Обмен веществ у микроорганизмов
ТЕМА: обмен веществ у микроорганизмов.
1. Химический состав микробной клетки.
2. Типы питания микроорганизмов.
3. Ферменты микроорганизмов, их свойства, значение в обмене веществ.
4. Дыхание микроорганизмов.
5. Рост и размножение микроорганизмов.
1
Физиологические, обменные процессы тесно связаны с химическим составом микробной клетки. В неё входят химические элементы – органогены: азот, углерод, кислород, водород. Из этих элементов и их соединений микроорганизмы синтезируют белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.
Составными частями бактериальной клетки являются в о д а (до 75-80 %) в свободном или связанном виде, м и н е р а л ь н ы е в е щ с т в а , в том числе неорганической природы (фосфор, сера, натрий, магний, калий, кальций, железо, хлор и др.), а также м и к р о э л е м е н т ы (молибден, кобальт, бор, марганец, цинк, медь и др.), о р г а н и ч е с к и е в е щ е с т в а - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, ферменты и другие соединения.
Рекомендуемые материалы
Б е л к и - жизненно важные вещества бактериальной клетки: простые белки – протеины; сложные белки – протеиды – соединения протеинов с небелковыми группами: с нуклеиновой кислотой (нуклеопротеиды), полисахаридами (гликопротеиды), жироподобными веществами (липопротеиды); ферменты (энзимы), которые тоже являются белками.
Нуклеиновые кислоты представлены РНК, которая содержится в цитоплазме бактерий, и ДНК, находящейся в основном в ядре клеток. РНК играет роль в синтезе белка. ДНК отвечает за наследственные функции.
У г л е в о д ы содержатся в виде в виде полисахаридного комплекса в соединении с белками и липидами в оболочках клетки и слизистом слое.
В жизни бактериальной клетки определённое место занимают также л и п и д ы (жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолипиды и др.).
Химический состав микроорганизмов зависит от состава питательной среды, характера обмена и внешних условий.
2
Микроорганизмы осуществляют постоянный обмен веществ с внешней средой. Для своего питания они извлекают из внешней среды питательные материалы, синтезируют составные части микробной клетки и получают за счёт превращения веществ необходимую энергию для своей жизнедеятельности.
Питательные вещества поступают в клетку через её оболочку; ненужные микробу продукты обмена также через оболочку выводят наружу. Механизм этого явления основан на разнице осмотического давления в клетке и вне ее. Оболочка полупроницаема, – пропускает воду и растворённые в ней питательные вещества. Для проникновения в клетку сложных коллоидных веществ требуется предварительное их расщепление, что осуществляется с помощью ферментов микробной клетки. Синтезированные в теле клетки белки используются как пластический материал.
Разница в концентрации питательных веществ обеспечивает движение воды и растворённых в ней соединений, причём вода движется в сторону более высокой, а соли – в сторону менее высокой их концентрации. Приток воды в микробную клетку вызывает набухание коллоидов цитоплазмы. В результате этого она тесно примыкает к оболочке клетки, находится в состоянии напряжения, именуемом тургором бактериальной клетки. Если изменить осмотическое давление в окружающей среде, например, поместить клетку в гипертонический раствор, то наступит обезвоживание и сморщивание – плазмолиз, в гипотонический раствор – набухание и разрыв – плазмоптиз. И в том и в другом случае микробная клетка гибнет. Эти свойства, в частности плазмолиз, используют в повседневной практике при консервировании пищевых продуктов в крепких растворах соли и сахара.
По типу питания микроорганизмы делят на а у т о т р о ф ы (литотрофы) и г е т е р о т р о ф ы (органотрофы).
А у т о т р о ф ы для своего питания не нуждаются в готовых органических веществах, а создают их из неорганических веществ; в частности, углерод воспринимают непосредственно из диоксида углерода, простые азотистые соединения (аммиак, его соли, соли азотистой кислоты) и воду – из окружающей среды. Создание сложных органических веществ в клетках этих бактерий происходит путём хемо – или фотосинтеза. К этой группе микроорганизмов принадлежат нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др. Патогенных для животных микробов в этой группе нет. Явление хемосинтеза у аутотрофных бактерий открыл отечественный микробиолог С.Н.Виноградский (1856 – 1953).
