Страница 16 из 91

Жизнь микробов, как и всех живых существ, связана с беспрерывным расходованием энергии, и, следовательно, для поддержания физиологического равновесия необходимо постоянное возобновление ее запасов. Последнее осуществляется микроорганизмами при помощи процесса дыхания.
В отличие от животных и высших растений процесс дыхания у микробов, несмотря на их микроскопическую величину, отличается своей сложностью и многообразием, в основе которого лежит действие различных ферментов. По типу дыхания микроорганизмы делятся на три группы:

1. облигатные аэробы, развивающиеся только при свободном доступе кислорода. Процесс дыхания у них осуществляется при участии молекулярного кислорода воздуха (например, холерный вибрион).
2. облигатные анаэробы, способные жить только в отсутствие кислорода воздуха (например, столбнячная палочка).
3. факультативные анаэробы, к которым относится огромное большинство патогенных микроорганизмов- они могут существовать как в отсутствие кислорода воздуха, так и при незначительном доступе его.

Работами Пастера впервые было установлено, что ряд микроорганизмов может развиваться в бескислородной среде, получая необходимую энергию при расщеплении сложных органических веществ питательного субстрата. Процессы глубокого расщепления безазотистых органических соединений, в основе которого лежит обычно анаэробное дыхание, называется брожением. Процесс аэробного и анаэробного дыхания осуществляется биологическими катализаторами (ферментами), которые способны при дыхании активировать течение окислительных реакций. При аэробном и анаэробном дыхании в первой фазе процесса отмечается активация водорода ферментами из группы дегидрогеназ, которые отнимают водород от субстрата (питательной среды) и переносят его от одной органической молекулы к другой- от одного акцептора к другому (от лат. acceptor- воспринимающий). А так как в структуре атома водорода на орбите имеется один электрон, то процесс отнятия водорода от субстрата является окислительным. В последней фазе при аэробном дыхании аэробные дегидрогеназы передают отнятый от субстрата водород непосредственно кислороду воздуха, который является конечным акцептором. При этом может образоваться перекись водорода, которая играет роль окислителя органических соединений. Фермент каталаза, имеющийся у всех аэробных организмов, разлагает перекись водорода на воду и кислород, а фермент пероксидаза активирует кислород перекиси.
Анаэробные дегидразы не могут отдавать водород кислороду воздуха, а передают его другим акцепторам (ферментам, другим веществам, появляющимся в процессе брожения).
Как при аэробном, так и при анаэробном дыхании наблюдается, окисление одних веществ и восстановление других.
Сущность окисления состоит в потере электронов окисляющимся веществом, а при восстановлении происходит присоединение электронов восстанавливающимся веществом.
Таким образом, акты дыхания у микроорганизмов представляют собой ряд последовательных окислительно-восстановительных процессов, которые приводят к освобождению необходимой для их жизнедеятельности энергии.
Наиболее доступными продуктами для окисления аэробными микробами являются сахара, спирты и органические кислоты. Сложные азотистые соединения используются для дыхания в последнюю очередь. Анаэробные микробы в качестве окисляемого субстрата используют органические соединения и минеральные вещества.

Анаэробное дыхание является менее экономичным, чем аэробное, что видно из следующего примера. В процессе аэробного расщепления одной молекулы виноградного сахара освобождается 674 калории тепла. (СбН120б+602=6С02+6Н20+674 калории), а при анаэробном разложении той же молекулы - лишь 27 калорий (C6Hi206=2C2H50H+2C02+27 калорий).
Примечание. Тип дыхания микроорганизмов находит свое отражение в характере их роста на искусственных питательных средах. Так, например, туберкулезная палочка, являясь облигатным аэробом, в пробирке или колбе с питательным бульоном растет только поверхностно, в виде пленки, оставляя среду прозрачной, анаэробные бациллы - только придонио, а бактерии кишечно-тифозной группы (факультативные анаэробы) растут одинаково во всех слоях бульона, давая диффузный рост.
Методы культивирования анаэробов. Для культивирования анаэробов, помимо соответствующих питательных сред, необходимо создать бескислородные условия среды. Методов культивирования анаэробных микробов существует много. По принципам, положенным в основу этих методов, их можно разделить на химические, физические и биологические.
Химические методы. Есть два метода выращивания анаэробов. Первый метод заключается в том, что засеянные анаэробами пробирки или чашки помещают в замкнутое пространство (например, эксикатор) и ставят какой-нибудь поглотитель кислорода - гипосульфит натрия и щелочной раствор пирогаллола. На 1 г пирогаллола берут 10 мл 10% раствора NaOH- это количество вещества способно связать кислород в объеме около 200 мл воздуха.
Самые простые способы осуществления анаэробиоза с помощью этой смеси следующие:

1. Ватную пробку пробирки с посевом данной культуры подрезают, опускают несколько вглубь и смачивают раствором (0,5- 1 мл). Доступ воздуха прекращается путем закупоривания резиновой пробкой или резиновым колпачком.

