مكانيًا والتي تنقل الإلكترونات من الركيزة المؤكسدة إلى المستقبل. تم تطويره في الكائنات الهوائية واللاهوائية الاختيارية، فقط في الأخيرة يكون مستقبل الإلكترون الطرفي، بالإضافة إلى الأكسجين، هو النترات والكبريتات.
مكونات السلسلة التنفسية، المترجمة في الغشاء، هي حاملات ذات طبيعة بروتينية مثل البروتينات الفلافوبروتينات، بروتينات FeS، السيتوكرومات، والطبيعة غير البروتينية - الكينونات (يوبيكوينون، ميناكينون). إن إنزيمات الهيدروجين المعتمدة على NAD (P) التي تستخرج الهيدروجين من الركيزة المؤكسدة هي إنزيمات قابلة للذوبان؛ يمكن العثور على نازعات هيدروجين البروتين الفلافوبروتين إما في الغشاء أو في شكل قابل للذوبان في السيتوبلازم.
تقوم الكينونات بنقل الذرات والسيتوكرومات - الإلكترونات. نظرًا لأن حاملات الإلكترون المحتوية على السيتوبلازم مغمورة في السيتوبلازم، فإن هناك تفاعلًا مباشرًا بين السلسلة التنفسية، من ناحية، والركيزة المؤكسدة، ADP والفوسفات غير العضوي للسيتوبلازم، من ناحية أخرى. يحدد هذا التفاعل الحر للسلسلة التنفسية مع السيتوبلازم السمات المميزة لعمل الجهاز التنفسي لبدائيات النوى من حقيقيات النوى. وبالتالي، فإن السلاسل التنفسية لبدائيات النوى تكون أقل استقرارًا من حيث تكوين حاملات الإلكترون وتكون أقل كفاءة من حيث الطاقة. في السلسلة التنفسية لحقيقيات النوى هناك ثلاثة أقسام حيث يتم إطلاق البروتونات و
A/l +، في معظم بدائيات النوى - واحد فقط - n
قسمين، أي أن إجمالي إنتاج الطاقة في بدائيات النوى أقل.

يتم تنفيذ عمل السلسلة التنفسية
على النحو التالي. الهيدروجين من الركيزة القابلة للأكسدة،
يتم إطلاقه في تفاعلات دورة كريبس أو تعبئته مباشرة بواسطة نازعات الهيدروجين المعتمدة على NAD (H2) ويتم نقلها إلى السلسلة التنفسية إلى نازعات هيدروجين الفلافين، ثم إلى يوبيكوينونات. هنا تنقسم ذرة الهيدروجين إلى بروتون وإلكترون. يتم إطلاق بروتون في الوسط، ويتم نقل الإلكترون إلى نظام السيتوكروم إلى أوكسيديز السيتوكروم. فهو ينقل الإلكترون إلى مستقبل الأكسجين الطرفي، والذي يتم تنشيطه ويتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء والبيروكسيدات. وتتحلل الأخيرة بواسطة الكاتالاز إلى الماء والأكسجين. يؤدي نقل الإلكترون إلى تغير كبير في الطاقة الحرة في الخلية.
أظهرت حسابات توازن الطاقة أنه أثناء تحلل الجلوكوز عن طريق مسار تحلل السكر ومن خلال دورة حمض الترادسربوكسيليك، تليها الأكسدة في السلسلة التنفسية إلى ثاني أكسيد الكربون وH20، يتم تكوين 38 مول من ATP لكل مول من الجلوكوز. علاوة على ذلك، يتم تشكيل الحد الأقصى لمبلغ ATP في السلسلة التنفسية - 34 مولا؛ 2 مول - في مسار EPM و2 - في TTC.
نظرًا للتنوع الكبير في أنظمة الإنزيمات الموجودة في السلسلة التنفسية والركائز القابلة للأكسدة والمستقبلات الطرفية، تمتلك البكتيريا عددًا كبيرًا من سلاسل الجهاز التنفسي المختلفة. وهكذا، في السلسلة التنفسية لبكتيريا حمض الأسيتيك لا توجد السيتوكرومات a + az: نازعة الهيدروجين -*C -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. تحتوي السلسلة التنفسية لبكتيريا Agrobacterium tumefaciens على مجموعة أصغر من المكونات: NADH dehydrogenase -»Q -»C-102. تتميز السلسلة التنفسية للبكتيريا العقدية والأزوتوباكتر بوجود السيتوكرومات المختلفة: ديهيدروجينيز -gt؛ ب-GT; c->a-gt; من الألف إلى الياء -GT;02. تعتبر سلاسل الجهاز التنفسي المختصرة من سمات العديد من البكتيريا. في استقلاب الطاقة، فهي أقل فائدة للبكتيريا بسبب انخفاض إنتاجها من ATP.
تلألؤ بيولوجي. بعض البكتيريا لها فرع من السلسلة التنفسية الرئيسية. لا يتم نقل الإلكترونات من NAD إلى FAD ولكن إلى FMN (الفلافومونوكليوتيد). يتفاعل الأخير مع إنزيم لوسيفيراز والأكسجين وألدهيد حمض البالمتيك. يحفز لوسيفيراز (L).