Г е т е р о т р о ф ы для своего питания воспринимают углерод только из готовых органических веществ. Гетеротрофы подразделяют на сапрофитов и паразитов. Сапрофиты (метатрофы) используют мёртвые органические субстраты, в основном это гнилостные микробы. Паразиты (паратрофы) – болезнетрофные микробы, обитающие в живых тканях человека, животных, растений. Резкой грани между аутотрофами и гетеротрофами, а также между сапрофитами и паразитами не существует. При изменении условий среды меняется обмен веществ, у микробов вырабатываются адаптивные ферменты, и они приспосабливаются к другому типу питания.
Обмен веществ включает в себя два противоположных и в то же время единых процесса: ассимиляция (конструктивный обмен веществ) и диссимиляция (энергетический обмен веществ). Осуществляется обмен веществ с помощью ферментов.
Б е л к о в ы й о б м е н у бактерий протекает в две фазы. Под действием ферментов белковые вещества расщепляются до аминокислот. Синтез белков происходит в рибосомах.
Р а с щ е п л е н и е у г л е в о д о в также происходит под влиянием ферментов. Процесс протекает по типу гидролиза или фосфоролиза. Конечные продукты такого распада – вода и углекислота. Расщепление углеводов обуславливает, кислую реакцию (бродильные микробы), расщепление белков – щелочную (гнилостные микробы). Этот биологический антагонизм широко используется в жизни – бродильные процессы предохраняют от загнивания силос, квашеные овощи, молочнокислые продукты, Углеводы синтезируются путём фотосинтеза, что присуще бактериям, содержащим в цитоплазме пигменты типа хлорофилла, и хемосинтеза, присущего большинству бактерий.
Л и п и д н ы й о б м е н в микробной клетке осуществляется с помощью ферментов. Многие бактерии усваивают глицерин, служащий для получения энергии и построения структур клетки.
Большое значение для жизнедеятельности микробов имеет также м н е р а л ь н ы й о б м е н.
3
Велика роль в процессах превращения веществ принадлежит ферментам – биологическим катализаторам белковой природы. И не только белковой. Ферменты микробов делят на э н д о - и э к з о ф е р м е н т ы. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клетки. Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где производят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом.
В 1898 г. ученик Л.Пастера Эмиль Дюкло предложил ферменты называть по веществу, на которое они действуют с добавлением окончания «аза». Например, фермент, действующий на крахмал, называют амилаза, на жиры – липаза, на белки - протеиназа.
И до настоящего времени сохранились старые названия ферментов. Так, фермент желудочного сока называют пепсин, фермент поджелудочной железы - трипсин, фермент слюны - птиалин и т.д.
С в о й с т в а ф е р м е н т о в. Все процессы, которые протекают в микробной клетке, полностью зависят от активности ферментов. Ферменты растворимы в воде, а также в растворах солей, кислот, щелочей. Они имеют большую молекулярную массу и имеют электрический заряд. Ферменты – это белковые комплексы, по форме – кристаллы, которые могут выпадать из растворов. Существует две группы ферметов: однокомпонентные, в состав которых входят белок – носитель и так называемая простетическая, или активная, группа. Белковый носитель называется апоферментом, активная группа – коферментом. По отдельности белковая и простетическая группы не обладают ферментативной активностью и только после соединения они приобретают свойства ферментов.
Специфичность действия – одно из наиболее характерных свойств ферментов. Они способны реагировать только с определёнными химическими соединениями или группой родственных соединений. Например, фермент расщепляет только молочный сахар, уреаза гидролизует мочевину, каталаза разрушает перекись водорода и т.д.
Каталитическая активность проявляется в очень малых количествах. Один грамм амилазы может разложить 1 т крахмала, 1 г химозина может свернуть 12 т молока, 1 г пепсина способен расщепить 50 кг коагулированного белка, одна молекула каталазы при 40*С в течение секунды разрушает 550 тыс. молекул перекиси водорода. Таким образом, существует большое несоответствие между количеством фермента и действием, которое он оказывает на вещество.
Ферменты термолабилны. Они легко инактивируются при нагревании. При 50 – 60*С ферменты снижают свою активность, при 80*С происходит инактивация большинства из них , а при 100*С наступает полное разрушение. Это объясняется, прежде всего, тем, что ферменты имеют белковую природу. Оптимальная температура их действия 30 – 50*С, для ферментов же животного происхождения - 37 – 40*С.
Ферменты действуют при определённом рН. Реакция среды, в которой ферменты проявляют свою активность, разная. Пепсин действует в кислой среде (рН 1,5 – 2,5), трипсин – в слабощелочной (рН 7,8 – 8,7), каталаза и уреаза – в нейтральной (рН 7).
Ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов. Они нетоксичны. Это важное свойство имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Если бы ферменты оказались ядовитыми, невозможно было бы использовать многие продукты ферментации, особенно в пищевой промышленности и медицине.
К л а с с и ф и к а ц и я ф е р м е н т о в. 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: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы, или синтетазы.
Ферментативную активность бактерий и грибов широко используют в промышленности для приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот; молочных продуктов (сыр, ацидофилин, кумыс); в виноделии, пивоварении и других отраслях народного хозяйства. По конечным продуктам расщепления (образование кислот, щелочей, углерода диоксида, сероводорода) можно определить принадлежность микробов к определённой группе. Одни из них ферментируют углеводы с образованием кислоты и газа, другие -–белки с образованием индола, аммиака, сероводорода и т.д. Знание ферментативных процессов микроорганизмов позволяет определить вид, а следовательно, поставить диагноз, то есть своевременно распознать болезнь.
4
Дыхание – процесс, сопровождающийся выделением энергии, необходимой микробам для синтеза органических соединений. По типу дыхания микробов делят на а э р о б н ы е м и к р о б ы (аэробы), использующие для дыхания молекулярный кислород воздуха (например, возбудитель сибирской язвы), и на а н а э р о б н ы е м и к р о б ы (анаэробы), для жизнедеятельности которых необходимая энергия освобождается в процессе расщепления имеющихся в окружающей среде органических субстратов (например, возбудитель ботулизма). Между этими группами существуют промежуточные формы:
м и к р о а э р о ф и л ы – нуждаются в очень ограниченном количестве кислорода (например, возбудитель бруцеллёза крупного рогатого скота), и ф а к у л ь т а т и в н ы е а э р о б ы - размножаются как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. К ним принадлежит большинство патогенных и сапрофитных бактерий. Значительно влияет на характер дыхания среда обитания микробов. Например, дрожжи могут изменять анаэробный тип дыхания на аэробный.
Процессы дыхания у бактерий представляют собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, протекающих с участием строго специфических ферментных систем и осуществляемых путём переноса электронов от систем с наиболее отрицательным потенциалом к системе с наиболее положительным потенциалом.
5
Под ростом бактериальной клетки понимают увеличение массы протоплазмы, происходящее в результате синтеза клеточного материала в процессе питания. Достигнув индивидуального предела роста и зрелости, клетка начинает размножаться. Размножение – это способность микроорганизма к увеличению числа особей.
Большинство микроорганизмов при благоприятных условиях делятся через каждые 20 – 30 мин. Скорость размножения бактерий различна и зависит от вида микроорганизмов, возраста культуры, состава питательной среды, температуры и многих других факторов.
Бактерии размножаясь простым поперечным делением (вегетативное размножение) в различных плоскостях, образуют многообразные сочетания клеток (гроздья, цепочки, парные соединения и др.). Существует бинарное деление бактерий, важным условием которого является репликация (удвоение) ДНК.
При этом в делящейся клетке микроорганизма водородные связи разрываются и образуется одиночная дочерняя спираль ДНК восстанавливает водородные связи и снова создаётся двойная спираль ДНК.
Актиномицеты и грибы размножаются путём спорообразования, дрожжи – почкованием и спорообразованием. У некоторых микроорганизмов наблюдается половое размножение. Однако большинство микроорганизмов размножается бесполым путём.
При размножении микроорганизмов на искусственной питательной среде отмечено несколько стадий (фаз). Первая фаза – лагфаза (фаза задержки), когда бактерии не размножаются, но по мере перестройки и приспособления (в течение примерно 1-2 ч) начинают размножаться в нарастающем темпе. Вторая фаза – экспоненциальная (фаза логарифмического роста). Во время этой фазы количество бактерий увеличивается в геометрической прогрессии. Третья фаза – стационарная, когда кривая роста достигает максимума, а затем становится почти параллельной абсциссе. Четвёртая фаза – период старости, или стадия отмирания бактериальной популяции. На этой стадии клетки не размножаются. Длительность четвёртой фазы у разных видов бактерий неодинакова. В этот период отмечаются значительные изменения морфологии, физиологии, биохимической активности и антигенных свойств бактерий.
Вместе с этой лекцией читают "14 Вычеты и их применение".
Вопросы для самоконтроля: 1. Какие вещества входят в состав микробной клетки?
2. Чем отличаются микробы-сапрофиты от паразитов по
характеру обмена веществ?
3. Каковы различия между анаэробами и аэробами?
4. Какие ферменты микробов вы знаете и каково их пра-
ктическое значение?