Видео: Бактерии 1959

1. Удаление воздуха из питательных сред перед засевом кипячением в водяной бане в течение 15 минут и последующим быстрым охлаждением до 45-50°. Для того чтобы не дать возможности воздуху вновь проникнуть в среду, пробирки запаивают, либо поверхность среды заливают стерильным парафиновым маслом.
2. Получение изолированных колоний в глубоких слоях среды по способу Виньяля. Техника посева по методу Виньяля следующая: в 3-4 пробирки с расплавленной агаровой средой делают посев испытуемого материала с постепенным его разведением. Не застывший еще после засева агар из каждой пробирки набирают в пастеровские пипетки, которые затем запаивают только с оттянутого конца (при запайке во избежание разбрызгивания материала нельзя держать противоположный конец зажатым). Трубки быстро охлаждают и переносят в термостат. Через 2-3 дня при удачном разведении исходного материала можно наблюдать отдельные колонии.

Для выделения колонии у намеченного на трубке места делают надрез напильником, после чего трубка легко надламывается. На этом месте содержимое выливают в стерильную чашку Гейденрейха - Петри, колонию берут петлей или втягивают в тонкую оттянутую пипетку и переносят в бульон или уколом в столбик сахарного агара.

1. Удаление воздуха (а следовательно, и кислорода) из среды механическим путем. Для этого пользуются особыми приборами - анаэростатами (рис. 41). Анаэростат в простейшей форме представляет собой прямоугольную или цилиндрическую металлическую коробку, закрывающуюся крышкой на резиновой прокладке. Цилиндр снабжен металлическим краном, присоединяющимся к насосу. Пробирки и чашки с посевами помещают внутрь, воздух выкачивают насосом. Для культивирования строгих анаэробов достаточно снизить давление до 1 мм.

Биологические методы. Из биологических методов чаще всего применяется заражение животных и метод Фортнера.
При заражении животных используемый материал вводят животному в смеси со специфической сывороткой. Этот метод может быть использован в двух направлениях:

1. Для выделения микробов из смеси. Если микроб соответствует сыворотке, он погибает. Другие же микробы, не соответствующие данной сыворотке, выделяются из животного.
2. Для определения токсинов. При наличии в исследуемом материале токсина животное, получившее его в смеси с антитоксической сывороткой, выживает. Контрольное животное погибает. Такая постановка диагноза широко применяется при биологической пробе на токсин.

Метод Фортнера. Этот метод приближает лабораторную технику к природным условиям развития анаэробных микроорганизмов. Фортнер применил метод симбиоза аэробных микробов, способных энергично поглощать кислород воздуха (Bact. prodigiosum), с анаэробами, засеянных на кровяной агар в чашке Гейденрейха - Петри. Чашка разделена на две части вырезанной полоской агара, чтобы при сплошном росте избежать смешивания культур. На одну половину чашки засевают исследуемый на анаэробы материал, на другую - заведомо известный облигатный аэроб (Bact. prodigiosum Сас. subtilis и др.).
Для изоляции внутреннего пространства чашки от внешней атмосферы края ее заливают воском или заклеивают пластилином. Методом Фортнера можно получить хороший поверхностный рост анаэробов.
Питательные среды для выращивания анаэробов. Бульон Китта - Тароцци. В пробирку с мясо-пептонным бульоном, прибавляют кусочки сваренной и промытой кипятком на сите печени (3-5 г на пробирку) или мясной фарш, заливают вазелиновым маслом и стерилизуют при 115° в течение 30 минут.
Кровяной агар с глюкозой (Цейсслера). Слабощелочной агар, содержащий 2-3% агар-агара и 2% глюкозы, разливают в большие пробирки (25 см длины и 2,5 см в поперечнике), приблизительно по 60 мл в каждую, стерилизуют 30 минут при 110° и в таком виде сохраняют. Перед употреблением агар растапливают в водяной бане, охлаждают до 45°, в каждую пробирку добавляют 12-15 мл стерильной дефибринированной крови, перемешивают и разливают в 3-4 чашки Гейденрейха-Петри. Готовые чашки выдерживают перед посевом 2 суток при комнатной температуре.
Агар для трубок Вейона. К мартеновскому бульону добавляют 2% агара и 0,5% глюкозы. Устанавливают pH 7,4, разливают в узкие пробирки (диаметр 0,3-0,5 см, длина 20 см). Столбик агара должен быть не выше 2/3 длины пробирки и стерилизуют дробно 3 дня по 40 минут в текучепаровом аппарате.