تفاعل الألدهيد المختزل (AH2) مع ATP (ينبعث منتج هذا التفاعل ضوءًا مرئيًا أثناء الأكسدة اللاحقة):

ويسمى هذا التفاعل رد فعل "اليراع" نظرا لوجوده في اليراع Photinus piralis. يتم استخدامه للتحديد الكمي لـ ATP، لأن شدة التوهج تعتمد بشكل مباشر على كمية ATP.
آلية التلألؤ البيولوجي هي أنه نتيجة لتفاعل FMN مع اللوسيفيراز والأكسجين والألدهيد، تدخل الإلكترونات في بعض الجزيئات في حالة مثارة ويصاحب عودتها إلى مستوى الأرض انبعاث الضوء. لا يتشكل ATP أثناء التلألؤ. ولذلك تنخفض كفاءة عمل السلسلة التنفسية، أي أن الخلية لا تتلقى كل الطاقة الموجودة في الركيزة المؤكسدة، حيث يتحول جزء منها إلى ضوء.
كلما كان التوهج أكثر كثافة، كانت ظروف تهوية المحصول أفضل. تعتبر البكتيريا المضيئة مؤشرات حساسة للغاية للأكسجين الجزيئي. استخدم M. Beijerinck البكتيريا المضيئة كمؤشر لاكتشاف الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي البكتيري (في ذلك الوقت لم يكن معروفًا أن عملية التمثيل الضوئي البكتيري تحدث دون إطلاق الأكسجين).
تتمتع البكتيريا البحرية اللاهوائية الاختيارية، المتحدة في جنس البكتيريا الضوئية (البكتيريا المضيئة)، بالقدرة على التلألؤ البيولوجي. في ظل الظروف الهوائية، تقوم بأكسدة الركائز العضوية مع انبعاث ضوء القمر الأزرق. يعتبر التلألؤ البيولوجي بمثابة تكيف لبعض الكائنات الحية الدقيقة لحماية نفسها من التأثيرات الضارة للأكسجين.
الأكسدة غير الكاملة. تقوم معظم الكائنات الحية الدقيقة الهوائية، أثناء عملية التنفس، بالأكسدة الكاملة للكربوهيدرات إلى ثاني أكسيد الكربون والماء*. في نفس الوقت

يتم إطلاق كل الطاقة الموجودة في الركيزة. ومن الأمثلة على ذلك أكسدة الجلوكوز بواسطة خميرة الخباز:

ومع ذلك، قد تكون الأكسدة غير مكتملة. هذا يعتمد على أنواع الميكروبات وظروف التطور. عادة، تحدث الأكسدة غير الكاملة عندما يكون هناك فائض من الكربوهيدرات في البيئة ونقص الأكسجين. المنتجات النهائية للأكسدة غير الكاملة هي الأحماض العضوية، مثل الخليك، الستريك، الفوماريك، الغلوكونيك، إلخ. والمثال النموذجي للأكسدة غير الكاملة هو تكوين حمض الأسيتيك من الكحول بواسطة بكتيريا من جنس أسيتوباكتر:

تستخدم الكائنات الحية الدقيقة هذه العملية المؤكسدة للحصول على الطاقة. مع الأكسدة غير الكاملة، يحدث تكوين روابط الفوسفات عالية الطاقة أثناء عملية نقل الإلكترون. ومع ذلك، فإن إجمالي إنتاج الطاقة أقل بكثير من الأكسدة الكاملة. يتم تخزين جزء من طاقة الركيزة الأولية المؤكسدة في الأحماض العضوية الناتجة. نظرًا لحقيقة أن الأحماض المماثلة (السكسينيك واللاكتيك) تتشكل أثناء تخمير الكربوهيدرات، فإن الأكسدة غير الكاملة تسمى "التخمر التأكسدي". السمة المميزة للأكسدة غير الكاملة هي مشاركة الأكسجين في التفاعلات. ولذلك فإن التهوية شرط ضروري لتكوين الأحماض العضوية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. لقد ثبت أن تكوين حمض الجلوتاميك بواسطة البكتيريا (Corynebacterium glutamicum) يحدث فقط في ظل ظروف هوائية صارمة. علاوة على ذلك، يمكن أن يكون إنتاج هذا الحمض الأميني مرتفعًا جدًا - 0.6 مول من الجلوتامين لكل 1 مول من الجلوكوز المستخدم.
تُستخدم الكائنات الحية الدقيقة التي تتطور بسبب طاقة الأكسدة غير الكاملة في الصناعة الميكروبيولوجية لإنتاج الأحماض العضوية، بما في ذلك الأحماض الأمينية.
التنفس اللاهوائي. في ظل الظروف اللاهوائية، أي في غياب الأكسجين الجزيئي، يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة أن تعيش
مثل Micrococcus denitrificans والبكتيريا من أجناس Desulfovibrio و Desulfotomaculum تستخدم المركبات المعدنية المؤكسدة كمستقبلات للهيدروجين - النترات والكبريتات التي تتخلى بسهولة عن الأكسجين وتتحول إلى أشكال مخفضة. منتجات اختزال النترات هي النتريت والنيتروجين الجزيئي. يتم اختزال الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين ومركبات أخرى. يتم إطلاق المنتجات المخفضة الناتجة من الخلية. تحدث أكسدة المواد العضوية في الظروف اللاهوائية عن طريق نزع الهيدروجين، ويدخل الهيدروجين المنفصل إلى السلسلة التنفسية ويتم نقله إلى المستقبل المقابل. يتم تحفيز التفاعل النهائي بواسطة اختزال النترات. يعمل الأخير كأكسيداز السيتوكروم في الظروف اللاهوائية.
اختزال النترات هو إنزيم محفز. يتم تصنيعه فقط في ظل الظروف اللاهوائية بوجود النترات. يمنع الأكسجين تخليق إنزيم اختزال النترات. في وجود إنزيم اختزال النترات في الخلية (إذا انتقلت البكتيريا من الظروف اللاهوائية إلى الظروف الهوائية)، يتنافس الأكسجين مع النترات على الإلكترونات في السلسلة التنفسية، وبالتالي تثبيط وظائف هذا الإنزيم. وهذا هو السبب في أن تنفس النترات والكبريتات يحدث فقط في ظل الظروف اللاهوائية.
إن قدرة الكائنات الحية الدقيقة على استخدام النترات والكبريتات كمستقبلات للإلكترون تسمح لها بأكسدة الركيزة بالكامل وبالتالي الحصول على الكمية المطلوبة من الطاقة. وبالتالي، فإن إزالة النتروجين من البكتيريا أثناء تنفس النترات تنتج أكسدة كاملة للركائز العضوية، في حين أن إنتاج الطاقة أقل بنسبة 10٪ فقط مما يحدث أثناء التنفس الهوائي. يتم تشكيل ATP نتيجة الفسفرة في السلسلة التنفسية.

تنفس الكائنات الحية الدقيقة.

اسم المعلمة	معنى
موضوع المقال:	تنفس الكائنات الحية الدقيقة.
الموضوع (الفئة الموضوعية)	تعليم

تنفس الكائنات الحية الدقيقة هو الأكسدة البيولوجية للمركبات العضوية المختلفة وبعض المواد المعدنية. نتيجة لعمليات الأكسدة والاختمار، يتم توليد طاقة حرارية، تستخدم الخلية الميكروبية جزءًا منها، ويتم إطلاق الباقي في البيئة. اليوم أكسدة يتم تعريفها على أنها عملية إزالة الهيدروجين (نزع الهيدروجين)، و استعادة - انضمامها. تنطبق هذه المصطلحات على التفاعلات التي تنطوي على نقل البروتونات والإلكترونات أو الإلكترونات فقط. عند أكسدة المادة، يتم فقدان الإلكترونات، وعندما يتم اختزال المادة، يتم إضافتها. ويعتقد أن نقل الهيدروجين ونقل الإلكترون عمليتان متكافئتان.

تتراكم الطاقة المنبعثة أثناء تفاعلات الأكسدة والاختزال في مركبات عالية الطاقة ADP وATP (ثنائي فوسفات الأدينوزين وثلاثي فوسفات الأدينوسين). تحتوي هذه المركبات على روابط عالية الطاقة تحتوي على كمية كبيرة من الطاقة المتاحة بيولوجيًا. Οʜᴎ موضعية في الهياكل المعقدة للخلايا الميكروبية - الجسيمات المتوسطة أو الميتوكوندريا.

بناءً على نوع التنفس، يتم تقسيم الكائنات الحية الدقيقة إلى: الهوائية واللاهوائية واللاهوائية الاختيارية.

التنفس الهوائيالكائنات الحية الدقيقة هي عملية يكون فيها الأكسجين الجزيئي هو آخر متقبل للهيدروجين (البروتونات والإلكترونات). نتيجة لأكسدة المركبات العضوية المعقدة بشكل رئيسي، يتم توليد الطاقة، والتي يتم إطلاقها في البيئة أو تتراكم في روابط الفوسفات عالية الطاقة من ATP. يتم التمييز بين الأكسدة الكاملة وغير الكاملة.

الأكسدة الكاملة.المصدر الرئيسي للطاقة للكائنات الحية الدقيقة هو الكربوهيدرات. نتيجة لتحلل الجلوكوز في الظروف الهوائية، تبدأ عملية الأكسدة في تكوين ثاني أكسيد الكربون والماء مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرة:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 674 سعرة حرارية.

الأكسدة غير الكاملة. ليست كل الكائنات الهوائية تكمل تفاعلات الأكسدة. مع وجود فائض من الكربوهيدرات في البيئة، يتم تشكيل منتجات الأكسدة غير الكاملة التي تحتوي على الطاقة. المنتجات النهائية للأكسدة الهوائية غير الكاملة للسكر هي الأحماض العضوية: الستريك، الماليك، الأكساليك، السكسينيك وغيرها، والتي تتكون من الفطريات العفن. يتم التنفس الهوائي أيضًا بواسطة بكتيريا حمض الأسيتيك، حيث لا ينتج عن أكسدة الكحول الإيثيلي ثاني أكسيد الكربون والماء، بل حمض الأسيتيك والماء:

C 2 H 5 OH + O 2 → CH 3 COOH + H 2 O + 116 سعرة حرارية.

خل الكحول الإيثيلي. إلى ذلك

يمكن أن تستمر أكسدة الكحول الإيثيلي بواسطة بكتيريا حمض الأسيتيك - حتى يظهر ثاني أكسيد الكربون والماء ويتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة:

C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O + 326 سعرة حرارية.