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.

Дыхание микроорганизмов

Описанные выше процессы ассимиляции пищи протекают с затратой энергии. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду.

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

АН 2 + В - А + ВН 2 + энергия

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г. французский ученый Л.Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы - растения и животные - могут жить только в атмосфере, содержащей кислород.

По этому признаку (по типам дыхания) Л.Пастер разделил микроорганизмы на две группы - аэробы и анаэробы.

Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + 2822 кДж.

Анаэробы - это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями . Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислые брожения. Рассмотрим на примере спиртового брожения:

С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 118 кДж.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относятся возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют - факультативными, или условными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

Ферменты микроорганизмов

Ферменты - вещества, способные каталитически влиять на скорость биохимических реакций. Они играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Открыты ферменты в 1814 г. русским академиком К.С.Кирхгофом.

Как и другие катализаторы, ферменты в реакциях превращения веществ принимают участие лишь в качестве посредников. Количественно в реакциях они не расходуются. Ферменты микроорганизмов обладают целым рядом свойств:

1) При температуре до 40-50єС увеличивается скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать. При температуре выше 80°С практически все ферменты необратимо инактивируются.

2) По химической природе ферменты бывают однокомпонентными, состоящими только из белка, и двухкомпонентными, состоящими из белковой и небелковой частей. Небелковая часть у ряда ферментов представлена тем или иным витамином.

3) На активность фермента оказывает большое влияние рН среды. Для одних ферментов наилучшей является кислая среда, для других - нейтральная или слабощелочная.

4) Ферменты обладают высокой активностью. Так, молекула каталазы разрушает в минуту 5 млн молекул пероксида водорода, а 1 г амилазы при благоприятных условиях превращает в сахар 1 т крахмала.

5) Каждый фермент обладает строгой специфичностью действия, т. е. способностью влиять только на определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества. Например, амилаза вызывает расщепление только крахмала, лактаза - молочного сахара, целлюлаза - целлюлозы и т. д.

6) Ферменты, присущие данному микроорганизму и входящие в число компонентов его клетки, называются конститутивными . Существует и другая группа - ферменты индуцируемые (адаптивные), которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент, которым, он не обладал.

7) По характеру действия ферменты подразделяются на экзоферменты , которые выделяются клеткой во внешнюю среду, и эндоферменты , которые прочно связаны с внутренними структурами клетки и действуют внутри нее.

8) Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после ее смерти они временно еще остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (от греч. аutos - сам, lysis - растворение) - саморастворение или самопереваривание клетки под влиянием ее собственных внутриклеточных ферментов.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. Ферменты делятся на 6 классов:

1-й класс - оксидоредуктазы - играют большую роль в процессах брожения и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене.

2-й класс - трансферазы (ферменты переноса) катализируют реакции переноса групп атомов от одного соединения к другому.

3-й класс - гидролазы (гидролитические ферменты). Они катализируют реакции расщепления сложных соединений (белки, жиры и углеводы) с обязательным участием воды.

4-й класс - лиазы включают двухкомпонентные ферменты, отщепляющие от субстратов определенные группы (СО 2 , Н 2 О, NН з и т. д.) негидролитическим путем (без участия, воды).

5-й класс - изомеразы - это ферменты,.катализирующие обратимые превращения органических соединений в их изомеры.