الإيثانول

التنفس اللاهوائييتم تنفيذها دون مشاركة الأكسجين الجزيئي. يميز التنفس اللاهوائي الفعلي (النترات والكبريتات) و التخمير . في التنفس اللاهوائي، يكون مستقبل الهيدروجين عبارة عن مركبات غير عضوية مؤكسدة، والتي تتخلى بسهولة عن الأكسجين وتتحول إلى أشكال أكثر انخفاضًا. نترات التنفس- اختزال النترات إلى نيتروجين جزيئي . تنفس الكبريتات -اختزال الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين.

التخمير- تحلل المركبات العضوية المحتوية على الكربون في الظروف اللاهوائية. ويتميز بكون المستقبل الأخير للهيدروجين عبارة عن جزيء من مادة عضوية ذات روابط غير مشبعة. تتحلل المادة فقط إلى المنتجات الوسيطة، وهي مركبات عضوية معقدة (الكحول والأحماض العضوية). لا تستخدم الميكروبات الطاقة الموجودة فيها، ويتم إطلاق الطاقة المولدة بكميات صغيرة في البيئة.

الأمثلة النموذجية للتنفس اللاهوائي هي:

التخمر الكحولي (تنفس الخميرة في الظروف اللاهوائية):

C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 27 سعرة حرارية؛

إيثيل الكحول

تخمر حمض اللاكتيك (تنفس بكتيريا حمض اللاكتيك):

ج 6 ح 12 س 6 → 2 ج 3 ح 6 س 3 + 18 سعرة حرارية؛

ألبان إلى ذلك

تخمر حمض البيوتريك (تنفس بكتيريا حمض البيوتريك):

C 6 H 12 O 6 → C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 + 15 سعرة حرارية؛

زيت إلى ذلك

كما يتبين من المعادلات المذكورة أعلاه، يطلق التنفس اللاهوائي طاقة أقل بكثير من التنفس الهوائي. لهذا السبب، أثناء التنفس اللاهوائي، ومن أجل تلبية الحاجة إلى كمية مهمة للغاية من الطاقة، من المهم للغاية أن تستهلك الكائنات الحية الدقيقة سكريات أكثر مما تستهلكه أثناء التنفس الهوائي.

يتم إطلاق معظم الطاقة المتولدة أثناء التنفس إلى البيئة. وهذا يؤدي إلى تسخين الطعام الذي تتطور فيه الكائنات الحية الدقيقة. هذه هي الطريقة التي يتم بها تسخين النبيذ الذي يحدث فيه التخمر الكحولي. يتم تسخين الحبوب الرطبة والجفت والتبن.

تنفس الكائنات الحية الدقيقة. - المفهوم والأنواع. تصنيف وميزات فئة "تنفس الكائنات الحية الدقيقة". 2017، 2018.

الصفحة 16 من 91

ترتبط حياة الميكروبات، مثل جميع الكائنات الحية، بالإنفاق المستمر للطاقة، وبالتالي للحفاظ على التوازن الفسيولوجي، من الضروري التجديد المستمر لاحتياطياتها. ويتم تنفيذ هذا الأخير عن طريق الكائنات الحية الدقيقة من خلال عملية التنفس.
على عكس الحيوانات والنباتات العليا، فإن عملية التنفس في الميكروبات، على الرغم من حجمها المجهري، تتميز بالتعقيد والتنوع، والتي تعتمد على عمل الإنزيمات المختلفة. بناءً على نوع التنفس، تنقسم الكائنات الحية الدقيقة إلى ثلاث مجموعات:

1. تلزم الكائنات الهوائية التي تتطور فقط مع حرية الوصول إلى الأكسجين. تتم عملية التنفس الخاصة بهم بمشاركة الأكسجين الجزيئي من الهواء (على سبيل المثال، ضمة الكوليرا).
2. اللاهوائية الإجبارية، القادرة على العيش فقط في غياب الأكسجين الجوي (على سبيل المثال، عصية الكزاز).
3. اللاهوائية الاختيارية، والتي تشمل الغالبية العظمى من الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض؛ يمكن أن توجد في غياب الأكسجين الجوي ومع عدم إمكانية الوصول إليه بشكل كبير.

كان عمل باستير أول من أثبت أن عددًا من الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تتطور في بيئة خالية من الأكسجين، وتحصل على الطاقة اللازمة من تحلل المواد العضوية المعقدة للركيزة المغذية. تسمى عمليات التحلل العميق للمركبات العضوية الخالية من النيتروجين، والتي تعتمد عادة على التنفس اللاهوائي، بالتخمر. تتم عملية التنفس الهوائي واللاهوائي بواسطة محفزات بيولوجية (إنزيمات) قادرة على تنشيط مسار التفاعلات المؤكسدة أثناء التنفس. أثناء التنفس الهوائي واللاهوائي، في المرحلة الأولى من العملية، يتم تنشيط الهيدروجين بواسطة إنزيمات من مجموعة هيدروجيناز، والتي تأخذ الهيدروجين من الركيزة (الوسط المغذي) وتنقله من جزيء عضوي إلى آخر - من مستقبل إلى آخر (من المتقبل اللاتيني - الإدراك). وبما أن بنية ذرة الهيدروجين تحتوي على إلكترون واحد في المدار، فإن عملية إزالة الهيدروجين من الركيزة تكون عملية مؤكسدة. في المرحلة الأخيرة، أثناء التنفس الهوائي، تقوم نازعات الهيدروجين الهوائية بنقل الهيدروجين المزال من الركيزة مباشرة إلى الأكسجين الجوي، وهو المستقبل النهائي. وفي هذه الحالة يمكن تكوين بيروكسيد الهيدروجين الذي يلعب دور عامل مؤكسد للمركبات العضوية. يقوم إنزيم الكاتلاز، الموجود في جميع الكائنات الهوائية، بتحليل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين، ويقوم إنزيم بيروكسيداز بتنشيط أكسجين البيروكسيد.
لا يمكن للهيدرات اللاهوائية أن تعطي الهيدروجين لأكسجين الهواء، ولكنها تنقله إلى مستقبلات أخرى (الإنزيمات والمواد الأخرى التي تظهر أثناء عملية التخمير).
أثناء التنفس الهوائي واللاهوائي، تتم ملاحظة أكسدة بعض المواد واختزال مواد أخرى.
جوهر الأكسدة هو فقدان الإلكترونات بواسطة المادة التي تتأكسد، وأثناء الاختزال، يتم اكتساب الإلكترونات من خلال المادة التي يتم اختزالها.
وهكذا فإن عمليات التنفس في الكائنات الحية الدقيقة تمثل سلسلة من عمليات الأكسدة والاختزال المتتابعة التي تؤدي إلى إطلاق الطاقة اللازمة لحياتها.
أكثر المنتجات التي يمكن الوصول إليها للأكسدة بواسطة الميكروبات الهوائية هي السكريات والكحول والأحماض العضوية. تستخدم المركبات النيتروجينية المعقدة أخيرًا للتنفس. تستخدم الميكروبات اللاهوائية المركبات العضوية والمعادن كركيزة قابلة للأكسدة.