6-й класс - лигазы (синтетазы) - это ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из более простых. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов микробов в пищевой и легкой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Препараты амилолитических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалосодержащего сырья вместо зернового солода, а в хлебопекарной промышленности взамен солода при приготовлении заварного ржаного хлеба; добавляют грибные амилазы и в пшеничное тесто. Поскольку в этом препарате помимо амилазы имеются, хотя и в небольшом количестве, другие ферменты (мальтаза, протеазы), процесс изготовления теста ускоряется, увеличиваются объем и пористость хлеба, улучшаются его внешний вид, аромат и вкус. Применение этих ферментных препаратов в пивоварении позволяет частично заменить солод ячменем. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Пектолитические ферментные грибные препараты используют в соко-морсовом производстве и виноделии. В результате разрушения пектина этими ферментами ускоряется процесс выделения сока, повышается его выход, фильтрация и осветление. Ферментные препараты, содержащие микробные протеазы, используют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива, а в сыроделии - взамен (частично) сычужного фермента. Целесообразно применять микробные протеазы для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и сельди, получения из отходов рыбной и мясной промышленности пищевых гидролизатов и для других технологических процессов переработки животного и растительного сырья.

Химический состав микроорганизмов

По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75-85% воды, остальные 16-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свободном и в связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ.

Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ.

белки - до 52%,

полисахариды - до 17%,

нуклеиновые кислоты (РНК до 16%, ДНК до 3%),

липиды - до 9%

Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции. В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества - органические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

Контрольные вопросы

1. Что такое тургор?

2. Что такое диссимиляция?

3. Какие микроорганизмы называются автотрофными?

4. Что такое осмос?

5. Какие микроорганизмы называются факультативными?

6. Что такое плазмолиз?

7. в каких процессах участвуют липазы?

8. Какое количество воды входит в состав микроорганизмов?

10. Какие микроорганизмы называются анаэробными?

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов .

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 . В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделением большого количества свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + 674 ккал.

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, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу-ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С 2 Н 5 ОН + О 2 → СН 3 СООН + Н 2 О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо-жет идти и дальше — до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С 2 Н 5 ОН + 3О 2 → 2СО 2 + 3Н 2 О + 326 ккал.

этиловый спирт

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение . При анаэробном дыхании акцепто-ром водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста-новленные формы. Нитратное дыхание — восстановление нитратов до молекуляр-ного азота. Сульфатное дыхание — восстановление сульфатов до сероводо-рода.

Брожение — расщепление органических углеродсодержащих соединений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а образовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок-ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

Спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 27 ккал;

этилов. спирт

Молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 3 Н 6 О 3 + 18 ккал;

молочн. к-та

Маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → С 3 Н 7 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 + 15 ккал;

маслян. к-та

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. Поэтому при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в необходимом количестве энергии, микроорганизмам необходимо потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.

Дыхание микроорганизмов.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Дыхание микроорганизмов.
Рубрика (тематическая категория)	Образование

Дыхание микроорганизмов представляет собой био­логическое окисление различных органических соединœений и не­которых минœеральных веществ. В итоге окислительно-восстано­вительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное ко­личество выделяется в окружающую среду. Сегодня окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидриро­вание), а восстановление - его присоединœения. Эти термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и элек­тронов или только электронов. При окислении вещества происхо­дит потеря электронов, а при восстановлении - их присоединœение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединœениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединœенияимеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Οʜᴎ локализованы в сложно устроенных структурах микробных клеток - мезосомах, или митохондриях.

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов .

Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединœений 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. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделœением большого количества свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + 674 ккал.

Неполное окисление. Не всœе 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 бывают органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелœевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу­ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С 2 Н 5 ОН + О 2 → СН 3 СООН + Н 2 О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо­жет идти и дальше - до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С 2 Н 5 ОН + 3О 2 → 2СО 2 + 3Н 2 О + 326 ккал.

этиловый спирт

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение . При анаэробном дыхании акцепто­ром водорода являются окисленные неорганические соединœения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста­новленные формы. Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекуляр­ного азота. Сульфатное дыхание - восстановление сульфатов до сероводо­рода.

Брожение - расщепление органических углеродсодержащих соединœений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединœения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а образовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок­ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

Спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 27 ккал;

этилов. спирт

Молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → 2С 3 Н 6 О 3 + 18 ккал;

молочн. к-та

Маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

С 6 Н 12 О 6 → С 3 Н 7 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 + 15 ккал;

маслян. к-та

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. По этой причине при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в крайне важно м количестве энергии, микроорганизмам крайне важно потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.

Дыхание микроорганизмов. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дыхание микроорганизмов." 2017, 2018.