التنفس اللاهوائي أقل اقتصادا من التنفس الهوائي، كما يتبين من المثال التالي. يؤدي التحلل الهوائي لجزيء واحد من سكر العنب إلى إطلاق 674 سعرة حرارية من الحرارة. (CbH120b + 602 = 6C02 + 6H20 + 674 سعرة حرارية)، ومع التحلل اللاهوائي لنفس الجزيء - 27 سعرة حرارية فقط (C6Hi206 = 2C2H50H + 2C02 + 27 سعرة حرارية).
ملحوظة. ينعكس نوع تنفس الكائنات الحية الدقيقة في طبيعة نموها على الوسائط المغذية الاصطناعية. لذلك، على سبيل المثال، عصية السل، كونها هوائية ملزمة، في أنبوب اختبار أو قارورة مع مرق المغذيات تنمو فقط بشكل سطحي، في شكل فيلم، تاركة العصيات اللاهوائية الشفافة المتوسطة - فقط في القاعدة، والبكتيريا من تنمو مجموعة التيفوئيد المعوي (اللاهوائيات الاختيارية) بالتساوي في جميع طبقات المرق، مما يعطي نموًا منتشرًا.
طرق زراعة اللاهوائيات. لزراعة اللاهوائيات، بالإضافة إلى الوسائط المغذية المناسبة، من الضروري خلق ظروف بيئية خالية من الأكسجين. هناك طرق عديدة لزراعة الميكروبات اللاهوائية. ووفقا للمبادئ التي تقوم عليها هذه الأساليب، يمكن تقسيمها إلى كيميائية وفيزيائية وبيولوجية.
الطرق الكيميائية. هناك طريقتان لزراعة اللاهوائيات. الطريقة الأولى هي أن يتم وضع أنابيب الاختبار أو الأطباق الملقحة باللاهوائيات في مكان مغلق (على سبيل المثال، المجفف) ويتم وضع بعض ماصات الأكسجين - هيبوسلفيت الصوديوم ومحلول قلوي من البيروجالول. للحصول على 1 جرام من البيروجالول، تناول 10 مل من محلول NaOH 10%؛ هذه الكمية من المادة قادرة على ربط الأكسجين بحجم حوالي 200 مل من الهواء.
إن أبسط الطرق لتحقيق اللاهوائيات باستخدام هذا الخليط هي كما يلي:

1. يتم قطع السدادة القطنية لأنبوب الاختبار الملقحة بهذه الثقافة وخفضها بشكل أعمق إلى حد ما وترطيبها بمحلول (0.5-1 مل). يتم إيقاف وصول الهواء عن طريق التوصيل بسدادة مطاطية أو غطاء مطاطي.

1. إزالة الهواء من الوسائط المغذية قبل البذر عن طريق غليه في حمام مائي لمدة 15 دقيقة ثم تبريده بسرعة إلى 45-50 درجة مئوية. من أجل منع الهواء من الدخول مرة أخرى إلى الوسط، يتم إغلاق الأنابيب، أو يتم ملء سطح الوسط بزيت البارافين المعقم.
2. الحصول على مستعمرات معزولة في الطبقات العميقة للوسط باستخدام طريقة فيجنال. تقنية التلقيح باستخدام طريقة فيجنال هي كما يلي: يتم تلقيح 3-4 أنابيب اختبار بوسط أجار منصهر بمادة الاختبار وتخفيفها تدريجيًا. يتم أخذ الأجار الذي لم يتصلب بعد بعد التلقيح من كل أنبوب اختبار إلى ماصات باستور، والتي يتم بعد ذلك إغلاقها فقط من الطرف المسحوب (عند الختم، لتجنب تناثر المادة، يجب عدم إبقاء الطرف المقابل مثبتًا) . يتم تبريد الأنابيب بسرعة ونقلها إلى منظم الحرارة. بعد 2-3 أيام، مع التخفيف الناجح للمادة الأولية، يمكن ملاحظة المستعمرات الفردية.

لعزل المستعمرة، يتم إجراء شق باستخدام مبرد في المكان المخصص على الأنبوب، وبعد ذلك يتم كسر الأنبوب بسهولة. عند هذه النقطة، تُسكب المحتويات في طبق Heidenreich-Petri المعقم، وتُؤخذ المستعمرة بحلقة أو تُسحب إلى ماصة رفيعة مرسومة وتُنقل إلى المرق أو عن طريق الحقن في عمود من أجار السكر.

1. إزالة الهواء (وبالتالي الأكسجين) من البيئة ميكانيكياً. للقيام بذلك، يستخدمون أجهزة خاصة - Anaerostats (الشكل 41). اللاهوائية في أبسط أشكالها عبارة عن صندوق معدني مستطيل أو أسطواني مغلق بغطاء على حشية مطاطية. الاسطوانة مجهزة بصمام معدني متصل بالمضخة. يتم وضع أنابيب الاختبار والأكواب ذات الثقافات في الداخل، ويتم ضخ الهواء للخارج. لزراعة اللاهوائيات الصارمة، يكفي تقليل الضغط إلى 1 مم.

الطرق البيولوجية. من بين الطرق البيولوجية، غالبا ما تستخدم العدوى الحيوانية وطريقة فورتنر.
عندما تصاب الحيوانات بالعدوى، يتم إعطاء المادة المستخدمة للحيوان في خليط مع مصل محدد. يمكن استخدام هذه الطريقة بطريقتين:

1. لعزل الميكروبات من الخليط. وإذا تطابق الميكروب مع المصل فإنه يموت. يتم عزل الميكروبات الأخرى التي لا تتوافق مع هذا المصل من الحيوان.
2. لتحديد السموم. إذا كان هناك سم في مادة الاختبار، فإن الحيوان الذي تناوله في خليط مع مصل مضاد للسموم يبقى على قيد الحياة. يموت الحيوان المسيطر. يستخدم هذا التشخيص على نطاق واسع مع الاختبار البيولوجي للسموم.

طريقة فورتنر. تعمل هذه الطريقة على تقريب تكنولوجيا المختبرات من الظروف الطبيعية لتطور الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية. استخدم فورتنر طريقة تكافل الميكروبات الهوائية القادرة على امتصاص أكسجين الهواء بقوة (Bact. prodigiosum) مع اللاهوائيات المزروعة على أجار الدم في طبق Heidenreich-Petri. يتم تقسيم اللوحة إلى قسمين بواسطة شريط مقطوع من الأجار لتجنب اختلاط الثقافات أثناء النمو المستمر. يتم تلقيح المادة المراد اختبارها بحثًا عن اللاهوائيات على نصف الطبق، وعلى الجانب الآخر، يتم تلقيح مادة هوائية ملزمة معروفة (Bact. prodigiosum Сас. subtilis، وما إلى ذلك).
لعزل المساحة الداخلية للكوب عن الجو الخارجي يتم حشو حوافه بالشمع أو إغلاقها بالبلاستيك. يمكن الحصول على نمو سطحي جيد لللاهوائيات باستخدام طريقة فورتنر.
الوسائط المغذية لنمو اللاهوائيات. مرق كيتا - تاروزي. في أنبوب اختبار مع مرق ببتون اللحم، أضف قطع الكبد المسلوقة والمغسولة بالماء المغلي على منخل (3-5 جم لكل أنبوب اختبار) أو اللحم المفروم، املأها بالفازلين وقم بتعقيمها عند 115 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
أجار الدم مع الجلوكوز (زايسلر). يتم سكب أجار قلوي ضعيف يحتوي على 2-3٪ أجار أجار و 2٪ جلوكوز في أنابيب اختبار كبيرة (طولها 25 سم وقطرها 2.5 سم)، حوالي 60 مل لكل منها، ويتم تعقيمها لمدة 30 دقيقة عند 110 درجة مئوية وحفظها بهذا الشكل. قبل الاستخدام، يتم إذابة الأجار في حمام مائي، وتبريده إلى 45 درجة مئوية، وإضافة 12-15 مل من الدم المعقم منزوع الرجفان إلى كل أنبوب اختبار، وخلطه وسكبه في 3-4 أطباق هايدنرايش بيتري. يتم حفظ الأكواب المحضرة لمدة يومين في درجة حرارة الغرفة قبل الزراعة.
أجار أنبوب فايون. تتم إضافة 2٪ أجار و 0.5٪ جلوكوز إلى مرق الموقد المفتوح. اضبط الرقم الهيدروجيني على 7.4 واسكبه في أنابيب اختبار ضيقة (قطرها 0.3-0.5 سم وطولها 20 سم). يجب ألا يزيد عمود الأجار عن ثلثي طول أنبوب الاختبار ويتم تعقيمه في كسور لمدة 3 أيام لمدة 40 دقيقة في جهاز بخار متدفق.